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

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Mecánica de Suelos Ing. José A. Cuevas precursor de la Mecánica de Suelos en México Dr. Nabor Carrillo Flores relevante investigador de la escuela de Mecánica de Suelos Mecánica de Suelos T O M O II Teoría y Aplicaciones de la Mecánica de Suelos EULALIO JUAREZ BADILLO ALFONSO RICO RODRIGUEZ E D I T...

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Mecánica de Suelos

Ing. José A. Cuevas precursor de la Mecánica de Suelos en México

Dr. Nabor Carrillo Flores relevante investigador de la escuela de Mecánica de Suelos

Mecánica de Suelos T O M O

II

Teoría y Aplicaciones de la Mecánica de Suelos

EULALIO JUAREZ BADILLO ALFONSO RICO RODRIGUEZ

E D I T O R I A L M E X I C O

L I M U S

A

19 7 3

©

1967, Revista INGENIERIA

EULALIO JUAREZ BADILLO Doctor en Ingeniería. Profesor de la División de Estudios Superiores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México*

ALFONSO RICO RODRIGUEZ Maestro en Ingeniería. Profesor de la División Profesional y de Estudios Superiores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. Profesor de-la Universidad Iberoamericana

Todos los derechos reservados: © 1973, EDITORIAL LIMUSA, S. A. Arcos de Belén Núm. 75, México 1, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Registro Núm. 121 Primera reimpresión: 1973 Im p rm en Mixico (971)

PROLOGO DE LOS AUTORES Es con mucha satisfacción que los autores ponen ahora a dispo­ sición de sus estudiantes y del público interesado, el Volumen II de la obra Mecánica de Suelos, a la que han venido dedicando su entu­ siasmo en estos últimos años. Comprenden que entre la aparición de este libro y el anterior ha pasado un lapso inconveniente y se excusan por ello, exhibiendo como única disculpa las muchas ocupaciones que los acosan; ojalá que el Tercer Volumen, que ahora comienzan, dedi­ cado a Flujo de Agua en Suelos, pueda estar a disposición de los lectores con más oportunidad. La acogida que el estudiantado y los técnicos de México y Amé­ rica Latina han brindado al Tomo I ha sobrepasado con mucho las modestas esperanzas de los autores, los ha colmado de satisfacción y los ha convencido de la necesidad de aplicarse a su tarea con reno­ vado esfuerzo. Desde aquí quieren expresar público testimonio de agradecimiento a todos los lectores que han dado tan grata bienve­ nida a su trabajo y muy especialmente a los que, yendo más allá, les han comunicado su impresión personal o sus críticas orientadoras, tan necesarias en una obra como la presente, especialmente por estar incompleta y expuesta a la reiteración de defectos. También quieren los autores expresar su reconocimiento a la Fa­ cultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de Méxi­ co y a la Secretaría de Obras Públicas por el estímulo que les han brindado en la elaboración de este segundo tomo. Han colaborado con la obra el señor Humberto Cabrera, quien hizo los dibujos y la señora Sahadi Rucoz que volvió a realizar todo el ingrato trabajo de mecanografía. A ambos, los autores expresan su gratitud por su empeño, dedicación y entusiasmo. El señor Ing. Ignacio Avilez Espejel tuvo a su cargo la delicada tarea de editar estas páginas y, es de agradecer el cariño que puso en ella. El señor Ing. Javier Barros Sierra, ex Director de la Facultad de Ingeniería, ex Secretario de Obras Públicas, actualmente Rec­ tor de la Universidad Nacional Autónoma de México, ha accedido bondadosamente a escribir un Prólogo a este libro. Es para sus autores un motivo muy especial de orgullo y reconocimiento que su alta personalidad honre estas páginas. México, D. F„ noviembre de 1967

PROLOGO Continuando el esfuerzo que les condujo en 1963 a la publi­ cación del primer volumen de esta obra, los dos jóvenes ingenieros, profesores e investigadores Eulalio Juárez Badillo y Alfonso Rico Rodríguez presentan ahora la segunda parte de su libro, que recoge las aplicaciones prácticas más importantes de la teoría, desarrollada en el primer tomo. Con este nuevo volumen se completa el programa actual de la materia en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional y se cubren ciertos aspectos esenciales del contenido de la asigna­ tura en el nivel de la maestría. La obra, primera del género en nuestro país y una de las muy pocas escritas originalmente en castellano, ha tenido tan amplia cuan­ to justa acogida (del Tomo I ha salido ya la segunda edición) debido, seguramente, no sólo a la ventaja del idioma sino también a algunas cualidades relevantes, entre las que cabe citar una expo­ sición de carácter general y no especializada y una presentación certeramente didáctica. Puede decirse, extendiendo la célebre frase del pensador español, que la claridad no sólo es cortesía de filósofos sino también de sabios. Y estos dos maestros han tenido en alta consideración a los estudiantes que, cada día en mayor número, han de enfrentarse con su libro. No hay duda de que ellos, con sus bien probadas capacidad y perseverancia y con su plausible entusias­ mo, habrán de completar en breve su tratado con el tercer y último volumen, relativo al flujo de agua en suelos. Es de elemental justicia señalar que los autores, en un rasgo que tos honra mucho, han cedido los productos de la venta de los tres volúmenes a la Facultad de Ingeniería, en la que ambos hicieron los estudios de ingeniería civil y Alfonso Rico; muy brillante alum­ no mío por cierto, alcanzó después con alta distinción y, curiosamente, sin que al principio creyera tener especial vocación para tal espe­ cialidad, la maestría en mecánica de suetos. Al comienzo del libro los autores presentan las imágenes del Ing. José A. Cuevas y del Dr. Nabor Carrillo Flores. D e esta mane­ ra, implícitamente dedican su trabajo a dos de los hombres que más han tenido que ver con el nacimiento y el desarrollo de la Mecánica de Suelos en México. José A. Cuevas fue sin duda el más destacado de los precursores de esta disciplina y el hombre que con su labor estableció los fundamentos para que pudiera hablarse de

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PRO LO GO

una Escuela Mexicana de Mecánica de Suelos; a esta tarea dedicó durante muchos y difíciles años su singular intuición y su incansable esfuerzo. Nabor Carrillo, al dedicar aíl naciente campo sus brillantes dotes 11 su destacado talento, contribuyó quizá en mayor medida que ningún otro a darle a esa Escuela reconocimiento nacional y estatura internacional. Es justo y conveniente que la presencia de estos hombres, ambos ya desaparecidos de entre nosotros, preceda un trabajo como el que ahora ve la luz. No me resta sino decir, como observador más o menos cercano de la incansable labor de los señores Juárez Badillo y Rico, que merecen, junto con la más cordial felicitación, el agradecimiento de la Universidad y el de los estudiosos de la mecánica de los suelos. Ciudad Universitaria, D. F., septiembre de 1967 Javier Barros Sierra* Rector de la Universidad Nacional Autónoma de México Exdirector de la Facultad de Ingeniería de la U.N.A.M . Exsecretario de Obras Públicas del Poder Ejecutivo Mexicano.

CAPITULO I

ACCION DE LA HELADA EN LOS SUELOS 1-1.

Introducción

En este capítulo se tratarán someramente los problemas que derivan de la congelación del agua libre contenida en el suelo, por efecto climático, naciendo especial énfasis en lo que se refiere a cambios volumétricos y variaciones de propiedades mecánicas.1 Si la temperatura del agua libre llega a un valor igual a su punto de conqelación, el agua se toma sólida y su volumen aumenta. Tanto el punto de congelación, como el coeficiente de expansión volumétrica del agua dependen de la presión actuante sobre ésta. A la presión atmosférica, el punto de congelación corresponde a una temperatura de 0°C, en tanto que bajo una presión de 600 atmósferas el agua se congela a —5°C y a 1100 atmósferas a —10°C. Los coeficientes de expansión volumétrica son 0.09 a 1 atmósfera, 0.102 a 600 y 0.112 a 1100. Cuando el agua se congela en masas de grava o arena limpias hay pues, un aumento de volumen; sin embargo, esta expansión no necesariamente es de un 10% del volumen inicial de vacíos, como correspondería al caso normal de agua congelada, puesto que el agua puede drenarse durante la congelación. Si en una masa de arena se encuentran capas gruesas de hielo o lentes grandes de esta substancia, podrá decirse que el hielo se formó por congelación in sita de una masa de agua previamente existente. Sin embargo, si el agua está homogéneamente incorporada a la masa de suelo, como es general, la congelación afecta al conjunto de dicha masa, sin que el agua forme capas o lentes aislados de hielo. En limos saturados o arenas limosas en igual condición, el efecto de la congelación depende mucho del gradiente con el que se abate la temperatura. Un enfriamiento rápido provoca la congelación in sita, como en el caso de la arena y la grava, pero si el descenso de la temperatura es gradual, la mayor parte del agua se agrupa en pequeñas capitas de hielo paralelas a la superficie expuesta al enfriamiento. Resulta así una alternación de capas de suelo helado y estratos de hielo. En condiciones naturales, en suelos limosos expuestos a fuertes cambios de clima, pueden formarse capas de hielo de varios centí­ metros de espesor. La formación de masas de hielo limpio indica una 1 2—Mecánica de Suelo» n

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emigración del agua de los vacíos hacia el centro de congelamiento; el agua puede proceder del suelo en congelamiento o puede ser absor­ bida de un manto acuífero, situado bajo la zona de congelación. En la fig. 1-1 se muestran tales posibilidades en un espécimen de suelo fino. E l espécimen A descansa sobre una base sólida e impermeable, en tanto que los B y C tienen su parte inferior sumergida en agua. En los tres casos, la temperatura de los extremos superiores se mantiene bajo el punto de congelación del agua. En A el agua que forma los estratos finos de hieío procede de la masa de la parte, inferior del espécimen, mientras que en el B, el agua procede de la fuente inferior. Terzaghi llama al caso A un sistema cerrado, por no variar en él el contenido total de agua de la masa de suelo; en contraposición, el caso B sería un sistema abierto. E l caso C, aunque pudiera creerse abierto, es cerrado en realidad, por efecto de la capa de grava fina existente.

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Expansión

Consolidado

F I S . I-I. Casos de formación de hielo en suelos finos, según Terzaghi1

En el espécimen A el agua que forma los lentes de hielo proviene, como se dijo, de la parte inferior; este flujo ascendente del agua durante el proceso de congelación induce un proceso de consolida­ ción en la parte inferior de la muestra, análogo al que se tiene cuando el agua asciende por capilaridad hacia una superficie de evaporación. El proceso probablemente prosigue hasta que el contenido de agua en la parte inferior se reduce al correspondiente al límite de con­ tracción, siempre y cuando la temperatura en la superficie de enfria­ miento sea lo suficientemente baja. El incremento total de volumen asociado a un sistema cerrado, tal como el espécimen A, tiene como limite el incremento volumétrico por congelación del agua contenida en la masa. Por lo general, oscila entre el 3% y el 5% del volumen total.

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En los sistemas abiertos, representados por el espécimen B, el desarrollo inicial de los lentes de hielo también es debido al agua procedente de los niveles inferiores de la masa de suelo, por lo que, en un principio, esa zona se consolida. Sin embargo, según este proceso progresa, aumenta la cantidad de agua que se extrae de la fuente de agua libre, hasta que, finalmente, la cantidad de agua que toma la muestra por la parte inferior iguala a la que fluye hacia la zona de congelamiento, manteniéndose constante, de ahí en adelan­ te, el contenido de agua en la parte inferior de la muestra. La experiencia obtenida en regiones en que prevalecen muy bajas temperaturas durante largos períodos de tiempo, demuestra que el espesor total de las lentes de hielo formadas en el suelo natural, trabajando como sistema abierto, puede alcanzar varios metros. Un sistema abierto puede convertirse en cerrado sin más que insertar entre la superficie de congelamiento y el nivel freático una capa de gravilla, tal como se simboliza en el espécimen C de la fig. 1-1. El agua no puede subir por capilaridad a través del suelo grueso y, por lo tanto, de tal estrato hacia arriba, la masa se comporta como un sistema cerrado. Se ha encontrado que los lentes de hielo no se desarrollan a menos que, en añadidura a la existencia de las condiciones climáticas apropiadas, exista en el suelo cierto porcentaje mínimo de partículas finas. También afectan en cierta forma a la formación y desarrollo de tales lentes, el grado de uniformidad de las partículas, el peso específico del suelo y el tipo de estratificación. La forma cuantitativa enNque cada factor afecta a los fenómenos en estudio, no está aún dilucidada por completo. En general, se dice que un suelo es susceptible a la acción de la helada cuando en él pueden desarrollarse lentes apreciables de hielo puro. 1-2.

Efectos de la helada

Cuando el agua se congela en un vacío del suelo bajo una presión moderada actúa como una cuña, separando las partículas sólidas y aumentando el volumen de los vacíos. Cuando la congelación ocurre en un suelo no susceptible a la helada, como la grava o la arena, o en un sistema cerrado, el aumento de volumen, según se indicó, tiene como límite un 10% del volumen inicial de los vacíos, por lo que en un suelo de superficie horizontal, la elevación de dicha super­ ficie no podrá ser mayor que h = 0.1 n H

(1-1)

Donde n es la porosidad media del suelo y H el espesor de suelo en que se deja sentir el efecto de congelación. Por otra parte, en un

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sistema abierto constituido por suelo susceptible a la helada, la expansión por congelación puede llegar a ser mucho mayor que el limite indicado por la expresión 1-1. La presión que ejerce el suelo congelado al expanderse aún no está determinada con exactitud, pero es, desde luego, de gran magnitud y teóricamente puede llegar a valores de un orden extraordinario, que exceden en mucho a las car­ gas usuales sobrepuestas. Así, cualquier estructura situada sobre el suelo, se eleva juntamente con él. Por otra parte, durante el deshielo que ocurre al iniciarse la primavera, la zona congelada de suelo se funde, proceso que, general­ mente, dura algunas semanas y va acompañado de asentamientos del subsuelo. La magnitud de este asentamiento en un suelo dado depende, fundamentalmente, de si se han formado o no en ese suelo lentes de'hielo puro durante la época de congelación. En el caso de suelos no susceptibles a la helada, en que el congelamiento no formó lentes de hielo, el asentamiento está acotado por la expresión 1-1; sin embargo, el valor real de tal asentamiento no puede exceder el aumento de volumen causado por el proceso previo de congelación. En suelos susceptibles a la helada, en los que el congelamiento haya formado lentes de hielo, al fundirse éste se tiene el efecto adicional del colapso de las bóvedas de las cavidades antes llenas de hielo, por lo que el asentamiento puede aumentar en forma notable; los asenta­ mientos diferenciales asociados a este fenómeno son frecuente fuente de problemas para estructuras suprayacientes, específicamente para caminos, aeropistas, etc. En el caso de suelos que formen taludes o laderas, la acción de la helada produce en esencia un movimiento de las partículas hacia el pie del talud. Si el material no es susceptible a la helada, las partículas de suelo colocadas en la superficie del talud se desplazan normalmente a dicha superficie, durante el proceso de congelación; durante el deshielo esas partículas descienden verticalmente, con un desplazamiento neto resultante hacia el pie del talud en la dirección de su superficie. Si los suelos son susceptibles, en especial si son limosos, la mayor parte del desplazamiento de las partículas ocurre durante la licuación posterior de los lentes de hielo formados en el período de congelación, paralelamente a la superficie del talud; esta licuación hace que el suelo colocado sobre los lentes de hielo se desintegre y fluya prácticamente como un líquido viscoso; este fe­ nómeno se conoce con el nombre de solifluxión. En el caso de muros de retención, la congelación del agua libre en el suelo detrás de la estructura, produce un aumento de presión sobre ellos, el cual es, desde luego, mucho mayor en suelos suscep­ tibles a la helada. Este aumento de presión, reiterado frecuentemente a través del tiempo, puede terminar por producir el colapso de la estructura. Si los muros son de concreto reforzado, la falla puede

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llegar a presentarse por esfuerzo cortante en la sección entre el muro propiamente dicho y su losa de cimentación. En los suelos susceptibles a la helada, el espesor de los lentes de hielo formados depende de varios factores, entre los que pueden enumerarse el grado de susceptibilidad del suelo, la facilidad del drenaje (tanto para absorber, como para ceder agua), la intensidad del frío y duración del mismo, especialmente este último factor. Las soluciones que se han adoptado para evitar la acción nociva del congelamiento de las capas superficiales del terreno por efecto climático pueden agruparse en tres tipos diferentes: a) Substitución de los suelos susceptibles a la helada por otros no susceptibles, hasta la profundidad necesaria para llegar a niveles más abajo que la penetración del efecto climático exterior. b) Drenaje adecuado para abatir el nivel freático a una profun­ didad mayor que la altura máxima de ascensión capilar del suelo. c) Conversión del sistema abierto existente en cerrado. Esto se logra excavando hasta la profundidad de congelación y colocando a ese nivel una capa de material grueso, no capilar. Posteriormente volverá a rellenarse la excavación con el material original. Lo anterior ha sido aplicado principalmente a caminos y aeropistas. Además de los cambios volumétricos anotados en los párrafos an­ teriores, la fase del deshiélo en los suelos produce una disminución de la resistencia al esfuerzo cortante de los mismos y consecuente­ mente, una disminución de su capacidad de carga. Esto es fácilmente explicable tomando en cuenta lo expuesto en el Capitulo X II del Volumen I de esta obra, pues al fundirse el hielo y tratar el suelo de comprimirse, el agua experimentará presiones en exceso de la hidrostática, que sólo se disipan cuando el agua haya sido totalmente drenada, lo cual sucede normalmente en periodos de dos o tres meses, a no ser que se hayan tomado precauciones especiales en lo referente al drenaje.

1-3.

Clasificación de suelos de acuerdo con su susceptibilidad a la helada

Según A. Casagrande2, un suelo puede considerarse como no susceptible a la helada si posee menos de un 3% de partículas me­ nores de 0.02 mm. El intervalo crítico en el cual el material empieza a mostrarse susceptible está entre 3% y 10% de contenido de aque­ llas partículas, dependiendo de sus características granulométricas. Los suelos susceptibles a la acción de las heladas pueden clasifi­ carse como se muestra en la Tabla 1-1, ampliamente usada por los técnicos de todo el mundo. En esa tabla los suelos aparecen agrupa­ dos en orden creciente de susceptibilidad.

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TA BLA 1-1 TIPO D E SU ELO

GRUPO

Fi f

2

F 3—a F ,~ b F t—c F*~a F t—b F t—c F t~ d

Gravas con 3% a 20% de partículas menores que 0.02 mm. Arenas con 3% a 15% de partículas menores que 0.02 mm. Gravas con más del 20% de partículas menores que 0.02 mm. Arenas (excepto las finas limosas), con más del 15% de partículas menores de 0.02 mm. Arcillas (excepto finamente estratificadas) con lp > 12 Todos los limos inorgánicos, incluyendo los arenosos Arenas finas limosas con más del 15% de partícu­ las menores de 0.02 mm. Arcillas con 7p < 12 Arcillas finamente estratificadas

Los suelos más peligrosos desde el punto de vista de la acción de la congelación son aquellos en que...