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UNIVERSIDAD DE MAGALLANESFACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE INGENIERA EN CONSTRUCCIN
CARACTERIZACIN GEOMECNICA DE LA FORMACINLORETO EN EL SECTOR SUR DE LA CIUDAD DE
PUNTA ARENAS
CRISTIAN MANSILLA MIRANDAJOS PACHECO BARRIENTOS
2006
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UNIVERSIDAD DE MAGALLANESFACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE INGENIERA EN CONSTRUCCIN
CARACTERIZACIN GEOMECNICA DE LA FORMACINLORETO EN EL SECTOR SUR DE LA CIUDAD DE
PUNTA ARENAS
TRABAJO DE TITULACIN PRESENTADOEN CONFORMIDAD A LOS REQUISITOSPARA OBTENER EL TTULOCONSTRUCTOR CIVIL
PROFESOR GUA:RAMN CARRASCO POLL
CRISTIAN MANSILLA MIRANDAJOS PACHECO BARRIENTOS
2006
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AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer en primer lugar a nuestras familias, por el apoyo, fuerza y
paciencia entregados en este largo y complicado proceso.
Agradecer a todas las personas (profesores, profesionales, compaeros y amigos) los
que de una u otra forma cooperaron con sus conocimientos en la realizacin de este trabajo. A
las entidades que nos brindaron su colaboracin y dotacin de recursos necesarios para el
desarrollo de este trabajo.
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INDICE
AGRADECIMIENTOS ii i
CAPITULO I INTRODUCCIN 1
1.1. Resumen. 2
1.2. Justificacin del proyecto. 3
1.3. Validez del estudio. 3
1.4. Objetivos del estudio. 4
1.4.1. Objetivo general. 4
1.4.2. Objetivos especficos. 4
1.5. Ubicacin de la zona de estudio. 5
CAPITULO II ANTECEDENTES GENERALES 7
2.1. Antecedentes generales de la Ciudad de Punta Arenas. 8
2.1.1. Geomorfologa. 8
2.1.2. Suelos. 8
2.1.3. Geologa. 9
2.1.4. Marco Geolgico Formacin Loreto.Miembro Ciervos
Miembro Lynch 11
Miembro Carbonoso o Loreto Carbonoso 12
2.2. Clasificacin de la arenisca perteneciente a la Formacin Loreto. 13
Anlisis Granulomtrico. 13
Lmites de Consistencia. 14
Determinacin del Lmite Plstico. 14
Determinacin del Lmite Lquido. 15
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Determinacin grfica del Lmite Lquido. 16
Determinacin del ndice de Plasticidad. 17
Carta de Plasticidad de Casagrande. 17
Clasificacin del material estudiado. 18
2.3 Descripcin de la arenisca perteneciente a la Formacin Loreto. 19
Descripcin con Lupa Binocular. 19
Descripcin Corte Transparente. 20
CAPITULO III DETERMINACIN NGULO DE FRICCIN INTERNO Y
COHESIN DE ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA
SUELOS DE MOHR - COULOMB.
22
3.1. Generalidades. 23
3.2. Extraccin, acondicionamiento y preparacin de las muestras. 23
3.2.1. Extraccin de las muestras. 24
3.2.2. Acondicionamiento de las muestras. 24
3.2.3. Preparacin de las muestras para ensayo. 25
3.3. Ensayos realizados a la arenisca correspondiente a la Formacin Loreto. 26
3.3.1. Ensayo de Compresin no confinada. 26
3.3.2. Ensayo Triaxial. 293.4. Descripcin procedimiento de clculo para determinacin de cohesin y ngulo
de friccin interno.
33
3.4.1. Obtencin datos para clculo c y . 33
3.4.2. Clculo de los parmetros resistentes cohesin y ngulo de friccin interno. 33
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CAPITULO IV DETERMINACIN DEL NGULO DE FRICCIN INTERNA Y
COHESIN DE ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA
ROCAS DE HOEK Y BROWN.
36
4.1. Generalidades. 37
4.2. Descripcin procedimiento de clculo. 39
4.2.1. Determinacin de propiedades del macizo rocoso para aplicar el criterio de
falla para rocas de Hoek y Brown.
39
Resistencia en compresin no confinada CI . 39
Parmetro im para la roca intacta . 40
ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso. 41
4.2.2. Determinacin de constantes de acuerdo a propiedades del macizo rocoso
para aplicar el criterio de falla para rocas de Hoek y Brown.
43
Factor D , adimensional. 43
Constante bm , adimensional. 43
Constante S , adimensional. 43
Parmetro de resistencia a , adimensional. 44
4.2.3 Determinacin del ngulo de friccin interno y cohesin. 44
4.3. Clculo de propiedades y constantes de acuerdo a las propiedades del
macizo rocoso para aplicar el criterio de Hoek y Brown.
46
4.3.1. Clculo de las propiedades del macizo rocoso para aplicar el criterio de
falla para rocas de Hoek y Brown.
46
4.3.2. Clculo de constantes de acuerdo a propiedades del macizo rocoso para
aplicar el criterio de falla para rocas de Hoek y Brown.
47
4.3.3. Clculo de la Cohesin y ngulo de friccin interno. 50
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CAPITULO V APLICACIONES PRCTICAS A DISEOS DE OBRAS DE
INGENIERA
52
5.1. Introduccin. 53
5.2. Determinacin de la capacidad de carga ltima aplicado a la fundacin
superficial tipo, Sector Barrio Archipilago de Chilo II.
53
5.2.1. Generalidades. 53
5.2.2. Descripcin del procedimiento de clculo. 55
Determinacin de parmetros de acuerdo a la equivalencia del suelo y
tipo de fundacin.
55
Determinacin de los factores de forma, scssq F F F ,, . 56
Determinacin de los factores de profundidad, dcd dq F F F ,, . 57
Determinacin de los factores de capacidad de carga, cq N N N ,, . 57
Determinacin de la capacidad de carga ltima. 59
5.2.3. Clculo de la capacidad de carga ltima aplicado a la fundacin superficial
tipo, Sector Barrio Archipilago de Chilo II.
59
Determinacion de parmetros de acuerdo a la equivalencia del suelo y
tipo de fundacin.
59
Determinacin de los factores de forma, scssq F F F ,, . 60
Determinacin de los factores de profundidad, dcd dq F F F ,, . 60
Determinacin de los factores de capacidad de carga, cq N N N ,, . 61
Determinacin de la capacidad de carga ltima. 62
5.3. Determinacin de la profundidad crtica de excavacin en la arenisca. 65
5.3.1. Generalidades. 65
5.3.2. Descripcin procedimiento de clculo profundidad crtica de excavacin. 66
5.3.3. Clculo de profundidad crtica de excavacin de la arenisca. 68
5.4. Clculo de estabilidad de taludes de longitud finita. 70
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5.4.1. Generalidades. 70
5.4.2. Descripcin procedimiento de clculo. 75
5.4.3. Clculo de estabilidad de taludes de longitud finita. 76
Determinacin de altura crtica. 76
Determinacin de longitud crtica. 79
5.5. Estimacin de la Excavabilidad y Ripabilidad de la arenisca en la excavacin de
taludes.
81
5.5.1. Generalidades. 81
5.5.2. Estimacin Excavabilidad y Ripabilidad de la arenisca basado en la
velocidad de ondas ssmicas .
83
5.5.3. Determinacin del ndice de Excavabilidad de Hadjigeorgiou y Scoble. 84
CAPITULO VI CONCLUSIONES 88
BIBLIOGRAFA 92
ANEXOS 95
A. Memoria de clculo. 95
A.1 Datos de Confeccin. 96
A.2 Tablas de Ensayo de compresin no Confinada. 99
A.3 Tablas de Ensayo Triaxial, Drenado Consolidado (CD). 102 B Fotos microscpicas (corte transparente). 105
C Procedimiento de Ensayos de Compresin no Confinado y Ensayo
Triaxial Consolidado Drenado (CD).
108
D Descripcin Teora criterio de falla para suelos Mohr Coulomb. 115
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NDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Granulometra Arenisca Fraccin bajo tamiz 5 mm. 14
Tabla 2.2 Lmite Plstico. 15
Tabla 2.3 Lmite Lquido. 16
Tabla 4.1 Valores resistencia compresin no confinada. 39
Tabla 4.2 Valores de la constante mi de la roca intacta para distintos tipos de
roca.
40
Tabla 4.3 ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso. 42
Tabla 5.1 Factores de capacidad de carga. 58
Tabla 5.2 Criterio general de ripabilidad basado en la veloc. de ondas ssmicas. 83
Tabla 5.3 Ripabilidad de distintas rocas para mquina ripadora tipo D10R de
Caterpillar.
84
Tabla 5.4 ndice de excavabilidad segn Hadjigeorgiou y Scoble. 85
NDICE DE GRFICOS
Grico 2.1 Curva de Fluidez. 16
Grfico 2.2 Carta de plasticidad de Casagrande. 17
Grfico 3.1 Esfuerzo v/s Deformacin unitaria, Prensa 1. 27
Grfico 3.2 Esfuerzo v/s Deformacin unitaria, prensa 2. 28
Grfico 3.3 Esfuerzo v/s Deformacin axial, Ensayo triaxial CD. 31Grfico 3.4 Diagrama q / p, Ensayo Triaxial CD. 32
Grfico 3.5 ngulo de friccin interna v/s Deformacin, y cohesin v/s Deformacin 35
Grfico 4.1 Envolvente de rotura del criterio de Hoek y Brown en funcin de los
esfuerzos principales.
48
Grfico 4.2 Envolvente de rotura del criterio de Hoek y Brown en funcin de los
esfuerzos normal y tangencial.
49
Grfico 5.5 Resistencia de la roca a la carga puntual segn Franklin. 86
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NDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Descripcin zona de estudio, Sector Isla Grande de Chilo II. 6
Figura 3.1.1- 3.1.2- 3.1.3 Lugar de afloramiento y procedimiento de extraccin
de la roca.
24
Figura 3.2.1- 3.2.2- 3.2.3 Disminucin de tamao y acondicionamiento de la
muestra.
25
Figura 3.3.1- 3.3.2- 3.3.3 Preparacin de las muestras para ensayos. 26
Figura 5.1 Equivalencia del suelo sobre el nivel de desplante de una fundacin
con una sobrecarga debida a su peso.
54
Figura 5.2 Fundacin tipo edificio Archipielago de Chilo II. 56
Figura 5.3 Representacin comportamiento de esfuerzos principales de un suelo
en una excavacin.
65
Figura 5.4 Representacin comportamiento arenisca a la excavacin. 66
Figura 5.5 Representacin esquemtica de posible zona de falla de la cua
ABCDA`B`.
71
Figura 5.6 Representacin esquemtica de posible zona de falla de la base ABCD 71
Figura 5.7 Representacin esquemtica de posible zona de falla de las caras
laterales.
73
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CAPTULO I
INTRODUCCIN
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INTRODUCCIN
1.1. Resumen
El presente trabajo de investigacin, describe el estudio de la arenisca correspondiente a
la Formacin Loreto, que aflora en el sector Sur de la Ciudad de Punta Arenas, para obtener
una caracterizacin geolgica y geomecnica de esta.
Desde el punto de vista geolgico esta formacin esta compuesta en forma general por
1.140 m de areniscas de grano medio a grueso de mala seleccin que presenta pequeas
concreciones calcreas. Se compone de tres miembros: Ciervos, Lynch y Carbonoso o Loreto
Carbonoso, desde su base hacia la superficie.
Este estudio consisti en primer lugar, en establecer los lugares de afloramientos de
esta formacin existentes en la ciudad de Punta Arenas, para as determinar el lugar especfico
donde fuese factible la extraccin de la roca para el estudio de este material.
De esta zona, se obtuvieron muestras inalteradas de rocas pertenecientes a la
Formacin Loreto, las que fueron ensayadas en una primera etapa en el IDIEM de la
Universidad de Chile y, posteriormente, en el laboratorio de la Universidad de Magallanes
(AUSTROUMAG).
Con los resultados de los ensayos realizados, se determinaron los parmetros
geotcnicos: Cohesin ( c ) y ngulo de friccin interno ( ), considerando el Criterio de falla
para suelos Mohr Coulomb y posteriormente se contrastaron con los resultados obtenidos de
acuerdo al Criterio falla para macizos rocosos Istropos de Hoek y Brown.
Adems, por medio de un corte transparente realizado en el Servicio Nacional de
Geologa y Minera de Santiago (SERNAGEOMIN), se pudo definir con exactitud la composicin
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fsica de las muestras extradas. Adicionalmente, previa disgregacin o tamizado del material,
se determinaron los Lmites de Atterberg a la fraccin fina del material y un anlisis con lupa
binocular a la fraccin que queda retenida sobre la malla 40. Con los resultados obtenidos se
clasific y describi el material estudiado.
Finalmente, los parmetros geotcnicos obtenidos en este estudio sern utilizados, a
modo de ejemplo, en algunas aplicaciones prcticas de diseos de obras de Ingeniera.
1.2. Justificacin del estudio
El crecimiento de la ciudad de Punta Arenas, producto de la explosin demogrfica de
los ltimos aos, ha implicado modificar el plan regulador. Las malas caractersticas del suelo
en general, el riesgo y el alto costo de las construcciones en la zona cntrica de Punta Arenas,
han llevado a la bsqueda de alternativas para la edificacin en los alrededores. Adems, existe
un desconocimiento geotcnico de la Formacin Loreto, ignorando su comportamiento frente a
los problemas de cimentaciones. Todos estos puntos justifican la ejecucin de este estudio.
1.3. Alcance del estudi o
El alcance de este estudio tiene validez, dentro de los mrgenes que se sealan en los
siguientes puntos:
1.- El sector analizado comprende bsicamente a sector sur de Punta Arenas, especficamente
donde se encuentra el Sector Barrio Isla Grande de Chilo II, y la zona de Ro de los Ciervos,
reas en proyecto para la ampliacin del nuevo plan regulador.
2.- Este estudio es vlido para afloramientos de la arenisca gris perteneciente a la Formacin
Loreto y que se encuentra en un rango de profundidad entre cero (superficie) y 5 metros
aproximadamente.
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3.- Los resultados obtenidos a travs del ensayo triaxial, reflejan una situacin drenada con
disipacin de presin de poros. No se obtuvo informacin para una carga rpida lo que debido
al grado de densificacin de la muestra, debiera ser una situacin aun ms favorable.
4.- Los parmetros obtenidos a travs del criterio de falla para rocas Hoek y Brown no permiten
analizar como vara la resistencia en funcin de su deformacin. Esto es posible determinarlo
por medio del criterio de falla para suelos Mohr coulomb.
1.4. Objetivos del estudio
1.4.1. Objetivo general
Caracterizar en forma geolgica y geomecnica el estrato rocoso perteneciente a la
Formacin Loreto, especficamente la ubicada en el sector sur de la ciudad de Punta Arenas.
1.4.2. Objetivos especficos
1.- Determinar de los parmetros geotcnicos c y (cohesin y ngulo de friccin interno) de
la arenisca correspondiente a la Formacin Loreto.
2.- Determinar la Resistencia al corte, mediante el Criterio de falla para suelos deMohr Coulomb.
3.- Determinar la Resistencia al corte, mediante el Criterio de falla para roca de Hoek y Brown.
4.- Describir geolgicamente la arenisca tipo del sector estudiado.
5.- Aplicar los parmetros geotcnicos obtenidos a diseos de obras de Ingeniera.
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1.5. Ubicacin de la zona de estudio
La Ciudad de Punta Arenas, capital de la XII Regin de Magallanes y Antrtica Chilena,
situada a orillas del Estrecho de Magallanes, se encuentra ubicada a 53 grados, 8 minutos
latitud sur, 70 grados, 53 minutos de longitud oeste del meridiano de Greendwich, al Noreste de
la pennsula de Brunswick.
Para la determinacin de la zona de estudio, se inspeccionaron varios
afloramientos de la Formacin Loreto que se encontraban dentro del nuevo plan regulador de la
ciudad de Punta Arenas, determinando como zona de estudio el sector Sur de la ciudad,
especficamente donde se encontraba en ejecucin obras para la ampliacin del Barrio Isla
Grande de Chilo II, entre las calles: Jos Martnez de Aldunate, Patagona, Santa Juana y Av.
Canal de Chacao. Debido a los movimientos de tierra ejecutados en la obra, aumentaron el
nmero de afloramientos de la arenisca, lo que nos permiti poder extraer las muestras para
realizar nuestro estudio.
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7
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4
3
2
1
1 5
1 6
6 - 1 6 -
2
6 - 4
6 - 5
H
D1
D3D2
D2
F2F
F2
B2
B4
F1
G2
R9G3
F3
R3
R1
D2
R1
D2C2
F1
R5
DB
A
C
B
R7
R7
H
H
H
R8
R5
C
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ZH
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B3
H1
I
D
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DA
R2
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R5R6
ZR1
ZR2
A
BC
D
E
FG
H
I
JK
L
M
N
O
P
QR
S
6 - 3
Figura 1.1. Plano de Ubicacin de l a zona de estudio, Barrio Isla Grande de Chilo II.
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CAPTULO II
ANTECEDENTES GENERALES
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ANTECEDENTES GENERALES
2.1. Antecedentes generales de la Ciudad de Punta Arenas.
2.1.1. Geomorfologa
Geomorfolgicamente se distinguen tres grandes unidades correspondientes a terrazas
que ascienden hacia el poniente en forma paralela al Estrecho de Magallanes, estas son:
Relieve Bajo (< 20 m.s.n.m.) constituido por un gran plano inclinado compuesto de sedimentos
de origen marino y fluvial, Relieve intermedio (20 - 100 m.s.n.m.) y Relieve Alto (> 100
m.s.n.m.) correspondiente a los faldeos orientales de la meseta precordillerana con muestras de
accin glacial evidentes (16).
2.1.2. Suelos
Segn estudios realizados (Daz y Roberts, 1931) (4), el suelo de Punta Arenas se
clasifica como de Pradera Mnima Tpicos, constituidos por sedimentos glaciales, fluvioglaciales
y marinos a alturas entre 0 y 150 mt sobre el nivel del mar, caracterizados por suaves
pendientes. En la zona intermedia, entre los 150 y 200 mt existe una planicie inclinada con
fuertes pendientes ocasionales de los faldeos de los cerros adyacentes, con vegetacin de
matorrales y irres (Notophagus Antrtica) compuestas por sedimentos principalmente glacialesy fluviales, que presenta suelos del tipo gris de bosque, asociados a turberas en la zona de
curso de agua abandonados con sustrato impermeable.
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Los suelos se caracterizan por el desarrollo inmaduro de materiales de origen
sedimentario, galciofluviales y marinos recientes. Desarrollado bajo condiciones de baja
temperatura, escasa precipitacin y fuertes vientos. Se pueden identificar dos tipos de suelos;
Podzoles en las partes altas bien drenadas, y Podzoles de Agua Subterrnea en la zona baja
de Punta Arenas.
2.1.3. Geologa
Geolgicamente, la ciudad de Punta Arenas se ubica entre la vertiente oriental de la Faja
Plegada y corrida de Magallanes, que conforma el frente oriental de deformacin de la
Cordillera de Los Andes Australes y el borde costero occidental del Estrecho de Magallanes.
Punta Arenas, ubicada al noroeste de la Pennsula de Brunswick se encuentra en una
franja estructural caracterizada por afloramientos de rocas sedimentarias marinas de ambiente
somero y litoral, y rocas continentales con abundante fauna invertebrada y flora fsil
respectivamente, pertenecientes a la Formacin Loreto (Keidel I. & Hemmer A., 1931)(12) . Los
estratos de esta formacin, se encuentran suavemente plegados presentando un rumbo
general de Azimut 270 280 y manteos que varan entre 0 y 10 en direccin noreste y
suroeste, con solo algunas excepciones. Los sedimentos que forman estas rocas fueron
depositados en la parte occidental de la cuenca de Magallanes durante el Terciario 1 Superior,
sobre los sedimentos Terciarios se encuentran notables afloramientos de depsitos morrnicos 2
y terrazas marinas del Holoceno 3 dispuestos en franjas NS, paralelas a la orientacin del
Estrecho cortadas por depsitos fluviales o glaciofluviales de Edad Holoceno reciente.
1 poca geolgica que va desde los 65 millones de aos atrs hasta el comienzo del cuaternario. 2 Suelos formados por la degradacin de rocas producto del deslizamiento y roce de glaciares sobre ellas. 3 poca geolgica que va desde 11.500 millones atrs hasta el presente.
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2.1.4. Marco geolgico Formacin Loreto
La serie sedimentaria conocida como Formacin Loreto, dio origen inicialmente a una
gran variedad de trminos estratigrficos, conocidos especialmente en el mbito de la geologa
del petrleo de Magallanes.
De acuerdo a estudios realizados (Hoffstetter, R., Fuenzalida, H., 1957)(11), la
Formacin Loreto esta compuesta, en forma general, por 1.140 m de areniscas 1 de grano medio
a grueso, de buena seleccin, con frecuentes capas con abundantes concreciones calcreas 2
esfricas y alongadas, con numerosos fsiles regularmente preservados e intercalaciones de
limolitas3, que afloran a lo largo de la parte superior de los cauces de los ros de Los Ciervos, de
Las Minas, de La Mano, chorrillo Lynch y otros afloramientos menores de la costa y sectores
altos a unos 4 Km. al oeste de la ciudad.
La base de la Formacin Loreto se ubica concordantemente sobre la formacin de Lea
Dura, cuya localidad tipo se encuentra en el valle del ro del mismo nombre, a unos 10 Km. al
Sur de Punta Arenas.
El techo de la Formacin Loreto no est presente en el lugar tpico, sin embargo ste se
encuentra en la costa NE del Seno Skyring, donde corresponden a sedimentos de la Formacin
El Salto, que se apoyan en contacto aparentemente concordante con la Formacin Loreto, los
cuales se incluan antes en la base de la Formacin Palomares.
La Formacin Loreto, por su parte, se compone de tres miembros: Ciervos, Lynch y
Carbonoso o Loreto Carbonoso, identificados desde su base hacia la superficie.
1 Roca sedimentaria clstica, se compone principalmente de partculas pequeas de cuarzo.2 Es un mineral que posee carbonato de calcio.3 Roca sedimentaria de grano fino, proviene del limo posee un 10% de arena y un 30% de arcilla.
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Miembro Ciervos
Limolitico, de 540 m de espesor, compuesto por una alternacin de limolitas grises y
lutitas1 limoliticas, areniscas calcreas de grano con abundante microfauna. Este miembro se
extiende, desde el contacto con la Formacin Lea Dura, en el ro de Los Ciervos, hacia el NE
por unos tres kilmetros, hasta el nacimiento del chorrillo Lynch. Incluye tambin las llamadas
Areniscas de Tres Puentes, un poco al NW de Punta Arenas.
Miembro Lynch
Arenoso, de 250 m de espesor, compuesto por areniscas arcillosas de grano grueso y
estratificacin cruzada, con intercalaciones de areniscas de grano fino y limolitas. Se
encuentran algunos restos de conchas fsiles, principalmente en la parte superior de este
miembro los fsiles ms abundantes son Turritelas 2, siendo muy escasas las ostras 3. Varias
capas contienen hojas de Notofagus 4, pero presentan intercalaciones marinas.
1 Roca sedimentaria de grano fino con % similares de arcilla y limo, pero sin un cemento primario.2 Es un tipo de concha fsil.3 Es una concha fsil4 rbol que forman la flora patagnica.
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Miembro Carbonoso o Loreto Carbonoso
De 350 m de espesor, que incluye la mayor parte de la seccin del ro de Las Minas. Se
caracteriza por una alternancia de areniscas, limolitas y lutitas carbonosas, con algunos mantos
de lignito1 y tres mantos de carbn.
A partir de la regin tipo, esta formacin se encuentra hacia el NW en la zona del Seno
Skyring directamente sobre la formacin Tres Brazos y ms al norte se correlaciona con la
Formacin Mina Chilena. Los estratos carbonferos de Rio Turbio, en la Repblica Argentina,
corresponden completamente con la Formacin Loreto.
De acuerdo a estudios realizados (Fasola, A., 1968) (6), las formas fsiles polnicas con
cierto valor cronolgico indicaran una edad probable entre fines del Eoceno y el Oligoceno
Inferior a Medio para la Formacin Loreto. Sin embargo, segn se desprende de las
correlaciones establecidas por los gelogos de ENAP, la edad de esta formacin es
considerada actualmente Oligoceno a Mioceno, en concordancia con estudio realizado
(Hoffstetter, R., Fuenzalida, H., 1957)(11).
Las rocas de la Formacin Loreto se encuentran aflorando en la parte sur de la ciudad, a
lo largo del Ro de La Mano y en una angosta franja costera, entre el Parque Maria Behety y la
desembocadura del caadn del Ro de La Mano hacia el Norte y hacia el Este las rocas
terciarias se encuentran slo en el subsuelo, estimndose su profundidad a lo largo de la franja
costera central en unos 50 m.
1
Es una roca sedimentaria, que presenta un75 % de agua y un contenido de restos vegetales.
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2.2. Clasificacin de la arenisca perteneciente a la Formacin Loreto
De acuerdo al material bibliogrfico estudiado, segn lo indicado en el perfil estratigrfico
y mapa geolgico (Fasola, A., 1968) (6), las muestras extradas para nuestro estudiocorresponden a una arenisca perteneciente a la Formacin Loreto, especficamente al miembro
Lynch, definida en el punto anterior.
Para clasificar la arenisca, se prepar una muestra de la roca a la cual ya se le haba
realizado un ensayo de compresin no confinada, y se acondicion para la realizacin de una
granulometra para fraccin menor tamiz 5 mm, de acuerdo a la norma NCh 165 Of. 1977
ridos Para Morteros y Hormigones- Tamizado y Determinacin de la Granulometra, la cual
establece el procedimiento para realizar el tamizado y determinar la granulometra para estafraccin. Posteriormente, se procedi a realizar los ensayos correspondientes a los lmites de
Atterberg para determinar la presencia de arcilla en el material cementante de acuerdo a la
norma NCh 1517/1 Of. 79 Mecnica de suelos - Lmites de Consistencia.
Anl isis granulomtr ico
Este ensayo tiene por finalidad determinar en forma cuantitativa la distribucin de las
partculas de suelo de acuerdo a su tamao. La distribucin de las partculas con tamao
superior a 0.08 mm se determina mediante tamizado con una serie de mallas normalizadas.
Este ensayo fue realizado de acuerdo a lo establecido segn norma NCh 165 Of. 1977 y
los resultados obtenidos se dan a conocer a continuacin en la tabla 2.1.
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Datos:
Peso seco inicial pasa 5 mm = 358,19 (gr)
Peso seco cuarteo pasa 5 mm = 358,19 (gr)
Peso seco cuarteo lavado 5 mm = 275,48 (gr)
Tamiz N Abertura (mm) Peso retenido(gr)
% retenido % que pasa
10 2 10040 0,5 50,82 14,2 85,8200 0,08 204,46 57,1 28,7
Residuo 2,02
Fuente: Ensayo granulometra fraccin bajo tamiz 5 mm, Laboratorio Austroumag.
Tabla 2.1. Granulometra Arenisca Fraccin bajo tamiz 5 mm.
Lmites de Consistencia
Los lmites de consistencia o de Atterberg, resultan muy tiles para caracterizar los
conjuntos de partculas de suelos. Los lmites se basan en el concepto de que un suelo de
grano fino solamente puede existir en cuatro estados de consistencia segn su humedad. As,
un suelo se encuentra en estado slido cuando esta seco, pasando al aadir agua a los estados
semislidos, plstico y finalmente lquido.
Determinacin del Lmite plstico
El lmite plstico se obtiene midiendo el contenido de humedad del suelo cuando
comienzan a desmoronarse pequeos cilindros de suelo de 3 mm de dimetro.
A continuacin en la tabla 2.2 se dan a conocer los resultados obtenidos del ensayo de
Lmite Plstico.
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Limite plsticoEnsaye N 1 2Cpsula N 12 101 Peso cpsula + suelo hmedo (gr) 21,31 22,482 Peso cpsula + suelo seco (gr) 20,23 21,183 Peso de la cpsula (gr) 16,03 16,22
4 Peso del agua (1-2) (gr) 1,08 1,35 Peso del suelo seco (2-3) (gr) 4,2 4,966 % humedad (4/5 x 100) 25,7 26,27 Promedio Lmite Plstico 25,95
Fuente: Ensayo lmites de Consistenci a, Labor atorio Austro umag.
Tabla 2.2. Lmite Plstico
De la tabla 2.2. Obtenemos el lmite plstico:
Lmite Plstico (WP): 25,95 %
Determinacin del Lmite Lquido
El lmite lquido se determina amasando el suelo seco (previamente disgregado con
maza) con bastante agua y extendiendo la masa sobre un molde denominado Cuchara de
Casagrande, posteriormente se abre en el centro de la masa extendida, un surco con un
acanalador, formando un canal de unos 2 mm en su parte baja. El molde se coloca sobre una
base y se somete a golpes controlados. El Lmite Lquido es la humedad de la muestra cuando
al dar 25 golpes se cierra el canal unos 12 mm. Como es difcil conseguir esta condicin, se
determina la humedad por interpolacin, a partir de tres muestras, en las que debe conseguirse
el cierre de 12 mm con ms y menos golpes que 25.
A continuacin en la tabla 2.3 se dan a conocer los resultados obtenidos del ensayo de
Lmite Lquido.
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Lmite lquidoEnsaye N 1 2 3Cpsula N 11 7 5N Golpes 15 29 421 Peso cpsula + suelo hmedo (gr) 24,68 32,51 34,582 Peso cpsula + suelo seco (gr) 22,24 30,07 31,783 Peso de la cpsula (gr) 16,04 23,58 24,334 Peso del agua (1-2) (gr) 2,44 2,44 2,85 Peso del suelo seco (2-3) (gr) 6,2 6,49 7,456 % humedad (4/5 x 100) 39,35 37,6 37,58
Fuente: Ensayo limites de Consistencia, Laboratorio Austroumag.
Tabla 2.3. Lmite Lquido
Determinacin grfica del Lmite liquido
39,35
37,6 37,58
37
37,5
38
38,5
39
39,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Numero de golpes
P o r c e n
t a j e d e
h u m e
d a
d
38,4
Fuente: Ensayo lmites de Consistencia, Laboratorio Austroumag.
Grfico 2.1. Curva de Fluidez
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Del grfico 2.1, obtenemos:
Lmite lquido (WL): 38,4 %
Determinacin del ndice de Plasticidad
El ndice de plasticidad (IP) se determina mediante la diferencia entre el Lmite Lquido y
el Lmite Plstico, por lo tanto:
IP = WL WP = 12,45 %
Carta de plasticidad de Casagrande
Determinado el Lmite Lquido y el Lmite Plstico se puede obtener un punto
representativo de una muestra de suelo en la Carta de Plasticidad de Casagrande,
representando la relacin del Lmite Lquido con el ndice de Plasticidad.
0
10
2030
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Lmite Liquido
I n d i c e
d e
P l a s t
i c i d a LINEA A
MUESTRA
CL-ML
CLMH-OH
CH
ML-OL
Fuente: Ensayos lmites de Consistencia, Laboratorio Austroumag.
Grafico 2.2. Carta de p lasticidad de Casagrande
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De acuerdo a la Carta de plasticidad de Casagrande, la muestra corresponde a una
clasificacin CL, que corresponde a Arcilla de baja plasticidad.
Clasificacin del material estudiado
Segn el sistema de clasificacin AASTHO, de acuerdo a los resultados obtenidos de la
Granulometra y Lmites de Atterberg para la fraccin menor al tamiz 5 mm, se obtuvo que el
material estudiado se clasifica como:
A 2 6, el cual corresponde a gravas y arenas limosas y arcillosas.
Para el sistema unificado de clasificacin de suelos (USCS), se clasifico el material
como:
SC, el cual esta definido como arenas arcillosas, mezclas mal graduadas de arenas y
arcillas.
Una vez analizadas ambas clasificaciones podemos decir que el material estudiado
efectivamente corresponde a una arenisca, ya que la composicin predominante es arena y se
encuentra cementado producto de la arcilla presente en ella.
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2.3. Descripcin de la arenisca perteneciente a la Formacin Loreto
Descripcin con Lupa Binocular
La descripcin microscpica de la arenisca, acondicionada para ensayos de
granulometra (material retenido en la malla N 40) fue analizada por el Gelogo del Instituto
Nacional Antrtico Chileno, Sr. Rodrigo Fernndez.
La descripcin se realiz utilizando una lupa binocular, con un ocular de 10X y objetos
de 6.4, 10, 16, 25 y 40X.El informe indica que la muestra analizada corresponde a la fraccin de
sedimentos sobre malla 40 de sedimentita 1 no consolidada perteneciente a la Formacin Loreto
(Keidel I. & Hemmer A., 1931) (12).
Los resultados indican que el tamao medio de los granos estudiados se encuentra en el
rango correspondiente a arena gruesa (0.5-1.0 mm), sin embargo se observ abundante
presencia de granos tamao limo adheridos a los granos mayores.
Segn vista del testigo, y datos de tamizado de la muestra, esta corresponde a una
arenisca limosa (Folk R. L., 1974) (8), (arcilla: limo>0.5 y 90%>arena/(limo+arcilla)>50%).
1 Rocas formadas por sedimentos clsticos
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La composicin modal (volumen), esta distribuida en:
1.- Cuarzo1 [65% aprox.]: granos angulosos y subangulosos y de baja esfericidad.
2.- Lticos2 [30% aprox.]: granos subangulosos y de baja esfericidad, principalmente
corresponden a algunos granos con feldespato 3 podran provenir de granitoides4.
3.- Otros [5% aprox.]: principalmente biotita5 y en parte muscovita6, pero tambin otros
minerales mficos7.
Descripcin Corte transparente
Para corroborar la informacin entregada por el gelogo, se procedi a enviar una
muestra de la arenisca al Servicio Nacional de Geologa y Minera (SERNAGEOMIN), para una
descripcin mas completa a travs de la confeccin de un corte transparente (Ver anexo B).
El corte transparente es una seccin de roca de 0,03 mm que permite ver las
caractersticas mineralgicas de la roca a travs de las propiedades ptimas de los minerales,
el informe entregado por el Sernageomin describi el material estudiado como:
Arenisca (arenita) clastosoportada8
de color gris verdoso. La roca presentaestratificacin, marcada por bandas de diferente coloracin, predominando las de color blanco
debido al alto contenido de feldespatos y cuarzo. Tiene buena seleccin de tamao, pero mala
en composicin ya que se observan clastos de variada naturaleza.
1 Es un mineral de Slice.2 Trozo de roca que esta dentro de una roca volcnica.3 Tipo de mineral que puede ser Sodio, Potasio, Calcio y Slice. Este mineral junto con el Cuarzo son los ms abundantes en la
corteza.4 Son rocas que se forman a partir de la solidificacin de Magma al interior de la corteza.5 Mineral oscuro formado por placas y contiene Fierro y Magnesio.6 Mineral claro formado por placas y contiene Fierro y Magnesio.7 Mineral que contiene Fierro y Magnesio.8 Es cuando una roca sedimentaria esta sostenida por los clastos mayores y no por la matriz.
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Roca sedimentaria, formada por clastos con tamaos entre 0.50 y 1 mm, predominando
el fraccin 0.70mm. La composicin de la fraccin clstica corresponde a fragmentos de
cristales de cuarzo, plagioclasa con formas tabulares, microclina 1, anfbola2 en cristales
euhedrales 3, piroxenos4 en cristales hedrales, fragmentos de rocas volcnicas subredondeadas
a redondeadas y escasos fragmentos de sedimentos calcreos recristalizados.
La mayor parte de los fragmentos estn soportados entre s debido a que el cemento es
intersticial o de poros. La composicin del cemento corresponde a hidromicas, por
recristalizacin de arcillas y escasa materia orgnica de baja cristalinidad. La clorita es el
mineral predominante, aparece en agregados fibroso radiales que rellenan los intersticios
intergranulares. El cemento representa < 5% volumen del total de la roca.
1 Es un tipo de mineral.2 Mineral mfico que contiene Fierro y Magnesio.3 Es cuando los cristales de la roca estn bien formadas y presentan todas sus caras bien desarrolladas.4 Mineral que contiene Magnesio y presenta caractersticas similares a la Anfbola.
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CAPTULO III
DETERMINACIN DEL NGULO DE FRICCIN INTERNO YCOHESIN DE ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA
SUELOS MOHR - COULOMB
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DETERMINACIN NGULO DE FRICCIN INTERNO Y COHESIN DE
ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA SUELOS DE MOHR COULOMB
3.1. Generalidades
La mecnica de suelos tradicionalmente ha estudiado las condiciones de esfuerzo lmite
que causan la falla de los suelos por fractura o por flujo plstico a travs de la teora de Mohr
Coulomb, dicha teora consiste en considerar que la resistencia de un material puede medirse
por el esfuerzo cortante mximo que puede soportar el material, que a su vez, es funcin del
esfuerzo normal actuante en el plano en que ocurre la falla.
Al modificar el estado tensional del suelo se producen deformaciones que pueden
originar su rotura. Aunque los suelos con cohesin rompen a veces por traccin, como puede
ser el caso de las grietas verticales que a veces se observan en la coronacin de un talud
deslizado, la forma de rotura ms habitual en los suelos es por esfuerzo cortante (tensin
tangencial).
La resistencia al corte del suelo no puede considerarse como un parmetro nico y
constante, ya que depende de su naturaleza, estructura, enlaces, nivel de deformaciones, etc;
as como muy especialmente de su estado tensional y de la presin del fluido que rellena sus
poros (agua o agua y aire).
3.2. Extraccin, acondicionamiento y preparacin de las muestras.
La extraccin, acondicionamiento y preparacin de la muestra de suelo se desarrollo a
travs de un procedimiento particular, indicado ms adelante, con el fin de mantener las
muestras lo ms inalteradas posibles, para que cuya desviacin fuese la mnima para no
restarle validez a los resultados.
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3.2.1. Extraccin de las muestras
Determinado el sector de afloramiento de la roca, se procedi en forma mecnica y por
medio de una retroexcavadora se realiz una calicata de aproximadamente 4 metros de
profundidad. Posteriormente, se procedi en forma manual a extraer la roca que afloraba a poca
profundidad en cortes y taludes existentes.
Figura 3.1.1 Figura 3.1.2 Figura 3.1.3
Fuente: Visita a terreno, Junio 2005, imgenes realizacin propia.
Figura 3.1.1- 3.1.2- 3.1.3. Lugar de afloramiento y procedimiento de extraccin de la roca.
3.2.2. Acondicionamiento de las muestras
Una vez extrada la muestra de roca se procedi a disminuir su tamao para facilitar su
traslado y acondicionar la muestra con el objetivo de poder conservar sus propiedades ndices.
En la Figura 3.2. se aprecia el procedimiento desarrollado para acondicionar la muestra
para su posterior traslado manteniendo las caractersticas de origen, una sierra diamantada
disminuy su tamao original formando una figura rectangular para poder facilitar su transporte.
Luego cada muestra se envolvi con papel aluminio y plstico aislante para poder conservar
sus propiedades.
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Figura 3.2.1 Figura 3.2.2 Figura 3.2.3
Fuente: Talleres Depto. Geologa ENAP y Austroumag, imgenes realizacin propia.
Figura 3.2.1- 3.2.2- 3.2.3. Disminucin de tamao y acondicionamiento de la muestra
Al no conocer con exactitud la direccin de la depositacin de la roca en su lugar de
afloramiento, se procedi a cortar de una misma roca extrada fragmentos en diferentes
direcciones, y luego al tallar y ensayar la probeta a compresin simple poder determinar con los
resultados obtenidos el grado de anisotropa de roca.
3.2.3. Preparacin de las muestras para ensayos.
Este procedimiento consisti en el tallado de la roca, para obtener la probeta con las
dimensiones que exige el ensayo, como se aprecia en las Figuras. 3.3.1- 3.3.2- 3.3.3.
El tallado se realiz con un cuchillo, el cual a travs de un cilindro de cobre con las
dimensiones de la probeta se va dando forma y tamao requerido, retirando el material
excedente hasta que la roca queda introducida por completo dentro del cilindro, luego se
enrazan las caras hasta dejarlas perfectamente paralelas.
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Figura 3.3.1 Figura 3.3.2 Figura 3.3.3
Fuente: Idiem, imgenes realizacin propia.
Figura 3.3.1- 3.3.2- 3.3.3. Preparacin de las muestras para ensayos
3.3. Ensayos realizados a la arenisca cor respondiente a la Formacin Loreto
3.3.1. Ensayo de Compresin no confinada
Es un ensayo que determina la resistencia a la compresin simple de una muestra
cilndrica de suelo. El ensayo consiste en colocar una probeta de suelo, en condiciones no
drenadas, sobre una prensa ordinaria y romperla a compresin, sin ningn confinamiento
lateral, es decir ( 3 =0).Es un ensayo simple y se puede suponer que no se produce disipacin
de las presiones insterticiales generadas al interior de la muestra, debido a la rapidez del
ensayo. La norma ASTM 2166 66 establece el procedimiento para la ejecucin del ensayo.
En este ensayo se mide el incremento de tensin total vertical 1 y la deformacin
axial , representndose esta en la curva tensin deformacin, como se indica a continuacin
en el grfico 3.1 y 3.2.
Las tablas obtenidas para cada probeta se entregan en Anexo A. Memoria de clculo.
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0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000Deformacin unitaria (%)
E s
f u e r z o
( k g
f / c m
2 )
Muestra n1
Muestra n2Muestra n3
qu max= 21,7 Kgf/cm2
qu max= 29,6 Kgf/cm2
qu max= 38,5 Kgf/cm2
Fuente: Ensayo de compresin no confinada, Idiem.
Grafico 3.1. Esfuerzo v/s Deformacin u nitaria, Prensa 1.
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0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
Deformacin unitaria (%)
E S f u e r z o
( K g
/ c m
2 )
Muestra n 5Muestra n 6Muestra n 8
qu max= 37,5 Kgf/cm2
qu max= 33,6 Kgf/cm2
qu max= 38 Kgf/cm2
Fuente: Ensayo de compresin no confinada, Idiem.
Grfico 3.2. Esfuerzo v/s Deformacin unitaria, prensa 2
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3.3.2. Ensayo Triaxial
Este ensayo representa las condiciones del suelo in situ sometidas a esfuerzos
confinantes, donde la muestra de suelo se introduce en una membrana de caucho impermeable
y se encierra dentro de una cmara llena de agua mediante la cual se aplica a la muestra una
presin de confinamiento.
La principal finalidad del ensayo triaxial es obtener los parmetros del suelo y la relacin
esfuerzo-deformacin a travs de la determinacin del esfuerzo cortante, esto se logra al
determinar la envolvente o lnea de resistencia del material ensayado, a partir de la cual se
obtienen los valores de sus parmetros resistentes, es decir, cohesin y ngulo de friccin
interno.
Existen tres tipos de ensayos caractersticos y su eleccin depende del tipo de suelo y
de las condiciones de drenaje en que se trabaje. Los ensayos son de compresin triaxial no
consolidado no drenado (UU); de compresin triaxial consolidado no drenado (CU) y de
compresin triaxial consolidado drenado (CD)
Para este estudio se utiliz el ensayo triaxial CD, debido a que la arenisca se encuentra
en una condicin densa debido a su cementacin, por lo tanto, presenta una respuesta
dilatante. Debido a esto, su condicin ms desfavorable es una condicin de carga drenada, ya
que una carga rpida genera una condicin no drenada con presiones de poros negativas que
elevan su resistencia al corte.
Se procedi a realizar una serie de ensayos triaxial drenado de 3 probetas ensayadas a
diferentes presiones de cmara 0,5, 1,0 y 2,0 kg/cm 2, segn lo establecido en la norma ASTM
D2850-70 Ensayos Triaxiales de Suelos y Mezclas Bituminosas, el procedimiento consiste en
abrir la vlvula de drenaje, se aplica la presin de cmara, se controla la consolidacin de la
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muestra y a continuacin mientras la vlvula de drenaje todava se encuentra abierta, se aplica
el esfuerzo desviador.
El esfuerzo desviador debe aplicarse a una tasa tan baja que las presiones de poros que
siempre se desarrollan durante el proceso de corte, sean suficientemente pequeas para que
los parmetros de suelos no se alteren.
Una vez finalizado el ensayo se deben realizar los clculos respectivos para obtener las
tensiones efectivas de cada ensayo, a continuacin se dibujan las 3 lneas de tensiones en un
mismo grafico q - p, y trazando la recta que une estos puntos se obtiene la envolvente de rotura
en tensiones efectivas, el cual permite representar la tendencia del estado tensional y de esta
forma proyectar la curva de falla que es nica del suelo. Posteriormente resulta fcil deducir los
parmetros de resistencia al corte del suelo y c ya que dichos valores se determinan en
base a las siguientes relaciones matemticas:
senca
=3
cos**3 Ecuacin 3.1
sensentg
=
3*3 Ecuacin 3.2
Donde:
c : Cohesin del suelo, 2cmKg .
: ngulo de friccin interno del suelo, grados sexagesimales.
Las tablas obtenidas para cada probeta se entregan en Anexos A. Memoria de clculo.
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0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Deformacin axial (%)
E s
f u e r z o
( K g
/ c m
2 )
Muestra n 1Muestra n 2Muestra n 3
Fuente: Ensayo Triaxial CD, Idiem.
Grfico 3.3. Esfuerzo v/s Deformacin axial, Ensayo tr iaxial CD.
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0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5p (Kg/cm2)
q ( K g
/ c m
2 )
Trayectoria de tensin, presin de cmara0,5 Kg/cm2Trayectoria de tensin, presin de cmara1.0 kg/cm2Trayectoria de tensin, presin de cmara2,0 Kg/cm2Envolvente de falla residual
Envolvente de falla pick
Fuente: Ensayo Triaxial CD, Idiem.
Grfico 3.4. Diagrama q / p, Ensayo Triaxial CD.
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3.4. Descripci n del procedimiento de clculo para la determinacin de la cohesin y el
ngulo de friccin interno.
3.4.1. Obtencin datos para clcul o c y
Del grfico 3.5, se obtienen directamente los parmetros a y para distintos estados
de deformacin, para el anlisis de nuestro estudio consideramos los parmetros pick al 2% de
deformacin y residuales al 20 % de deformacin, donde a es el punto en que la lnea de falla
corta el eje q, y corresponde al ngulo que forma la lnea de falla con la horizontal, los
valores ledos son:
41,2= pick a 2/ cmkg f 03,42= pick
18,0=residuala 2/ cmkg f 798,0=residual
3.4.2. Clculo de los parmetros resistentes cohesin y ngulo de friccin interno.
Una vez obtenidos los parmetros a y , aplicamos las ecuaciones 3.1 y 3.2 para
obtener los parmetros resistentes c y , obteniendo:
sensen
=
3*3tan Ecuacin 3.1
sen
ca
=3
cos**3 Ecuacin 3.2
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Al analizar la situacin pick se tiene:
senc
=3
cos**341,2
sen
sen
=
3
*33,42tan
Por lo tanto:
41,2= pick c 2/ cmkg f
28,44= pick
Al analizar la situacin residual:
senc
=3
cos**318,0
sensen
=
3*3
798,0tan
Por lo tanto:
18,0=residualc 2/ cmkg f
39=residual
Con los valores obtenidos de y c , a travs del criterio de falla Mohr - Coulomb podemos
escribir la ecuacin de resistencia al corte (por ejemplo) para un nivel de deformacin del 2%,
cuando la resistencia al corte es mxima:
28,44tan*41.2 n +=
-
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Del diagrama q p, podemos obtener los parmetros geotcnicos en cualquier punto de
deformacin de la arenisca, representndose esta en el grafico 3.5, el cual nos indica que la
resistencia al corte del suelo depende, principalmente, de la friccin interna entre los granos del
material, ya que la cohesin aporta resistencia hasta un 2% aproximado de deformacin y cae
bruscamente a partir de dicho valor, dependiendo por lo tanto su resistencia hasta la rotura,
solamente de la friccin.
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
0 2 4 6 8 10 12 1 4 16 1 8 20 22
Deformacin %
A n g u
l o d e
f r i c c i
n
i n t e r n o
-0,29-0,19-0,090,010,110,210,310,410,510,610,710,810,911,011,111,21
1,311,411,511,611,711,811,912,012,112,212,312,41
C o
h e s i n
friccion v/s deformacion
cohesion v/s deformacion
Fuente: Ensayo de compresin no confinada, Idiem.
Grafico 3.5. ngulo de fricci n interna v/s Deformacin, y cohesin v/s Deformacin.
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CAPTULO IV
DETERMINACIN DEL NGULO DE FRICCIN INTERNA YCOHESIN DE ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA
ROCAS DE HOEK Y BROWN
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DETERMINACIN DEL ANGULO DE FRICCIN INTERNO Y COHESIN DE ACUERDO AL
CRITERIO DE FALLA PARA ROCAS DE HOEK Y BROWN.
4.1. Generalidades
El comportamiento mecnico de las rocas depende principalmente de su resistencia y de
las fuerzas aplicadas que dan lugar a un determinado estado de esfuerzos. Este estado de
esfuerzos queda definido por las tensiones principales que actan: 1 , 2 y 3 . Dependiendo
principalmente de la magnitud de estas tensiones y tambin de su direccin se producirn las
deformaciones en las rocas hasta la rotura.
La resistencia se define como el esfuerzo que soporta una roca para determinadas
deformaciones; cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin confinar se denomina
Resistencia a Compresin Simple y su valor se emplea para la clasificacin geotcnica de las
rocas.
Las rocas rompen a favor de superficies de fractura que se generan al superarse su
resistencia mxima, as, de una forma indirecta, los ensayos de compresin miden la
Resistencia al corte de las rocas y esta, en funcin de las fuerzas cohesivas y friccionales del
material. Adems, de otros factores extrnsecos al material rocoso como la magnitud de los
esfuerzos confinantes, la presencia de agua en los poros y la velocidad de la aplicacin de la
carga de rotura, incluso en rocas aparentemente istropas y homogneas, los valores de c y
pueden variar segn el grado de cementacin o variaciones en la composicin mineralgica.
La cohesin c es la fuerza de unin entre las partculas minerales que forman la roca, y
el ngulo de friccin interna es el ngulo de rozamiento entre dos planos de la misma roca;
para la mayora de las rocas este ngulo vara entre 25 y 45. La fuerza friccional depende del
ngulo de friccin y del esfuerzo normal actuando sobre un plano considerado.
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El criterio de falla de Hoek y Brown se desarroll, en un comienzo, para determinar la
resistencia de los macizos de roca dura. Debido a las faltas de alternativas adecuadas, el
criterio se ha aplicado a una amplia variedad de macizos rocosos, incluyendo rocas de muy
mala calidad, las que se podran clasificar hasta como suelos desde el punto de vista de la
ingeniera. Estas aplicaciones especiales, han necesitado cambios con respecto al criterio
original.
El criterio es meramente emprico y, por lo tanto, no existen formas correctas de
interpretar las diversas relaciones que se pueden obtener. En este trabajo se aplicara el criterio
de Hoek y Brown, el cual ha funcionado bien en la prctica. Adems, existe un programa
desarrollado de Windows llamado "RocLab" que proporciona los medios convenientes para
resolver y trazar las ecuaciones presentadas en este estudio.
El criterio de falla generalizado de Hoek y Brown para macizos rocosos fracturados est
definido por:
a
cibci S m
++=
3
,,
3,
1 * Ecuacin 4.1
Donde:
'1 : Esfuerzo efectivo principal mayor,2cmKg f
'3 : Esfuerzo efectivo principal menor,2cmKg f
ci : Resistencia a la compresin uniaxial de los trozos o rocas del macizo rocoso,
2cmKg f
bm : Es el valor de la constante m de Hoek y Brown, adimensional.
S : Constante que depende de las caractersticas del macizo rocoso, adimensional.
a : Parmetro de resistencia de Hoek y Brown, adimensional.
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4.2. Descripcin del procedimiento de clculo
4.2.1. Determinacin de las propiedades del macizo rocoso para aplicar el criterio de falla
Hoek y Brown.
En orden a utilizar el criterio de Hoek y Brown para evaluar la resistencia y la
deformabilidad de los macizos rocosos fracturados, se deben evaluar tres propiedades del
macizo rocoso. Estas son:
1.- La resistencia a compresin no confinada ci de los trozos de roca intacta en el macizo
rocoso.
2.- El valor de la constante mi de Hoek y Brown para la roca intacta.3.- El valor del ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso.
La resistencia en compresin no confinada ci de los trozos de roca intacta en el macizo
rocoso.
El valor de ci se obtiene a partir del ensayo de compresin no confinada, el cual
consiste bsicamente en determinar el promedio entre las resistencias mximas a la
compresin uniaxial de los ensayos realizados, obteniendo los siguientes resultados,
expresados en la tabla 4.1.
Muestra n1 Muestra n2 Muestra n3 Muestra n5 Muestra n6 Muestra n8ci (Kgf /cm2) 21,7 29,6 38,53 37,5 33,3 38
Promedio: 33,1 Kgf /cm2 Fuente: Ensayos de compresin no confinada, Idiem.
Tabla 4.1. Valores resistencia compresin no confinada
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El valor de la constante mi de Hoek y Brown para la roca intacta
El valor de mi es una constante que se estima de acuerdo al tipo de roca en estudio y
los valores mximos miestn dados a travs de la tabla 4.2, los cuales incluyen distintos tipos
de rocas.
TexturaTipo deRoca
Clase Grupo
Gruesa Media Fina Muy fina
Clsticas
Conglomerado Arenisca Limolita Arcillolita(22) 19 9 4
Grauwaca(18)
OrgnicasCreta
7Carbn(8-21)
Carbonatos Brechas(20)
CalizaEspartica
(10)
Caliza Micrtica8 S E
D I M E N T A R I A S
No Clsticas
Qumicas Yeso
16
Anhidrita
13No foliadas Mrmol Rocas Cuarcita9 Cmeas 24
(19)Levemente Foliadas Migmatita
(30) Anfibolita
25 - 31Milonitas
(6)
M E T A M O R F I C A S
Foliadas Gneiss33
Esquistos4 8
Filitas(10)
Pizarras9
Granito33
Riolita(16)
Obsidiana(19)
Granodiorita(30)
Dacita(17)
Diorita(28)
Andesita19
Gabbro27
Dolorita(19)
Basalto(17)
Intrusivas
Claras
Oscuras
Norita22
I G N E A S
Extrusivas Ploroclsticas Aglomerados
(20)
Brechas
(18)
Tobas
(15)
Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002), libro Ingeniera Geolgica.
Tabla 4.2. Valores de la constante mi de la roca intacta para distintos tipos de roca (los
valores entre parntesis corresponden a estimaciones)
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El valor del ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso.
La resistencia de un macizo rocoso fracturado depende de las propiedades de los trozos
o bloques de roca intacta y de la libertad de estos bloques para deslizar y girar bajo distintas
condiciones de esfuerzos. Los trozos de roca angulosos, con caras definidas por superficies
lisas y abruptas, producen un macizo rocoso mucho ms competente que uno que contenga
bloques completamente rodeados por material intemperizado y/o alterado.
El ndice geolgico de resistencia GSI , ha sido modificado para incorporar rocas
masivas y foliadas. Este ndice proporciona un sistema para estimar la resistencia que
presentara un macizo rocoso con diferentes condiciones geolgicas. Este sistema de
clasificacin se muestra en la tabla 4.3.
Para determinar este ndice, se analizan dos parmetros geolgicos geotcnicos los
cuales corresponden a la Estructura del Macizo Rocoso y la Condicin de las
discontinuidades, la interseccin de estas dos propiedades en la cuadricula de la tabla 4.3,
entrega el rango de GSI , de acuerdo a las curvas que atraviesan cada casillero de la
clasificacin.
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Fuente: Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002), libro Ingeniera Geolgica.
Tabla 4.3. ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso
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4.2.2. Determinacin de constantes de acuerdo a propiedades del macizo rocoso para
aplicar el criterio de Hoek y Brown.
Factor D
El valor de D, que depende del grado de perturbacin del macizo rocoso, varia de 0
para macizos rocosos inalterados en situ a 1 para macizos muy perturbados.
Constante de Hoek y Brown bm
La constante bm est definida por la ecuacin 4.2:
=
DGSI mimb 1428
100exp* Ecuacin 4.2
Donde:
bm : Valor de la constante m de Hoek y Brown, adimensional.
im : Constante de la roca intacta, de acuerdo al tipo de roca, adimensional.
GSI : ndice de resistencia geolgica para el macizo rocoso, adimensional.
D : Factor de perturbacin del macizo rocoso, adimensional.
Constante S
La constante S est definida por la ecuacin 4.3:
= D
GSI S 39100
exp Ecuacin 4.3
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Donde:
S : Constantes que dependen de las caractersticas del macizo rocoso,
adimensional.
GSI : ndice de resistencia geolgica para el macizo rocoso, adimensional.
D : Factor de perturbacin del macizo rocoso, adimensional.
Constante a de resistencia
La constante a est definida por la ecuacin 4.4:
( )3/2015/
6
1
2
1 += eea GSI Ecuacin 4.4
Donde:
a : Parmetro de resistencia de Hoek y Brown, adimensional.
GSI : ndice de resistencia geolgica para el macizo rocoso, adimensional.
e : Exponencial.
4.2.3. Determinacin de la Cohesin y ngul o de friccin interno
Al igual que en geotecnia, los trminos del criterio de falla de Mohr Coulomb que se
requieren determinar son los ngulos equivalentes de friccin y las fuerzas cohesivas para cada
macizo rocoso y rango de tensin. Para evaluar la resistencia de la matriz rocosa es ms
adecuado un criterio no lineal, donde la representacin grfica de la rotura es una curva de tipo
cncavo. Mediante la ecuacin 4.1 se puede dibujar la envolvente para la rotura donde se
muestran las relaciones entre los esfuerzos normalizados 1 y 3 para macizos rocosos,
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adems se puede representar a diferentes condiciones de esfuerzos para rotura de la matriz
rocosa.
El ngulo de friccin interno y la cohesin segn el criterio no lineal de Hoek y Brown
estn definidos por las ecuaciones 4.5 y 4.6:
( ) ( )[ ]( )
( )( ) ( )( )( )( )( )
1
13
33
21`*61
21
`*`**121
++++++
+++=a
anbb
nbnbci
aamS amaa
mS maS ac
Ecuacin 4.5
. ( )( )( )( ) ( )( )
+++++=
13
131
`*6212
`****6a
nbb
anbb
mS amaamS masen
Ecuacin 4.6
Donde:
c : Cohesin, 2cmKg f .
: ngulo de friccin interno, grados.
ci : Resistencia a la compresin uniaxial de los trozos o rocas del macizo rocoso,
2cmKg f .
a : Parmetro de resistencia de Hoek y Brown, adimensional.
bm : Valor de la constante mde Hoek y Brown, adimensional.
S :Constante que dependen de las caractersticas del macizo rocoso, adimensional.
n3 :ci
max3 , adimensional.
max3 : 4ci , 2cmKg f , adimensional.
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4.3. Clculo de propiedades y constantes de acuerdo a las propiedades del macizo
rocoso para aplicar el criterio de Hoek y Brown.
4.3.1. Clculo de las propiedades del macizo rocoso para aplicar el criterio de Hoek y
Brown.
De la tabla 4.1 se determina la resistencia a la compresin no confinada, calculada como
el promedio de todos los puntos realizados, por lo tanto:
21,33 cmKg f
ci =
Constante mi de Hoek y Brown
De la tabla 4.2 se obtiene la constante mi de la roca intacta, por lo tanto:
19=mi
ndice de resistencia geolgica para el macizo rocoso GSI
Este valor se obtuvo con la asesora de un gelogo el Sr. Rodrigo Fernndez, el cual, atravs de una visita a terreno al lugar de afloramiento de la arenisca, determin la estructura del
macizo rocoso y la condicin de las discontinuidades con la utilizacin de la tabla 4.3 (ndice de
Resistencia Geolgica GSI para macizos rocosos), obteniendo:
75=GSI
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4.3.2. Clculo de las constantes de acuerdo a propiedades del macizo rocoso para aplicar
el criterio de Hoek y Brown.
Factor D
Se consider el macizo inalterado, por lo tanto:
0= D
La constante de Hoek y Brown bm
El valor de la constante bm se obtiene a travs de la ecuacin 4.2, por lo tanto:
78,7=bm
Constante S
El valor de S depende de las caractersticas del macizo rocoso, se obtuvo de la
ecuacin 4.3, por lo tanto:
0622,0=S
La constante a de resistencia de Hoek y Brown
El valor de esta constante se obtiene a travs de la ecuacin 4.4, por lo tanto:
501,0=a
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Una vez determinadas todas las variables, se puede definir el criterio de falla definido
por la ecuacin 4.1 como:
501.03
31 0622,01,33'*78,7
*1,33''
++=
Esta ecuacin se representa en el grfico 4.1.
Fuente: www.roclab.com
Grfico 4.1. Envolvente de rotura del criterio de Hoek y Brown en funcin de los
esfuerzos principales.
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Fuente: www.roclab.com
Grafico 4.2. Envolvente de rotura del criterio de Hoek y Brown en funcin de los
esfuerzos normal y tangencial.
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4.3.3. Clculo de la Cohesin y ngu lo de fricc in in terno
Cohesin c
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula la cohesin a travs de la
ecuacin 4.5:
( ) ( )[ ]( )
( )( ) ( )( )( )( )( )
1
13
33
21`*61
21
`*`**121
++++++
+++=a
anbb
nbnbci
aamS amaa
mS maS ac
Ecuacin 4.5
Donde:
ci 21,33 cmKg f =
bm 78,7=
S 0622,0=
a 501,0=
max3 25,9=
n3 25,0=
Por lo tanto:
94,2=c 2/ cmkg f
-
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ngulo de f ricci n i nterna
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula el ngulo de friccin interna a
travs de la ecuacin 4.6:
( )( )( )( ) ( )( )
+++++=
13
131
`*6212
`****6a
nbb
anbb
mS amaamS masen
Ecuacin 4.6
Donde:
bm 78,7= S 0622,0=
a 501,0=
max3 225,9 cmKg f =
n3 25,0=
Por lo tanto:
43,43=
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CAPTULO V
APLICACIONES PRCTICAS A DISEOS DE OBRAS DEINGENIERA
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APLICACIONES PRCTICAS A DISEOS DE OBRAS DE INGENIERA
5.1. Introduccin
A travs de la resistencia al corte de un suelo, es posible determinar factores tales
como la capacidad de carga admisible para una cimentacin, la estabilidad de un talud, el
empuje de un suelo contra un muro de contencin, entre otros. El conocimiento de la resistencia
al corte es requisito indispensable para cualquier anlisis relacionado con la estabilidad de una
masa de suelo.
La resistencia es funcin de las fuerzas cohesivas y friccinales del material (adems de
otros factores extrnsecos al material). La cohesin c , es la fuerza de unin entre las partculas
minerales que forman el material. El ngulo de friccin interna , es el ngulo de rozamiento
entre dos planos de la misma muestra.
5.2. Determinacin de la capacidad de carga ltima aplicado a la fundacin superficial
tipo edificio Barrio Archipilago de Chilo.
5.2.1. Generalidades
Toda estructura ha de apoyarse necesariamente en el terreno, sin embargo, en
comparacin con el resto de los materiales estructurales, como el hormign o el acero, el suelo
es menos resistente y ms deformable. Por consiguiente, no puede resistir las mismas
tensiones y resulta preciso dotar a la estructura de unos apoyos o fundaciones que repartan y
transmitan al terreno presiones que sean compatibles con su resistencia y con su
deformabilidad. La forma y dimensiones de esos apoyos son funcin de las cargas y de la
naturaleza del terreno.
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Terzaghi fue uno de los primeros en adaptar a la mecnica de suelos los resultados de
la mecnica del medio continuo. La expresin cimiento poco profundo se aplica a aquel en el
que ancho (B) es igual o mayor que la distancia vertical entre el terreno natural y la base del
cimiento (profundidad de desplante, df ). En estas condiciones Terzaghi desprecio la resistencia
al esfuerzo cortante arriba del nivel de desplante del cimiento, considerndola solo de dicho
nivel hacia abajo. El terreno sobre la base del cimiento se supone que solo produce un efecto
que puede presentarse por una sobrecarga, f s d q * = , actuando precisamente en un plano
horizontal que pase por la base del cimiento en donde g es la densidad del terreno.
B suelo Asuelo Bdf
B
df B
qs = *df qs = *df
Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002). Libro Ingeniera Geolgica, dibujo realizacin propia.
Figura 5.1. Equivalencia del suelo sobre el nivel de desplante de una fundacin con una
sobrecarga debida a su peso.
La capacidad de carga ltima definida por Terzaghi y generalizada por otros autores,
esta definida por la ecuacin general:
Donde:
ult q : Capacidad de carga ltima soportada por la fundacin, 2mT .
sueloA : Densidad del suelo A,3mT .
dqsqq f sueloBdcsccdqsqsueloAult F F N d F F N cF F N Bq ************21
++= Ecuacin 5.1
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sueloB : Densidad del suelo B,3mT
B : Ancho de la fundacin, m .
c : Cohesin del suelo A, 2mT
f d : Profundidad de desplante, m .
scssq F F F ,, : Factores de forma, adimensional y dependen de las dimensiones de la
fundacin, adimensional.
dcd dq F F F ,, :Factores de profundidad, adimensional y dependen de la profundidad de la
fundacin, adimensional.
cq N N N ,, :Factores de capacidad de carga, adimensional y dependen de del suelo,
adimensional.
5.2.2. Descripcin del p rocedimiento de clculo
Para el clculo de la capacidad de carga, se emplear la Frmula determinada por
Terzaghi y otros, expresada en la ecuacin 5.1 cuyos pasos son:
Determinacin de parmetros de acuerdo a la equivalencia del suelo y tipo de fundacin
Para determinar la capacidad de carga ltima que es capaz de sustentar una fundacin;
se utilizar como ejemplo la fundacin de los edificios del barrio Archipilago de Chilo, ya que
el sector donde se construyeron los edificios, es donde se obtuvieron las muestras de arenisca
analizadas en este estudio, es decir, las caractersticas del suelo y las dimensiones de la
fundacin utilizadas en esa obra, se detallan a continuacin en la figura 5.2.
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d f
0 ,8
2 ,5
0 ,40 ,5
1 ,3
hormignpobre
m a z a c o t e
arenisca
Fuente: Salfacorp, dibujo realizacin propia.
Figura 5.2. Fundacin tipo edi ficio arch ipilago de Chilo.
Determinacin de los factores de forma, scssq F F F ,, .
Los factores de forma dependen de las dimensiones de la fundacin, estn definidos porlas ecuaciones:
= L BF s *4,01 Ecuacin 5.2
tan*1
+= L BF sq Ecuacin 5.3
1=scF
Si L (largo de la fundacin) es mucho mayor que B (ancho de la fundacin), entonces:
1=== scsqs F F F
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Determinacin de los factores de profundidad dcd dq F F F ,,
Los factores de profundidad, dependen del ancho y de la profundidad que penetra la
fundacin en el suelo. Estos estn definidos por:
i) Si 1 Bd f , entonces:
ii) Si Bd f >1, entonces:
( )
+=
Bd
senF f dq *1*tan212 Ecuacin 5.6
+=
Bd
F f dc 1tan4,01 ,
Bd f 1tan en rad Ecuacin 5.7
1= d F
Determinacin de los f actores de capacidad de carga, cq N N N ,,
Los factores de capacidad de carga dependen del del suelo, estn establecidos de
acuerdo a la tabla 5.1.
+=
Bd
F f dc *4,01 Ecuacin 5.4
( )
+=
Bd
senF f dq *1*tan212 Ecuacin 5.5
1= d F
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Nc Nq N cq N N tan 0 5,14 1,00 0,00 0,20 0,001 5,38 1,09 0,07 0,20 0,022 5,63 1,20 0,15 0,21 0,03
3 5,90 1,31 0,24 0,22 0,054 6,19 1,43 0,34 0,23 0,075 6,49 1,57 0,45 0,24 0,096 6,81 1,72 0,57 0,25 0,117 7,16 1,88 0,71 0,26 0,128 7,53 2,06 0,86 0,27 0,149 7,92 2,25 1,03 0,28 0,1610 8,35 2,47 1,22 0,30 0,1811 8,80 2,71 1,44 0,31 0,1912 9,20 2,97 1,69 0,32 0,2113 9,81 3,26 1,97 0,33 0,2314 10,37 3,59 2,29 0,35 0,2515 10,98 3,94 2,65 0,36 0,2716 11,63 4,34 3,06 0,37 0,2917 12,34 4,77 3,53 0,39 0,3118 13,10 5,26 4,07 0,40 0,3219 13,93 5,80 4,68 0,42 0,3420 14,83 6,40 5,39 0,43 0,3621 15,82 7,07 6,70 0,45 0,3822 16,08 7,82 7,13 0,46 0,4023 18,05 8,06 8,20 0,48 0,4224 19,32 9,60 9,44 0,50 0,4525 20,72 10,66 10,88 0,51 0,4726 22,25 11,85 12,54 0,53 0,4927 23,94 13,70 14,47 0,55 0,5128 25,80 14,72 16,72 0,57 0,5329 27,86 16,44 19,34 0,59 0,5530 30,14 18,40 22,40 0,61 0,5831 32,67 20,63 25,99 0,63 0,6032 35,49 23,18 30,72 0,65 0,6233 38,64 26,09 35,19 0,68 0,6534 42,16 29,44 41,06 0,70 0,6735 46,12 33,30 48,03 0,72 0,7036 50,59 37,75 55,31 0,75 0,7337 55,63 42,92 66,19 0,77 0,7538 61,35 48,93 78,03 0,80 0,7839 67,87 55,96 92,25 0,82 0,8140 75,31 64,20 109,41 0,85 0,8441 83,86 73,90 130,22 0,88 0,8742 93,71 85,38 155,55 0,91 0,9043 105,11 99,02 186,54 0,94 0,9344 118,37 115,31 224,64 0,97 0,9745 133,88 134,88 271,76 1,01 1,0046 152,10 158,51 330,35 1,04 1,0447 173,64 187,21 403,67 1,08 1,0748 199,26 222,31 496,01 1,12 1,1149 229,93 265,91 613,16 1,15 1,1550 266,89 319,07 762,89 1,20 1,19
Fuente: Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002). Libro Ingeniera Geolgica.
Tabla 5.1. Factores de capacidad de carga
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Determinacin de la capacidad de carga ltima
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula la capacidad de carga ltima
con la ecuacin 5.1:
5.2.3. Clculo de la capacidad de carga ltima aplicado a la fundacin superficial ti po
edificio Barrio Archipilago de Chilo.
Determinacin de parmetros de acuerdo a la equivalencia del suelo y t ipo de fundacin
De acuerdo a la equivalencia del suelo sobre un nivel de desplante (Figura 5.1) y lo
indicado en la fundacin tipo (Figura 5.2), el suelo A corresponde a la arenisca y el suelo B
corresponde al mazacote gris, por lo tanto, con las muestras analizadas en este estudio y datos
extrados de un estudio realizados al mazacote, entonces se tiene que:
303,2 mT
areniscasueloA ==
3cot 06,2 mT egrismazasueloB ==
m B 3,1= , ancho de la fundacin.
md f 3= , profundidad de desplante.
dqsqq f sueloBdcsccdqsqsueloAult F F N d F F N cF F N Bq ************21
++=
-
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Determinacin de los factores de forma, scssq F F F ,, .
Como consideramos el largo de la fundacin infinito en comparacin con el ancho de
sta, se tiene que los factores de forma son:
1= sF
1=sqF
1=scF
Determinacin de los factores de profundidad dcd dq F F F ,,
Determinado f d y conocido el ancho de la fundacin ( B), se tiene que los factores de
profundidad estn dados por::
31,23,1
3 == Bdf >1, aplicando las ecuaciones 5.6 y 5.7 obtenemos:
46,1=dcF
21,1=dqF
1= d F
-
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Determinacin de los factores de capacidad de carga, cq N N N ,,
Realizado el ensayo triaxial CD, al analizar los datos entregados podemos determinar la
capacidad de carga ltima de una fundacin en diferentes estados de deformacin del suelo.
Por ejemplo, a una deformacin del 2% aproximadamente, se obtuvo un
2/1,24 mT c pick = , = 28,44 pick , los factores de capacidad de carga de acuerdo a la tabla 5,1
son:
31,115=q N
64,224= N
57,118=c N
Si consideramos la situacin ms desfavorable para este material, es decir, el material
al deformarse aproximadamente 4%, la cohesin se rompe, es decir, 0=c , solo el ngulo de
friccin interno mantiene a las partculas unidas aportando a la resistencia del material, es
decir, = 47 , entonces los factores de capacidad de carga de acuerdo a la tabla 5.1 son:
21,187=q N
67,403= N
64,173=c N
-
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Si consideramos los parmetros residuales entregados por el triaxial CD a una
deformacin del 20%, se obtuvo un28,1 m
T cresidual = , = 39residual , entonces los factores de
capacidad de carga de acuerdo a la tabla 5.1 son:
96,55=q N
25,92= N
87,67=c N
Determinacin de la capacidad de carga ltima
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula la capacidad de carga ltima
con la ecuacin 5.1:
Donde:
sueloA
303,2
m
T = .
sueloB 306,2 mT = .
B m3,1= .
f d m3= .
sF 1= .
sqF 1= .
scF 1= .
dqsqq f sueloBdcsccdqsqsueloAult F F N d F F N cF F N Bq ************21
++= Ecuacin 5.1
-
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dcF 46,1= .
dqF 21,1= .
d F 1= .
Para una deformacin del 2%, tenemos:
c 21,24 mT = .
= 28,44 .
q N 31,115= .
N 64,224= .
c N 57,118= .
Por lo tanto:
22 1,5335331 cmKg
mT qult ==
Para una deformacin del 4%, tenemos:
c 0= .
47= .
q N 21,187= .
N 64,224= .
c N 57,118= .
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Por lo tanto:
22 8,16393,1637 cmkg
mT qult ==
Para una deformacin del 20%, tenemos:
c 28,1 m
T = .
= 39 .
q N 96,55= .
N 25,92= .
c N 87,67= .
Por lo tanto:
22 55,7154,715 cmKg
mT qult ==
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5.3. Determinacin de la profund idad crtica de excavacin en l a arenisca.
5.3.1. Generalidades
Una de las operaciones ms importantes en la construccin para la realizacin de
cualquier tipo de obra que requiera distribuir una carga en el terreno, es el movimiento de
grandes volmenes de tierra.
El conocimiento de la estructura y litologa del terreno para seleccionar el nivel
geotcnico en el que se va a excavar, as como el espesor de terreno resistente, la posible
presencia de agua, las caractersticas geotcnicas del terreno y los daos que en el pueden
originar la excavacin son factores a considerar antes de emprender cualquier proyecto.
Si pudiramos ver un elemento al interior del suelo (fig. 5.3.a) veramos que este
elemento sometido a tensiones verticales y horizontales producto del propio suelo que lo rodea
y cargas exteriores que actan sobre el suelo. Ahora si este mismo elemento al interior del
suelo pierde tensin horizontal debido a una excavacin (fig. 5.3.b), a una profundidad Z, es
decir, la tensin vertical se mantiene constante y la tensin horizontal va disminuyendo a
medida que se aumenta la excavacin.
Zv
H
v
H
Z
a) b)
=0
Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002). Libro Ingeniera Geolgica, dibujo realizacin propia.
Figura 5.3. Representacin comportamiento de esfuerzos principales de un suelo en una
excavacin.
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Si el suelo corresponde a la arenisca con las caractersticas geotcnicas determinadas,
podemos graficar su envolvente de falla y ver el estado tensional del suelo a travs de los
crculos de Mohr al producirse la excavacin (fig. 5.4), se puede ver que en algn momento se
provocar la situacin de rotura, que ser cuando un circulo toque la envolvente, y esto se
producir a una profundidad crtica, lo que se determinar a continuacin.
E n v o
l v e n t
e d e f
a l l a a
r e n i s
c a
H V1 V2 V3 Vn
c=2,41 Kg/cm
=44,28
2
Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002). Libro Ingeniera Geolgica, dibujo realizacin propia.
Figura 5.4. Representacin comportamiento arenisca a l a excavacin.
5.3.2 Descripcin procedimiento de clculo p rofundi dad crtica de excavacin
La relacin de Mohr Coulomb esta definida por la ecuacin:
N N c ***231
+= Ecuacin 5.8
Donde:
1 : Esfuerzo principal vertical ( v ),2mT .
3 : Esfuerzo principal horizontal ( H ),2mT .
c : Cohesin del suelo, 2mT .
N : sen
sen
+
1
1 , adimensional.
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: ngulo de friccin interno del suelo, grados.
Para calcular la profundidad crtica debemos dejar la Ecuacin 5.8 en funcin de la
profundidad Z . El esfuerzo de una masa de suelo se define como::
Z v * = 0** K Z H =
senK =10
sensen N
+=
11 Ecuacin 5.9
Al realizar la excavacin el esfuerzo horizontal desaparece, es decir, 0= H , por lo
tanto, la ecuacin 5.8 queda definida por:
N c Z **2= Ecuacin 5.10
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5.3.3. Clculo de profundidad c rtica de excavacin en la arenisca
Utilizando los parmetros pick obtenidos del ensayo triaxial CD en este estudio, para
una deformacin de 2% aproximadamente se tiene: 303,2 mT arenisca = , 2/1,24 mT c pick = ,
= 28,44 pick . Aplicando la ecuacin 5.9 se obtiene:
63,5= N
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula la profundidad crtica de
excavacin con la ecuacin 5.10:
N c Z **2= Ecuacin 5.10
Donde:
c 21,24 mT = .
N 63,5=
303,2 mT =
Por lo tanto:
m Z 34,56= .
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Utilizando los parmetros residuales obtenidos del ensayo triaxial CD en este estudio,
para una deformacin del 20 % se tiene: 303,2 mT arenisca = , 28,1 mT cresidual = ,
=39residual .Aplicando la ecuacin 5.9 se obtiene:
4,4= N
Finalmente, determinadas todas las variables, se calcula la profundidad critica de
excavacin con la ecuacin 5.10:
N c Z **2= Ecuacin 5.10
Donde:
c 28,1 mT = .
N 4,4= .
303,2 mT = .
Por lo tanto:
m Z 7,3= .
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5.4. Clculo de estabilidad de taludes de longitud finita
5.4.1. Generalidades
Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que
tiende a provocar deslizamientos del suelo, si a lo largo de una superficie potencial de
deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debidos al peso propio o a cualquier otra causa
como: agua de filtracin, peso de una estructura o de un terremoto, etc. superan la resistencia
al corte del suelo, se produce un deslizamiento de una parte del terreno. Existen muchos casos
en los taludes naturales, terraplenes compactados y excavaciones, en que el ingeniero debe
estudiar la estabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tangenciales con la resistencia al
corte a lo largo de la superficie de deslizamiento potencial, es decir, deber realizar un clculo
de estabilidad.
En los anlisis de estabilidad se debe elegir un coeficiente de seguridad adecuado,
dependiendo de la finalidad de la excavacin y del carcter temporal o definitivo del talud,
combinando los aspectos de seguridad, costos de ejecucin, consecuencia y riesgos que podra
causar la rotura. Para taludes permanentes el coeficiente de seguridad a adoptar debe ser igual
o superior a 1,5 e incluso 2, dependiendo de la seguridad exigida y de la confianza que se tenga
en los datos geotcnicos que intervienen en los clculos. Para taludes temporales el factor de
seguridad esta en torno a 1,3, pero en ocasiones pueden adoptarse valores inferiores.
A continuacin analizaremos un problema que se da con cierta frecuencia y se conoce
en algunos casos como estabilidad de trincheras.
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A
B
A
B
C
D
POSIBLE ZONA DE FALLA
SUELO CON, y
4 5 + / 2
=
Fuente: Ortigoza Pedro, (2004), U. de Chile, IDIEM. Apuntes de clases: Fundaciones II, dibujo realizacin propia.
Figura 5.5. Representacin esquemtica de posi ble zona de falla de l a cua ABCDA`B`
La cua ABCDA`B` resistir al corte debido a dos componentes:
1. resistencia al corte de la base ABCD.
2. Resistencia al corte de las caras laterales A`AC y B`BD.
Resistencia al corte de l a base ABCD
HCOTG
H
45+/2= l = H / s
e n
w
s1 N1w sen w cos
R1
Fuente: Ortigo za Pedro, (2004), U. de Chile, IDIEM. Apuntes de cl ases: Fundacion es II, dibujo realizacin p ropia.
Figura 5.6. Representacin esquemtica de posi ble zona de falla de l a base ABCD
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Al descomponer las fuerzas que actan en la base ABCD se tiene:
*2
**cot L H g H w = Ecuacin 5.11
Donde:
w : Peso de la cua, kg
H : Altura del talud,m
: ngulo de falla en estado activo, grados sexagesimales
L : Longitud del talud,m
arenisca : Densidad del suelo,3/ mT
La resistencia al corte de la base ABCD esta dada por la siguiente expresin:
tan*
* 11 N sen H Lc R +
= Ecuacin 5.12
Simplificando se tiene:
tan*cos*
*1 wsen H Lc R +
= Ecuacin 5.13
Donde:
1 R : Resistencia al corte
c : Cohesin, 2/ mT
L : Longitud del talud,m
H : Altura del talud,m
w : Peso de la cua, kg
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: ngulo de falla en estado activo, grados sexagesimales
: ngulo de friccin interno del suelo, grados sexagesimales
Resistencia al corte de las caras laterales
H
Z
H/TG
dzdx
N = H d x d z
z
x
Z
R
Fuente: Ortigo za Pedro, (2004), U. de Chile, IDIEM. Apuntes de cl ases: Fundacion es II, dibujo realizacin p ropia.
Figura 5.7. Representacin esquemtica de pos ible zona de falla