Mansilla Miranda HOEK Y BROWN

7/26/2019 Mansilla Miranda HOEK Y BROWN

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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


5.3.2. 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


8/136


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


5.5.2. 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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2

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


13/136

3

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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4

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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5

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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6

1 2

1 3

1 1

1 0

9

1 4

8

7

6 5

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

E

ZH

ZH

B1

B3

H1

I

D

E1

DA

R2

R4

R2

C1

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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8

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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9

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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10

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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11

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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12

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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13

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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14

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.


25/136

15

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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16

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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17

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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18

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.


29/136

19

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


30/136

20

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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21

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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22

CAPTULO III

DETERMINACIN DEL NGULO DE FRICCIN INTERNO YCOHESIN DE ACUERDO AL CRITERIO DE FALLA PARA

SUELOS MOHR - COULOMB


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23

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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24

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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25


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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26


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.


37/136

27

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



Fuente: Ensayo de compresin no confinada, Idiem.

Grafico 3.1. Esfuerzo v/s Deformacin u nitaria, Prensa 1.


38/136

28

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= 38 Kgf/cm2


Grfico 3.2. Esfuerzo v/s Deformacin unitaria, prensa 2


39/136

29

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


40/136

30

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.


41/136

31

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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32

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.


43/136

33

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


44/136

34

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 +=


45/136

35

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


Grafico 3.5. ngulo de fricci n interna v/s Deformacin, y cohesin v/s Deformacin.


46/136

36

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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37

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.


48/136

38

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.


49/136

39

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


50/136

40

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)


51/136

41

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.


52/136

42

Fuente: Fuente: Gonzlez Vallejo, (2002), libro Ingeniera Geolgica.

Tabla 4.3. ndice de Resistencia Geolgica GSI para el macizo rocoso


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43

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


54/136

44

Donde:

S : Constantes que dependen de las caractersticas del 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:



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,


55/136

45

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 .


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.


56/136

46

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


57/136

47

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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48

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.


59/136

49

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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50

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


61/136

51

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=


62/136

52

CAPTULO V

APLICACIONES PRCTICAS A DISEOS DE OBRAS DEINGENIERA


63/136

53

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.


64/136

54

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


65/136

55

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.


66/136

56

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


67/136

57

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


68/136

58

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


69/136

59

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.


++=


70/136

60

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


71/136

61

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


72/136

62

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= .


++= Ecuacin 5.1


73/136

63

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 ==


c 0= .

47= .

q N 21,187= .

N 64,224= .

c N 57,118= .


74/136

64

Por lo tanto:

22 8,16393,1637 cmkg

mT qult ==


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 ==


75/136

65

5.3. Determinacin de la profund idad crtica de excavacin en l a arenisca.


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


Figura 5.3. Representacin comportamiento de esfuerzos principales de un suelo en una

excavacin.


76/136

66

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


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:


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:


Donde:

c 28,1 mT = .

N 4,4= .

303,2 mT = .

Por lo tanto:

m Z 7,3= .


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70

5.4. Clculo de estabilidad de taludes de longitud finita


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

Mansilla Miranda HOEK Y BROWN

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