Mecanica de suelos uso

1. APLICACIONES DE LA MECANICA
DE LOS SUELOS
NO SATURADOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
Area de Geotecnia.
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

2. MECANICA DE
SUELOS
SUELOS SATURADOS
ARCILLAS Y
LIMOS
ARENAS Y
GRAVAS
Presión de Poros
uw > 0
LIMOS Y ARCILLAS
COMPACTADOS
ARCILLAS DESECADAS
SUELOS RESIDUALES
SUELOS NO SATURADOS
Presión de Poros
uw < 0

3. MECANICA DE LOS SUELOS NO SATURADOS
Presión de poros negativa
Presión Neta Normal
(-ua)
Succión Matricial
(ua- uw)
N.F.
Presiones Efectivas
(-uw)
MECANICA DE LOS SUELOS
SATURADOS

4. SUELO NO SATURADO
SUELO SECO
Discontinuidad en Vacíos llenos en su
la fase de agua mayoría con aire
FASE DE 2 FLUIDOS
Fase de agua Fase de aire
continua continuo
ZONA CAPILAR
Vacíos llenos en su Fase gaseosa
mayoría con agua discontinua
SUELOS SATURADOS
Vacíos llenos de Aire en estado
agua disuelto

6. EQUILIBRIO DE HUMEDAD

7. Alturas Capilares
Suelo Dio (mm) e hcr (cm) hcr (cm)
Grava gruesa 0,82 0,27 5,4 6,0
Grava arenosa 0,20 0,45 28,4 20,0
Grava fina 0,30 0,29 19,5 20,0
Grava limosa 0,06 0,45 106,0 68,0
Arena gruesa 0,11 0,27 82,0 60,0
Arena media 0,02 0,48-0,66 239,6 120,0
Arena fina 0,03 0,36 165,5 112,0
Lino 0,006 0,95-0,93 359,2 180,0
Lane - Washburn, 1.946

8. AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

9. ASPECTOS DE INTERES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
•CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA
•EVALUACION DE LA ESTABILIDAD GLOBAL
•ANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL
•CONDICIONES DE FILTRACIÓN
•COMPORTAMIENTO ACOPLADO

10. “El ingeniero que trabaja en suelos debe proyectar su estructura no sólo para
las propiedades del suelo existentes al comienzo de la obra, sino también para
toda la vida del proyecto de la estructura. Necesita conocer las propiedades del
terreno al comienzo de la obra y la forma en que éstas variarán a lo largo del
tiempo. Tanto el tamaño y la forma de un depósito determinado como las
propiedades mecánicas del suelo que los componen pueden variar de forma
significativa. Muchas de estas variaciones se producen independientemente de
la actividad humana, mientras que otras se deben a la propia obra”.
W. Lambe - R. Whitman (1.984)
AMBITO DE APLICACIÓN DEL PROBLEMA

11. CARACTERIZACION DE LA RESISTENCIA
• RELACION ENTRE SUCCION Y HUMEDAD
• DEFINICIÓN DE PARÁMETROS RESISTENTES

12. SUCCION Y HUMEDAD
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000
SUCCION [kPa]
GRADODESATURACIONRELATIVO MODELO
U.N.C.-1996
HUANG, 1993
TORONTO, 1984
MOORE
SABBAGH, 1995
LEONG, 1995
FLEUREAU, 1995
FLEUREAU, 1995
HAN, 1995
ARCILLA
ARENA
LIMO
ARCILLOSO
ARENA+LIMO+ARCILLA
ARENA+LIMO

13. SUCCION Y
HUMEDAD
MODELO ECUACION CONDICION
1d b 
Brooks y Corey (1964)
n
d a





  b 
Britsaert (1966) nd
a 







1
1
1d b 
Mc Kee y Bumb (1984)   



 
 n
a
d e

 b 
Mc Kee y Bumb (1987)   



 


n
ad
e


1
1
Fredlund y Xing (1994)
m
nd
a
e




























ln
1
Gardner (1956) nd
a 



1
1
Van Genuchten (1980)
 
m
nd
a










1
1
Van Genuchten (1980) - Burdine (1953)
 
 n
nd
a
/21
1
1











Van Genuchten (1980) - Mualem (1976)
 
 n
nd
a
/11
1
1












14. RESISTENCIA AL CORTE
)tg()()'tg()(' bwafaf uuuc  

15. ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO

16. ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO
EQUILIBRIO DE MOMENTO
EQUILIBRIO DE FUERZAS
 
























NfWaA
RuuNRc
FS
xLL
b
a
b
w
m
)'tg(
)'tg(
)tg(
1
)'tg(
)tg(
' 































)sen(
)'tg()cos(
)'tg(
)tg(
1
)'tg(
)tg(
)cos('








NA
uuNc
FS
L
b
a
b
w
f

17. ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO
INFLUENCIA DE PARAMETROS Y FS
      )tg('tg' b
waanm uuuc
FS
S 


          
     
FS
FS
u
FS
u
FS
c
XXW
N
b
w
b
aLR
'tgsen
cos
tg
sen
tg'tg
)sen(sen'

















18. dydxvdydxdz
z
v
v
t
V
w
w
w
w











PERMEABILIDAD EN SUELOS NO SATURADOS
Conservación de Masas
z
k
cz
u
z
k
k
c
z
u
c
t
u w
g
ww
w
w
vww
v
w













 1
2
2
gm
k
c
w
ww
v
2

2
1
m
cg 
Ecuación Diferencial Básica
Parámetros deformacionales

19. Contenido volumétrico de agua
condición de contorno b(x,t)
Potencial hidráulico
Condición de contorno b(x,t)
Contenido volumétrico de agua
b(x,t)
Cambios contenido volumétrico
de agua (x,t) / t
Flujo de agua
J(x,t)
Gradiente Potencial hidráulico
(x,t)
Succión sin carga
h(x,t,,e,...)
Presión de poros
u(x,t,,e,,...)
Potencial hidráulico
(x,t, ,e,,...)
Tensión conductividad
Hidráulica ku (x,t,h,e,...)
Relación de vacíos
e(x,t)
Cambios Relación de vacíos
e(x,t) / t
Tensión de deformación
(x,t)
Condición de borde
Desplazamientos db (x,t)
Estructura
Módulo volumétrico
ke(x,t, , máx,, , máx,h...)
Módulo de corte
G (x,t, , máx,, , máx,h...)
Tensión de corte
 (x,t, , máx,, , máx,h...)
Tensión normal t
Tensor de tensiones
(x,t)
Tensor efectivo de tensión
(x,t,u,e, )
Condición de contorno
en tensiones b
MODELO DE FLUJO DE AGUA NO ESTACIONARIO
Proceso mecánico o hidráulico independiente
Acoplamiento debido a cambio en porosidad o potencial hidráulico
Acoplamiento debido a procesos de corte o falla
MODELO DE TENSIONES Y DEFORMACIONES CUASIESTATICO

20. EJEMPLO 1.
ESTABILIDAD AL
DESLIZAMIENTO

21. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

22. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

23. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

24. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

25. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

26. EJEMPLO ESTABILIDAD DE TALUDES

27. ANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

28. ANALISIS TENSO - DEFORMACIONAL

29. EJEMPLO 2.
EVALUACION TENSO - DEFORMACIONAL EN
PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

30. PARÁMETROS NECESARIOS
1. IDENTIFICACION DE LOS MATERIALES
2. RELACIONES TENSIÓN - SUCCIÓN - DEFORMACIONES
3. RELACIONES SUCCIÓN - HUMEDAD - PERMEABILIDAD
4. ESTADO DE CARGA EXTERNOS
5. TIEMPOS DE ANÁLISIS

31. MODELO TENSO - DEFORMACIONAL

32. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE PERMEABILIDAD

33. COMPORTAMIENTO DEL
NUCLEO CENTRAL

34. ESTADOS TENSIONALES Y ASENTAMIENTOS

35. RESULTADOS DE LA MODELACIÓN

36. RESULTADOS DESPUES DE LA CONSTRUCCIÓN

37. COMPORTAMIENTO DESPUES DEL
PRIMER LLENADO

38. ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL RESULTADO

39. EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES

40. EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES

41. EJEMPLO 3. MODELO ELEMENTO FINITO - FILTRACIONES

42. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CALZADAS.
Factores condicionantes:
Tránsito.
Clima y Medio Ambiente.
Características de los Materiales.
Suelos Metaestables (Colapsables y Expansivos).
COMPORTAMIENTO OBSERVADOS.
•Asentamientos localizados en el centro de la calzada
(pérdida de perfil).
Fisuración longitudinal en los bordes.
OBJETO
Elaboración de modelo simplificado que permita
aplicaciones en el proceso de diseño.
EJEMPLO 4. MODELOS NO SATURADOS EN
TERRAPLENES VIALES

43. ORGANIZACIÓN DEL ESTUDIO.
 Revisión del comportamiento observado.
Pérdida del perfil transversal. Asentamiento de 20 a 30 mm en el
eje.
Fisuración longitudinal en bordes. Localización: 30 a 40 cm del
borde de calzada.
 Hipótesis generales de la modelación.
Suelos componentes de la fundación. Limos arenosos y limos
arcillosos.
Condiciones de humedad. Perfil de equilibrio energético entre
humedad y succión.
Efecto de la construcción de la calzada. Membrana impermeable
o semipermeable.
 Estudio de modelos de simulación aplicables.
Superficies de estado
Equilibrio de succiones bajo membranas impermeables.
Curvas características suelo – agua.

44. EQUILIBRIO DE SUCCIONES Y
HUMEDADES.
Mitchell, 1980.
Ecuación básica de equilibrio (condiciones estacionarias). 02
2
2
2






y
u
x
u
Solución con desarrollo en series.












1
22
2
)12(
cos
4
)12(
cosh
2
)12(
cosh
)12(
1),(8
),(
n a
yn
a
Ln
a
xn
n
yLu
yxu





45. SUPERFICIES DE ESTADO.
(Alonso, et al, 1990; Josa et al, 1992; Blundo, Redolfi y Zeballos, 1998)
Integración de deformaciones.   yyuyxu
e
h
oy
y 

 


)),0(ln()),(ln(
1
1
0


46. CURVAS CARACTERISTICAS SUELO – AGUA.
(Fredlund, et al, 1990)
Antecedentes de calibración. Estudios del Area Geotecnia. UNC.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000
SUCCION [kPa]
GRADODESATURACIONRELATIVO
MODELO
U.N.C.-1996
HUANG, 1993
TORONTO, 1984
MOORE
SABBAGH, 1995
LEONG, 1995
FLEUREAU, 1995
FLEUREAU, 1995
HAN, 1995
ARCILLA
ARENA
LIMO
ARCILLOSO
ARENA+LIMO+ARCILLA
ARENA+LIMO
Brook y Corey
b
e
S
u
yLu 1
),( 

47. MODELO PLANTEADO.
Escenarios planteados.
Escenario Profundidad N.
Freático (mts)
Humedad
volumétrica en
superficie (%)
1 8,00 14,0
2 6,00 15,0
3 4,00 16,0

48. RESULTADOS DE LA MODELACION
Ajuste de la succión
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0.0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
-2.4
-2.8
-3.2
-3.6
-4.0
D IST A N C IA A L EJE D E C A LZA D A (mts)
SUCCION(kPa)
40-50
30-40
20-30
10-20
0-10

49. RESULTADOS DE LA MODELACION
Asentamientos en superficie.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-3.50 -2.50 -1.50 -0.50 0.50 1.50 2.50 3.50
DISTANCIA AL EJE DE CALZADA (m ts)
ASENTAMIENTOS(mm)
NF=8,0 m ts
NF=6,0 m ts
NF=4,0 m ts

50. RESULTADOS DE LA MODELACION
Deformaciones angulares.
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 1 2 3 4 5
Distancia al eje de calzada (mts)
DistorsiónAngular(%)
NF =8,0 m ts
NF =6,0 m ts
NF =4,0 m ts

51. CONCLUSIONES.
Posibilidad de reproducción y análisis de las
deformaciones inducidas en suelos sensibles a la acción del
agua mediante el empleo de modelos de simulación
sencillos.
La definición de la curva característica suelo – agua
(relación entre succión y humedad) constituye el punto de
más compleja determinación. Resulta de interés la
formulación de estudios tendientes a la identificación de
estas relaciones en distintos suelos.
Como solución preliminar puede recurrirse a referencias
bibliográficas o bases de datos para la identificación de
estos parámetros.

52. Tipo de Predicción Cuando se hace la predicción Resultados al momento de la
ejecución de la predicción
A Antes del evento No disponibles
B Durante el evento No conocidos
B-1 Durante el evento Conocidos
C Después del evento No conocidos
C-1 Después del evento Conocidos
Requerimiento para una adecuada predicción Tipo A
 El modelo teórico debe ser suficientemente detallado y correcto. Debe estar
confirmado in situ.
 Se debe disponer de datos del suelo completos y detallados.
 Se debe poseer experiencia en circunstancias similares.
 Debe existir armonía entre las tensiones y deformaciones en la totalidad del proceso.
 El modelo debe considerar las particularidades introducidas por el proceso de
instalación.
 La ejecución de la construcción debe ser consistente y bien controlada.
A.F.Van Weele (1989).
Prediction versus Performance