Mecánica de suelos, Tomo I - Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez PDF

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Dr. KarI von Terzaghi fu n d a d o r y guía de la M ecánica de Suelos m o d ern a Mecánica de Sue l os t o m o i Fundamentos de la Mecánica de Suelos S E G U N D A E D IC IO N f E D I T O R I A L L I M U S A MEXICO 1»73 © 1963 Revísta IN G EN IERIA Primera reimpresión: 1965 Segunda reimpresión: 196...

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Dr. KarI von Terzaghi fu n d a d o r y guía de la M ecánica de Suelos m o d ern a

Mecánica de Sue l os t o m o

i

Fundamentos de la Mecánica de Suelos S E G U N D A E D IC IO N

f E D I T O R I A L MEXICO

L I M U S A 1»73

© 1963 Primera Segunda Segunda

Revísta IN G EN IERIA reimpresión: 1965 reimpresión: 1967 edición: 1969

EULALIO JUAREZ BADILLO Doctor en ingeniería. Profesor de la División del Doctorado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de M éxico. Auxiliar del C. Director General de Proyectos de Vías Terrestres, SOP. ALFONSO RICO RODRIGUEZ Maestro en Ingeniería. Profesor de la División Profesional y Estudios Superiores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. Profesor de la Universidad Iberoamericana. Jefe del Departamento de Geotecnia. Dirección General de Proyectos de Vías Terrestres, SOP.

Derechos reservados en lengua espafiola: ©

1973, E D ITO R IA L LIM USA, S. A. Arcos de Belén Núm. 75, México

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D . F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Registro Núm. Primera reimpresión: 1973 S e g u n d a r e im p r e s ió n : 1973 Impreso en México (1276)

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PRO LO G O A LA SEGUNDA EDICION Es muy satisfactorio para los autores de esta obra abordar la tarea de escribir un pequeño prólogo para la Segunda Edición de su Volu­ m en I; en el lapso relativam ente corto que lleva de vida, este volumen ha visto dos reim presiones y ahora ve nueva luz en forma corregida y ligeram ente aum entada. Esto indica que no ha sido pequeño el nú­ m ero de colegas y estudiantes que nos han perm itido la discusión, en un caso y u n a muy grata contribución a su formación, en el otro. Es de esperar que en su nueva forma este volum en resulte de mayor utilidad. Al añ ad ir algunos temas y m odificar otros, se ha procurado ac­ tualizar el contenido del libro, incorporándose algunos aspectos que, o se h an publicado posteriorm ente a la aparición de la prim era edi­ ción, o han producido el arrepentim iento de los autores al no formar parte de aquella; en muchos casos este arrepentim iento proviene de sugestiones y amistosas llam adas de atención de muchos colegas, cuya colaboración agradecen m ucho los autores del trabajo. Sin embargo, actualizar u n libro cualquiera que se publique en el campo científico o técnico puede ser labor de incorporación sin fin de teorías y experiencias en continua evolución; en esta tarea, los autores han procurado no perder de vista su objetivo fundam ental, que ha sitio y sigue siendo la elaboración de u n texto q u e guíe la iniciación de los estudiantes de México en el siempre prom etedor y fascinante campo de la Mecánica de Suelos. Es este, o tra vez, lugar apropiado para que los autores testimo­ nien su g ratitu d a la Facultad de Ingeniería, de la UNAM , no sólo por hacerse cargo de los aspectos m ateriales de la publicación de este nuevo volumen, sino tam bién por razones que resulta obvio comen­ tar, pero en las que radica la razón fundam ental de que este modesto esfuerzo pueda cristalizar en algo que nos enorgullece tanto. M éxico, D. F., ju lio de 1969

NOTA PRELIMINAR A LA PRIMERA REIM PRESION A pesar de que la primera edición del primer tomo de la Mecánica de Suelos, del Doctor en Ingeniería Eulalio Juárez Badillo y del Maestro en Ingeniería, Alfonso Rico Rodríguez, era el primer libro que sobre este interesantísimo tema se publicaba en México, la acogida que le dis­ pensaron los profesantes y los estudiantes de Ingeniería fue realmente extraordinaria. En efecto, la primera edición, que salió a la luz a prin­ cipios de 1963, con un tiro de 1,500 ejemplares, se agotó en diez meses. Este hecho representa, por qué no decirlo, un claro éxito editorial y, sobre todo, un gran éxito de los autores y también, en proporción con­ siderable, de la Ingeniería Mexicana, ya que es bien sabido que, en tér­ minos generales, se tiene desconfianza de los libros técnicos nacionales, de autores mexicanos, y se prefieren, casi siempre, los libros técnicos de autores extranjeros, editados en el extranjero. Y este éxito es aún mayor si se toma en cuenta que dicha primera edición fue absorbida, casi en su totalidad, por ingenieros, técnicos y es­ tudiantes residentes en la ciudad de México y en la zona central de la República. Así pues se imponía la necesidad de una rápida reimpresión de la obra para cubrir insistentes demandas no sólo del interior de la República, sino que, habiendo traspasado el éxito de esta publicación las fronteras nacionales, también había que atender numerosas demandas de Centro y de Sud-América en donde existen Universidades e Institutos docentes de tanta importancia. En esta primera reimpresión se han corregido todas las erratas de que se tuvo noticia, y se ha mantenido la misma pulcritud tipográfica y la buena presentación, que, como necesario complemento de su interesan­ tísimo contenido, hacen de esta obra un verdadero texto de Mecánica de Suelos para toda la América Latina y para España. Para terminar esta nota, los Editores quieren agradecer a los estu­ diantes y profesionales de Ingeniería la calurosa acogida que se sirvieron brindar a la primera edición de este libro, y expresar su confianza en que esta primera reimpresión merecerá la misma acogida. Los Editores México, D. F. febrero de 1965

PROLOGO DE LOS AUTORES Los autores, a través de años dedicados a impartir cátedras de Mecá­ nica de Suelos en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, han sentido la necesidad de que los alumnos tengan a su disposición un texto en el cual, en forma concordante con los Pro­ gramas en vigor, se presenten los conocimientos necesarios sobre la Espe­ cialidad en forma asequible, fluida y completa, al mismo tiempo que llenando los requerimientos básicos del moderno ejercicio de la Profesión de Ingeniería Civil en México. N o ha sido nuestro objetivo elaborar un tratado más, que se sume al número cada día creciente de los excelentes que se han publicado y publi­ can en el mundo entero, ni tampoco la presentación de novedades en el campo, siempre en desarrollo, de la Mecánica de Suelos. Creemos que la constante lectura de publicaciones periódicas especializadas y el estu­ dio de las Memorias que sobre reuniones y congresos nacionales e inter­ nacionales van difundiéndose, constituye el único medio al alcance del estudiante avispado y ■del profesante, para informarse de los adelantos diarios de una Ciencia. Nuestro propósito es más modesto y, quizá, más urgente. Es notorio que, en los últimos años, tanto los criterios del gobierno mexicano, a tra­ vés de sus dependencias directamente interesadas, como los de la Facul­ tad de Ingeniería de México e Instituciones hermanas en el país, han coincidido en dar cada vez mayor auge a la difusión de la Mecánica de Suelos entre estudiantes e ingenieros. La Secretaría de Obras Públicas ha creado al efecto dos períodos anuales de dos meses de duración, en los que la Especialidad se difunde en forma intensiva entre su personal; también, en colaboración con la División del Doctorado de la Facultad de Ingeniería (U .N .A .M .), ha contribuido a crear la Especialización en Vías Terrestres, en la cual, la Mecánica de Suelos se imparte en nivel elevado. La Facultad de Ingeniería, además de incluir en el 4° año de la Carrera de Ingeniero Civil una signatura dedicada al estudio de la M e­ cánica de Suelos, ha creado, en su División del Doctorado, una Maestría en Ingeniería, dedicada únicamente a la Especialidad. Nuestro propósito queda así claramente definido: hemos querido ofrecer al alumno un texto que lo ayude en el recorrido de un camino que, empezando en el cuarto año de su carrera, pudiera llevarlo a una Especialización tan fascinadora pomo la que la Mecánica de Suelos le ofrece. ix

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PROLOGO DE LOS AU TORES

El texto cubre el programa regular de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma en su ciclo profesional y, en lo refe­ rente a Teoría, también el programa correspondiente al nivel de la Maes­ tría en Ingeniería en su rama correspondiente. Abarca las enseñanzas que se imparten en los Cursos de Capacitación organizados por la Secretaría de Obras Públicas y los Cursos correspondientes a la Especialización en Vías Terrestres, tal como los tiene programados la División del Docto­ rado de la Facultad mencionada. Hemos tratado de separar los diferentes niveles de enseñanza en forma clara, pero a la vez nos ha guiado el propósito de ofrecer al lector un todo coherente que no le presente discontinuidades. Queremos agradecer a la Secretaría de Obras Públicas y a la Facul­ tad de Ingeniería de la U.N.A.M . su estímulo generoso que hizo posible la realización de este trabajo, que constituye la materialización de un viejo anhelo. Las dos Instituciones mencionadas se han encargado de todos los aspectos materiales de esta obra y sin su concurso nunca este libro hubiera podido ver la luz. Por último, esperamos que nuestro trabajo sea de la utilidad deseada para aquellos estudiantes o profesantes interesados en la Mecánica de Suelos. Si ello fuera así, habríamos colmado nuestras máximas aspira­ ciones. E. Juárez Badillo A. Rico Rodríguez México, 1963

AGRADECIMIENTO M uchas han sido las personas que, al tener conocimiento de la tarca que a los autores de esta obra había sido encomendada, se apresuraron a brindar su ayuda para coadyuvar a su feliz ejecución. Esta ayuda fue en todos los casos aceptada y recibida con profunda g ra titu d ; los autores lam entarían que sus limitaciones personales hicieran que esa tarea de técnicos tan distinguidos se desvirtuase: desde luego, aceptan plena­ mente su responsabilidad al respecto. Su propósito, sin embargo, ha sido que tan valiosas orientaciones llegasen al estudiante sin menoscabo. A todas esas personas, los autores agradecen públicamente sus atenciones. Es difícil destacar ayudas concretas, pero no pueden quedar sin men­ ción las atenciones que los Sres. Ingenieros Javier Barros Sierra. Secreta­ rio de Obras Públicas; Luis E. Bracamontes, Subsecretario de la misma Dependencia y Antonio Dovalí Jaime, Director de la Facultad de Inge­ niería de la Universidad Nacional de México, han tenido con los autores. A ellos se debe, en primerísimo lugar, que este libro vea la luz, pues su estímulo e interés lo hizo m aterialmente posible. Los Sres. Ingenieros Ignacio Avilez Serna (recientemente desapare­ cido), Ju a n D urán Romano y Rodolfo Félix Valdés, constituyentes de la Comisión Editorial de la Secretaría de Obras Públicas, rev isaron todas las páginas del original e hicieron sugerencias de gran valor. Los Sres. Ingenieros Fem ando Espinosa Gutiérrez, Director General de Proyectos y Laboratorios de la Secretaría de Obras Públicas y Juan J. Correa Rachó, Jefe del D epartam ento de Ingeniería de Suelos de dicha Dirección, apoyaron en todo momento esta obra, contribuvendo en gran medida a su logro. Los Sres. Ingenieros Romeo Enríquez Rodríguez y Luis M. Aguirre M enchaca, dieron muy valiosas opiniones para la elaboración de los pro­ cedimientos de pruebas de Laboratorio que se presentan en diversos Anexos. Tam bién han sido útiles las sugestiones de los Ingenieros M a­ nuel Ja ra López y Hermilo del Castillo M ejía, en lo referente a la elabo­ ración del Apéndice. Los Sres. M. en Ing. Daniel Reséndiz Núñez y Jesús Alberro Aramburu leyeron totalmente el original y sus opiniones frieron grandemente valiosas para los autores. Los Sres. H um berto Cabrera P. y Ramón A. Fernández Castillo tuvieron a su cargo la elaboración de todas las figuras que acompañan al texto. El Sr. David Mendizábal B. realizó algunas de las fotografías que se incluyen. La Sra. Sahadi Rucoz tuvo a su cargo la tarea de'mecaxi

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AGRADECIMIENTO

nografiar todos los originales. La dedicación infatigable de todas estas personas ha sido una ayuda inapreciable. Por último, especial mención merece el Sr. Doctor Ingeniero Nabor Carrillo que extremó su gentileza al acceder a escribir una presenta­ ción de este libro. Eulalio Juárez Badillo Alfonso Rico Rodríguez

PROLOGO Por el Dr. N A B O R C A R R IL L O , ex rector de la Universidad Nacional Autónom a de México Este es el prim er libro que se publica en México sobre Mecánica de Suelos. Es para mí un honor que los autores me hayan pedido que escriba las palabras d e introducción. Q uieren palabras dirigidas a los estudiantes que por prim era vez se asoman a este campo fascinante de la ingeniería, palabras tam bién para quienes usarán el texto en pos, quiza, del doctorado, y palabras dirigidas a quienes se consideran esen­ cialmente ingenieros prácticos” . Espero que las mismas palabras sean válidas para todos. Los suelos son el más viejo m aterial de construcción y el más com­ plejo. Su variedad es enorme y sus propiedades, variables en el tiempo y en el espacio, son difíciles de entender y de medir. A pesar de esto, antes del siglo xx no se hizo un esfuerzo serio para atacar científica­ mente el estudio de la M ecánica de los Suelos. Sería injusto, sin embargo, desconocer la actuación aislada de hombres de gran sensibilidad e inspiración que merecen el título de precursores de la M ecánica de Suelos. U n ejemplo brillante es Alexandrc Collin, quien en 1846 publicó sus “Recherches Experimentales sur les Glissements Spontanés des Terrains Argileux” que parece ser la primera obra sobre este asunto con filosofía m oderna y con notable perspicacia experimental. El esfuerzo aislado de Collin, sin embargo, no encontró el clima adecuado y su labor fue apreciada y redescubierta hasta hace pocos años. La llam ada precisamente “M ecánica de Suelos” es un fruto carac­ terístico de la ingeniería de nuestro tiempo: fue a principios de este siglo, en 1913, en los Estados Unidos y en Suecia, donde se intentó [>or prim era vez, en forma sistemática y organizada, realizar estudios que corrigieran vicios seculares en el tratam iento de los suelos.1 Poco después, un hom bre extraordinario de nuestro tiempo, un hombre de auténtico genio, hizo investigaciones en un laboratorio muy modesto, con el auxilio de sus cajas de puros, en una Universidad en „ 1 El? ,e n e r 0 de 1913, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles nombró un Comité Especial para hacer un código sobre la práctica actual en relación a la capacidad de carga de los suelos”. En diciembre de 1913, la "Comisión Geo­ métrica de los IF .C C . Suecos” inicio el estudio del factor de seguridad de taludes en el sur de Suecia. — (N . de los A.)

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PROLOGO

el cercano Oriente. Allí nació verdaderamente la Mecánica de Suelos. Este hombre, es el Profesor Karl Terzaghi, que actualmente, a los 80 años de edad, sigue profesionalmente activo. Terzaghi publicó en 1925 su Erdbaumcchanik (Mecánica de Suelos) en Viena. Entonces nació el termino ahora mundialmente usado. De entonces para acá ha habido una evolución muy grande y tam­ bién momentos de gran incertidumbre y desconcierto. Cientificos y téc­ nicos han tratado a la Mecánica de Suelos a veces con desdén. “No es una rama científica, está llena de oscuridades y de dificultades, de imá­ genes puramente empíricas", dicen. Sin embargo, pese a las hostilidades v a las incomprensiones, la Mecánica de Suelos ha adquirido relevan­ cia v, para usar un término propio de ella, se ha “consolidado”, en universidades, en centros de estudio e investigación y en oficinas de consulta. Para los jóvenes conviene hacer una advertencia con relación a las agresiones a la Mecánica de Suelos que pueden, tal vez, oir o leer. He sabido que algunos estudiantes se preguntan si vale la pena estudiar un asunto que es tan complejo, tan oscuro, tan difícil y, que para muchos ingenieros no tiene “importancia práctica”. Estudié Mecánica de Suelos como alumno del propio Profesor Terzaghi y de su discípulo más no­ table. el Profesor Arturo Casagrande, actualmente en la Universidad de Harvard. Cuando estudié este tema lo hice con el deseo de atender pro­ blemas de la ciudad de México y otros que interesaban a la antigua Comisión Nacional de Irrigación, actualmente Secretaría de Recursos Hidráulicos. Después de años de estudio, de investigación y de ejercicio práctico romo consultor en México y en el extranjero, y después de separarme (espero que transitoriamente) de esta actividad, quiero decir que nun­ ca me he arrepentido de haber invertido dos anos cruciales de mi vida en la Universidad de Harvard para doctorarme en Mecánica de Suelos. El campo es extraordinariamente atractivo. Desde muchos puntos de vista. Empecemos por lo obvio: por la “importancia práctica”. Hace un año. el Profesor Terzaghi publicó un trabajo en la U ni­ versidad de Harvard 1 en el que habla del pasado y presente de la M e­ cánica de Suelos. En sus observaciones hace un relato notable de cómo fue cambiando de criterio y de punto de vista a medida que aprendía más y más. Y entre las cosas importantes que señala en su trabajo, hay una que es significativa por sí sola. Dice el Profesor Terzaghi que durante siglos, desde que empezó la ingeniería en la India hasta fines del siglo xix, se pudieron construir con éxito presas de tierra a lo sumo de 20 m de altura. Tas que se hicieron con una altura mayor fracasaron tantas veces que a principios de este siglo se llegó a la con­ clusión de que no era aconsejable construir cortinas de tierra de más 2

Past and Future oí Applied Soil Mechanics-Soil Mechanics Series No. 62.

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de 20 m de altura.5 La realidad es que, posteriormente, y con las téc­ nicas aprendidas en la M ecánica de Suelos, con el conocimiento de los fenómenos de las redes de flujo, de las presiones internas de poro y el m ejor entendim iento sobre la resistencia al corte de los suelos, se ha logrado, en años recientes, construir cortinas muy elevadas.4 Este es un hecho. Se puede hablar de otras muchas aplicaciones felices de la M ecánica de Suelos. Estructuras que, sin los conocimientos actuales hubieran sido imposibles de construir. La im portancia práctica del tema no es discutible. Pero hay otros aspectos que no suelen discutirse. La M ecánica de Suelos es una disciplina que tiene un lugar dentro de la ciencia mo­ derna. Es noble y digno que los jóvenes se entreguen a su estudio con el mayor empeño, con la confianza y la seguridad de que, si así lo ha­ cen, habrán de obtener beneficios indudables en su formación. En efecto, la M ecánica de Suelos tiene, dentro de su enorme am plitud, lugar y espacio p ara muy diferentes temperamentos. Quienes como yo tienen inclinación por los asuntos analíticos, pueden encontrar un reto fascinante en la investigación de diversos problemas de la Mecánica de Suelos. Ciertam ente no puede decirse — quizá no se podrá decir nunca— que la M ecánica de Suelos constituye una ram a de las matemáticas aplicadas; pero es indudable que hay campo para investigar en ella. Muchos problemas analíticos están pendientes de solución. Las Teorías de Elasticidad y Plasticidad han dem ostrado en la práctica tener tras­ cendencia p ara aclarar infinidad de casos concretos. En el texto que ahora presento hay ejemplos precisos que confir­ m an lo que acabo de decir. A quienes no tienen particularm ente inclinación analítica y, en cambio, sienten pasión por la observación y curiosidad de explorar per­ sonalmente con experimentos directos las intimidades de la naturaleza, la M ecánica de Suelos ofrece las mejores perspectivas. Quizá los más importantes autores de la M ecánica de Suelos son de este tipo. El pro­ pio Profesor Terzaghi es así. En alguna carta me decía que una medida de la M ecánica de los Suelos es que caben quienes “gustan de soñar con soluciones perfectas en materiales ideales” , y quienes “se interesan mucho m ás en investigar las incertidumbres y complejidades de los materiales reales” . Terzaghi ha dicho, además, “quien sólo conoce la 3 Afirmación hecha en 1901 por el Consejo de Consultores de las Obras de Abastecimiento de Agua de Nueva York. (N . de los A .) 4 Para justificar esta afirmación pueden mencionarse las cortinas de las presas Anderson Ranch (E ....