Estudio De Suelos 6i6t1v

Capítulo I INTRODUCCIÓN.

En la época actual, la construcción de todo tipo de obras civiles demanda un buen control de calidad en todas sus etapas, tanto de diseño como de construcción, lo que implica el conocimiento

de las propiedades y del comportamiento de los distintos materiales

involucrados, entre los cuales se encuentra el suelo. Los suelos son el material de construcción más antiguo y complejo, debido a su gran diversidad y a sus características mecánicas, las cuales se ven afectadas directamente por factores externos, presentes en el lugar donde se localizan. Es responsabilidad del ingeniero civil, el estudio de dicho comportamiento así como la interacción del suelo con cualquier tipo de estructura. La mecánica de suelos, es la ciencia mediante la cual se integran de forma sistemática y organizada los estudios que nos permiten obtener datos firmes y confiables del suelo. Estos datos proveen al ingeniero civil una concepción razonablemente exacta de las propiedades físicas del suelo, para ser consideradas en las distintas etapas de un proyecto (Sowers,1979). El laboratorio de mecánica de suelos, es el medio mediante el cual se obtendrán este conjunto de datos. En una primera fase se lleva acabo la clasificación, la cual nos ayudara a definir el problema que se presenta, y a partir de la cual se determinaran las pruebas requeridas para determinar las características de deformación y resistencia a los esfuerzos del suelo.

1.1

Justificación

El proyecto productivo San Bernardino Tlaxcalancingo, tiene como objeto beneficiar a 117 familias productoras de nopal en dicha comunidad, aportando tecnología para la producción y el procesamiento de nopal, para su posterior comercialización en el mercado nacional y

1

extranjero. Dicho proyecto fue liderado en su diseño e implementación por la Universidad de las Américas, Puebla, a través del Centro de Desarrollo Regional, dirigido por la doctora Olga Lazcano. El financiamiento se dio a través de le Secretaría de Economía,

mediante el

Fideicomiso de Fomento a las Pequeñas y Medianas Empresas (PYMES) , la Secretaría de Desarrollo Económico del estado de Puebla y el Municipio de San Andrés Cholula. Los Remedios, es una planta industrial, dedicacado al procesamiento y embasado de distintos productos de nopal, perteneciente a la Sociedad de Productores de Nopal de San Bernardino Tlaxcalancingo, el complejo constará de tres naves, actualmente ya se encuentra trabajando la primera desde noviembre del 2004. En la primera nave se llevaron acabo dos estudios de mecánica de suelos. El primero de manera preeliminar y que proporcionó los datos necesarios, para el diseño de la cimentación y de la estructura del edificio. El segundo, se ejecuto una vez concluida la construcción del inmueble, y ante la necesidad de explicar una serie de daños presentes en el edificio de fallas estructurales, que preocuparon a los encargados de la operación de la planta. Ambos estudios arrojan resultados discrepantes tanto en la clasificación, como en la descripción del comportamiento de los estratos, situación que llevó a cuestionar, la eficiencia del diseño así como la calidad de la construcción del inmueble. Debido a esta situación, el Centro de Desarrollo Regional, solicitó la realización de un tercer estudio, que permitiera hacer un análisis comparativo de los dos estudios previos, y formular una opinión en cuanto a la pertinencia de los mismos. Por ello necesario realizar un estudio de mecánica de suelos que proporcione datos confiables, que pudieran dar soporte a alguno de los estudios previamente realizados y constituyan una herramienta certera, que permita diseñar con seguridad futuros proyectos en la zona, como lo es, segunda planta del complejo, la cual se tiene intenciones de construir en un corto plazo y que será colindante y perpendicular a la ya existente.

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Figura 1.1 Planta procesadora de nopal Los Remedios, San Bernardino Tlaxcalancingo.

1.2 Objetivo General El objetivo de este trabajo es el realizar un estudio de mecánica de suelos, que nos proporcione datos suficientes para realizar un análisis comparativo entre los estudios realizados previamente, y eventualmente validar alguno de ellos. Asimismo proporcionar un estudio confiable para el proyecto de una segunda planta, que se ubicara en el terreno aledaño a la ya existente.

1.3 Descripción del Problema En el sitio donde actualmente se encuentra la planta procesadora de nopal, se realizaron dos estudios de mecánica de suelos, el primero realizado antes de la construcción, este estudio permitiría conocer las características del suelo en el lugar y estimar su capacidad de carga para proponer el tipo de cimentación más adecuada y la profundidad de desplante. Dicho estudio fue realizado por la empresa Asesoría Técnica (ATEC). Una vez concluida la construcción de la nave industrial y estando en operación la planta se presentaron problemas de asentamientos, por lo que se realizo un segundo estudio cuyo objeto fue verificar los parámetros obtenidos en el primero, explicar la presencia de hundimientos

3

diferenciales entre las losas de concreto que conformaban el sistema de piso de la planta, y el hundimiento de columnas en las oficinas de la planta. Este estudio fue realizado por la empresa ROCCA consultores.

Figura 1.2. Daños presentes en la planta procesadora de nopal.

Al revisar ambos estudios, así como la bitácora de obra, la cual fue elaborada por personal del Centro de Desarrollo Regional, y que representa el único registro de la construcción de la planta, pudimos observar los siguientes puntos de discrepancia, que a su vez definieron el rumbo de nuestro proyecto.

4

1)

Los dos sondeos realizados por ambos estudios, muestran variación en cuanto al

número de estratos y el espesor de los mismos. 2)

La clasificación de dichos estratos varía en los dos estudios, principalmente la

referente al estrato 3. 3)

La clasificación del estrato 3 es el principal punto de discrepancia entre ambos

estudios. Principalmente en lo referente a su capacidad resistente y su potencial expansivo. 4)

El diagnostico emitido por el estudio 2, responsabiliza de los daños observados en la

nave, a la mala calidad del estrato 2 presente en el subsuelo de la planta, y su efecto sobre la construcción. 5)

Al estudiar el procedimiento constructivo de la nave, mediante la bitácora, observamos

deficiencias, en la construcción del terraplén, al no asegurar la calidad en la compactación del mismo, y no recubrir los taludes para evitar su erosión. Esta situación que pudo influir en el comportamiento de la estructura. Sin embargo estas observaciones, quedaron fuera de nuestro estudio.

1.4 Objetivos Específicos. Después de observar los anteriores puntos de manera general, establecimos los siguientes objetivos específicos de nuestro proyecto:

1)

Realizar el estudio de mecánica de suelos, en un terreno aledaño a la planta

procesadora de nopal. El cual nos permita identificar plenamente los diferentes estratos, tanto en su estructura en el subsuelo como su correcta clasificación. 2)

Estudiar específicamente los estratos localizados entre los 0.9 y 2.2m de

profundidad, determinar nuevamente las características mecánicas descritas en los dos estudios.

5

3)

Realizar un análisis comparativo de nuestros resultados, con los obtenidos por ambos

estudios, y proporcionar respaldo para poder validar los resultados obtenidos por alguno de ellos. 4)

En función a los resultados obtenidos, emitir un juicio fundamentado a cerca del

origen de los daños presentados en el inmueble.

De acuerdo a lo establecido en los párrafos anteriores este trabajo estará organizado de la siguiente manera.

Capitulo I. Capitulo introductorio, en

donde

se hace

planteamiento del problema y se explica la

justificación del proyecto, planteando los objetivos generales y específicos del proyecto, y mostrando la secuencia que tendrá este trabajo.

Capitulo II En este capitulo se hace un análisis comparativo de los estudios previos que, constituyen los antecedentes de este proyecto, se analiza punto por punto el contenido de cada estudio y se comparan los resultados. Los puntos descritos en este capitulo definen la metodología del estudio de mecánica de suelos.

Capitulo III Estudio de mecánica de suelos, se llevan acabo las pruebas de campo y de laboratorio, así como el cálculo de los distintos parámetros que llevaran finalmente a integrar los resultados del estudio, en base a métodos estandarizados.

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Capitulo IV En este capitulo se hace la interpretación de todos los cálculo numéricos, así como de las observaciones empíricas, obtenidos en el capitulo III, se presentan los resultados de

estructurada de tal forma que la comparación de resultados se haga de manera ágil y ordenada.

Capitulo V Este capitulo constituye el análisis comparativo entre nuestros resultados y los obtenidos en los estudios anteriores, estableciendo los puntos de concordancia y discrepancia con cada uno de ellos, validando así los resultados obtenidos por cada estudio.

Capitulo VI En este capitulo se da una conclusión acerca del origen de los daños presentes en el inmueble, y se hacen recomendaciones acerca del comportamiento del material presente en el sitio.

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Capítulo II ANÁLISIS DE LOS ESTUDIOS PREVIOS.

Como ya mencionamos, se llevaron dos estudios en la planta procesadora de nopal, El primero de manera preeliminar, realizado por la empresa ATEC y al cual nos referiremos en lo posterior como estudio 1 y el realizado después de concluida la obra, y estando la planta en funcionamiento, Este estudio lo realizó la empresa ROCCA Consultores y no al cual nos referiremos como estudio 2.

2.1 Estratigrafía. Los perfiles estratigráficos de ambos estudios, son diferentes tanto en el tipo de suelo, como en el número de estratos y su espesor, como en su clasificación. A continuación mostraremos . Los sondeos del primer estudio, se llevaron acabo mediante penetración estándar, hasta una profundidad de 12m, ambos sondeos detectan distinto número de estratos, así como su espesor, como se muestra en la figura 2.1. El estudio considera que los estratos mas representativos son los localizados entre los 2 y los 9 metros. Dichos estratos fueron clasificados de acuerdo al sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), ambos estratos fueron clasificados como arcilla de alta compresibilidad CL.

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Figura 2.1. Estratigrafía sondeo 1, ATEC.

9

Figura 2.2. Estratigrafía sondeo 2, ATEC.

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El primer estrato, como ya mencionamos se clasifico como CL, arcilla de baja compresibilidad, descrita como una arcilla de color gris-claro verdoso de consistencia firme, resistente y prácticamente indeformable para las solicitaciones del proyecto. Dicho estrato se extiende desde los 2m hasta los 4m, según el perfil de la figura 2.2. Aunque ellos mencionan que sólo tiene 50cm de espesor. El siguiente estrato se extiende desde los 4m hasta los 9 y 11m, según el perfil, sin embargo, su reporte lo define como de 2.5m de espesor en promedio. Este estrato se clasifica igualmente como CL, arcilla de baja compresibilidad, y se describe como una arcilla arenosa, color café-claro de consistencia firme. Aparentemente el estrato superior, de espesor menor se clasificó como un ML, limo de baja compresibilidad, y se describe como un limo arenoso de color gris oscuro, este estrato se extiende desde los 0m hasta 2m aproximadamente. Los datos correspondientes a la plasticidad, distribución granulométrica y otras propiedades necesarias para su clasificación, están disponibles solamente para los primeros estratos mencionados. El estudio 2, llevó acabo su sondeo mediante 2 barrenos directos semiprofundos, hasta 3m de profundidad, con tubo Denison y Shelby, en el interior de la planta. Y mediante un pozo a cielo abierto de 2m de profundidad en el exterior. Estos sondeos detectaron hasta su máxima profundidad, tres estratos distintos como se muestra en la figura 2.3.

De acuerdo con lo mostrado en este estudio, el espesor de los estratos es aparentemente constante y se clasificó de la siguiente manera.

11

•

El primer estrato, se extiende de 0m hasta los 0.9m de profundidad, Lo clasifica como ML, limo de baja compresibilidad, y lo describe como un limo arenoso y sirve como tierra de labor.

CAPA VEGETAL

N.T.N.

0.9m DE LIMO ARENOSO (ml) INORGANICO GRIS CLARO (MATERIAL INERTE)

2m 0.8M DE ARCILLA EXPANSIVA (CH) DE COLOR NEGRO-GRIS OSCURO (BUFAMIENTO AL SATURARSE)

0.3M DE ARENA ARCILLOSA (SC) DE COLOR CAFE CLARO A GRIS (TEPETATE SANO RESISTENTE)

Figura 2.3. Sondeo, pozo a cielo abierto, ROCCA.

•

El segundo estrato, se extiende desde 0.9m hasta 1.7m. Lo clasifica como CH, arcilla de alta compresibilidad, y la describe como una arcilla de color gris oscuro y negro, altamente expansiva.

•

El tercer estrato se extiende desde 1.7m hasta 3.0m de profundidad. Lo clasifica como SC, arena arcillosa, y la describe como una arena arcillosa de color caféclaro, terreno sano.

Todos lo parámetros que llevaron a dicha clasificación se encuentran disponibles en el documento anexo. El perfil estratigráfico del estudio 2 se muestra en la figura 2.4.

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Figura 2.4. Estratigrafia, ROCCA

De acuerdo a las profundidades descritas en ambos estudios los estratos que presentan mayores diferencias en cuanto a su clasificación y en cuanto a la predicción de su comportamiento son los estratos referencia

localizados entre 1.5m y 3m, (tomando como

el sondeo más superficial), siendo especialmente contradictorio el

diagnostico del segundo estrato, que es el material localizado entre 1.5m y 2.3m.

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Dicho estrato, es el principal punto de desacuerdo entre ambos estudios, el estudio1 lo define como firme, resistente y prácticamente indeformable para las solicitaciones del proyecto, mientras que el estudio 2, lo define como altamente expansivo e indeseable.

2.2 Capacidad de Carga y Cimentación. Ambos estudios calcularon la capacidad de carga de acuerdo con el método de Karl Terzaghi, por cohesión aparente. El estudio 1 realizó el calculo de la capacidad de carga para el segundo estrato, suelo localizado según su estudio a 2m bajo el nivel de terreno natural. La capacidad de carga calculada se muestra en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Capacidad de carga, estudio 1

Profundidad

Clasificación

2.0m

CL

Capacidad de c arga 21.7ton/m2

Cohesión aparente 1.687kg/cm2

El estudio 2 realizó cálculos de capacidad de carga para los tres estratos presentes en su estudio, solamente analizaremos el correspondiente al segundo y tercer estrato que son los que a nosotros interesa (tabla 2.2).

Tabla 2.2 Capacidad de carga, estudio2

Profundidad 1.3 2.35

Clasificación ML CH

Capacidad de carga 8.2ton/m2 1.13ton/m2

Cohesión aparente 0.48kg/cm2 No esp.

En base a la capacidad de carga calculada, el estudio 1, determinó que el sistema de cimentación, sería resuelto a partir de zapatas aisladas, desplantadas a una profundidad de 2m bajo el nivel de terreno natural. Podemos observar que las capacidades de carga

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calculadas en ambos estudios, para el material presente a los 2.0m en promedio de profundidad son muy distintas.

2.3 Resultados, Conclusiones. Las conclusiones y recomendaciones de ambos estudios muestran en resumen los resultados obtenidos en cada uno de ellos, así como las soluciones que consideraron mas convenientes de acuerdo a la situación que cada uno plantea. El estudio 1, dice que la cimentación deberá ser a base de zapatas aisladas, que se desplantaran a una profundidad de 2m, sobre un terreno firme y resistente CL (arcilla de baja compresibilidad). Además recomendó que los rellenos y terraplenes se construyeran con material producto de la excavación, en capas de 20cm y al 90% de su PVSM. Menciona que los asentamientos inmediatos del terreno bajo las cimentación serán mínimos y prácticamente despreciables. Y los asentamientos bajo incrementos de carga futuros serán nulos. El estudio 2 determinó que, el estrato ubicado entre 0.9m y 1.7m, es una arcilla de alta compresibilidad CH, altamente expansiva e indeseable. Diagnostica que las fallas presentadas por la estructura, son producto del “bufamiento” de dicha arcilla al aumentar su contenido de agua. Propone como solución al mismo problema la construcción de un drén perimetral que permita desalojar el agua que escurra de los terrenos aledaños antes de entrar en o con dicho material. Menciona también que la cimentación fue resuelta por medio de una losa de cimentación de concreto armado, argumento que fue desechado al revisar la bitácora de obra y comprobar la construcción de dichas zapatas.

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Al revisar cuidadosamente la bitácora de obra, encontramos incertidumbre en cuanto al procedimiento constructivo llevado acabo y el aseguramiento de la calidad del mismo y la eficiencia del diseño de obras complementarias. Específicamente no es posible corroborar la calidad en la compactación de la plataforma sobre la que se desplanta la nave, y el drén perimetral, el cual indica la preocupación de los constructores y demás involucrados, acerca del comportamiento del suelo subyacente. La aclaración de estas incógnitas no entran dentro de este trabajo, pero sin duda deberán ser tomadas en cuenta en las conclusiones del estudio y no se puede descartar una posible influencia de estos factores en el problema presentado.

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Capítulo III ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS. El estudio de mecánica de suelos, como ya se mencionó sirve para determinar el conjunto de características que nos permitirán obtener una concepción razonable del comportamiento mecánico del suelo en estudio. Las pruebas realizadas en este estudio de mecánica de suelos, fueron determinadas por tres factores principalmente. Las facilidades con que cuenta el laboratorio de mecánica de suelos de la Universidad de Las Américas. En segundo lugar, por el uso que se les dará a los terrenos donde se llevó acabo el estudio, que es la construcción de una segunda nave. Y por último, el análisis de los puntos de discrepancia entre los estudios previamente realizados, puntos descritos en el capítulo anterior. El procedimiento de prueba utilizado en los diferentes ensayos de laboratorio fue indicado por el personal del laboratorio de mecánica de suelos de la Universidad de las Américas, Puebla. Dicho procedimiento se apega a la normativa del Instituto Mexicano del Transporte, adecuándolo a las instalaciones propias del laboratorio.

3.1

Características Geológicas y Geográficas del Sitio.

El terreno donde se localiza la planta procesadora de nopal, “Los Remedios” ubicada en la comunidad de San Bernardino Tlaxcalancingo, municipio de San Andrés Cholula, está ubicado al poniente de la ciudad de Puebla, la localización exacta se muestra en la figura 3.2. Se localiza en las coordenadas 98°17’ de longitud Oeste y 19°02’ latitud Norte. Esta situada en la provincia del eje neo volcánico, región que se caracteriza por ser una franja de rocas volcánicas de diferentes tipos. Según la carta geológica E14B43 de INEGI (fig 3.3), el principal afloramiento de la zona es una Toba andesitita (Ta), de 40cm de espesor aproximadamente, originada en el terciario

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superior, de fracturamiento escaso y baja permeabilidad. Es descrita como de textura arenosa y frágil y de color pardo claro. El terreno, está ubicado en la parte posterior de la planta,

sobre un terreno

sensiblemente plano, que era utilizado anteriormente como tierra de labor.

Figura 3.1. Sitio en estudio, terreno aledaño a la nave industrial.

18

Figura 3.2, Localización de la planta procesadora de nopal Los Remedios.

19

Figura 3.3. Principales afloramientos geológicos, carta E14B43, INEGI 1985.

20

3.2

Sondeo y Extracción de Muestras.

El objetivo de la investigaciones exploratorias es el de poder determinar información precisa de las características del suelo y de la roca en el lugar en que se investiga. Como pueden ser, la profundidad, espesor, extensión y composición de cada uno de los estratos; la profundidad de la roca; la profundidad del agua subterránea.

Como ya mencionamos los sondeos para la extracción de muestras se hicieron mediante pozos a cielo abierto. Se abrieron dos pozos de aproximadamente tres metros de profundidad en el terreno aledaño al la nave. En ambos pozos encontramos el perfil que se muestra en la figura 3.5, dichos espesores se describen a continuación:

•

El terreno superficial se conformaba de una capa 12cm de espesor, constituida de balasto, seguido de una capa de entre diez y doce centímetros de material de mejora. Consideramos que ambas capas no pertenecen al terreno natural y que fueron colocadas posteriormente a la construcción, con la intención de mejorar la superficie natural del terreno, y evitar la formación de lodos en la superficie.

•

El primer estrato que consideramos se encuentra aproximadamente a 30cm de la superficie del terreno, este corresponde al terreno de labor, presenta un color gris muy oscuro y un olor representativo de la inclusión de materia coloidal. Este estrato tiene un espesor aparentemente constante a lo largo del terreno de 40cm.

•

El segundo estrato, se encuentra a 70cm de la superficie del terreno, es igualmente de color gris oscuro, pero de textura arenosa. No presenta olor característico como el primer estrato y tiene un espesor entre 35 y 40cm.

•

El tercer estrato, se localiza a 1.1m de la superficie del terreno, es de color gris oscuro y de material más fino que el de los estratos superiores, presenta una alta

21

plasticidad y tenacidad, no presenta olor que indique la presencia de materia orgánica, su espesor es de 1.40 metros. •

El cuarto estrato, se localiza a 2.5m de la superficie del terreno, a simple vista se observa que tiene partículas mas grandes que el estrato tres, es de color café claro, no presenta gran plasticidad y se desmorona al ser manipulado y secarse. El espesor no esta definido puesto que la excavación alcanzo solamente 3.3m, presentándose el mismo suelo desde los 2.5m

Figura 3.4. Excavación de pozos a cielo abierto.

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Se obtuvieron muestras inalteradas mediante tubo Shelby, estas muestras fueron llevadas al laboratorio en bolsas de plástico, etiquetadas y depositadas en baño María a temperatura ambiente hasta el momento en que fueron analizadas. También se extrajeron muestras alteradas de los distintos estratos mediante herramientas manuales, las muestras fueron secadas al horno, disgregadas y almacenadas en un lugar seco, para posteriormente llevar acabo las distintas pruebas que se requirieron.

N.T. material de mejora 0.25m

estrato I 0.4m estrato II 0.4m

estrato III 1.4m

estrato IV indefinido mayor a 0.85m

Figura 3.5. Estructura de los estratos en el sondeo.

23

a)

b) c) Figura 3.6. a) Obtención de muestras inalteradas. b) obtención de muestras alteradas. c) almacenamiento e identificación de muestras inalteradas.

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3.3

Trabajos de Laboratorio.

3.3.1 Relaciones Gravimétricas y Volumétricas. Todos los suelos se componen de tres fases, sólida, liquida y gaseosa. La fase sólida esta constituida por las partículas minerales, la parte liquida esta representada principalmente por agua, y la gaseosa por aire (Juárez y Rico, 2004). Todas las fases ocupan un determinado volumen, y representan un determinado peso, con respecto al total de una muestra. Las relaciones entre el peso de las distintas fases constituyentes del suelo y el volumen que estas ocupan, dan lugar a las relaciones gravimétricas y volumétricas. Es posible

determinar estas relaciones en el laboratorio mediante métodos

relativamente sencillos y son de gran importancia dentro de la mecánica de suelos, ya que son necesarias para la correcta aplicación de las distintas teorías y brindan significado y sentido físico a las distintas propiedades mecánicas del suelo.

3.3.1.1 Peso Volumétrico El peso volumétrico en estado natural del suelo o peso especifico de la masa de suelo, es la relación entre el peso del mismo y el volumen que ocupa.

γm = Donde :

Wm Vm

Wm :es la masa del suelo. Vm : es el volumen total de la muestra de suelos.

El procedimiento de laboratorio que utilizamos para la determinación del peso especifico, fue mediante el labrado de muestras de suelo, en forma de cuerpos bien

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definidos, en este caso cilindros como los tubos muestreadores, para la determinación del

volumen,

midiendo

físicamente

todas

sus

dimensiones.

Y

pesándolas

posteriormente. a)

b)

Figura 3.7. a) labrado de muestras; b) medición de muestras labradas.

Los pesos volumétricos obtenidos para cada estrato se muestran en la tabla 3.1.

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3.3.1.2 Determinación de la Humedad Natural El contenido de agua de un suelo o contenido de humedad es la relación entre el agua contenida en el mismo y el peso de su fase sólida, y se expresa en forma de porcentaje. Este puede variar entre 0 e ∞ dependiendo de las condiciones de humedad del sitio donde se localice el suelo. (Juárez, Rico, 2004 p.54) La cantidad de agua se obtiene mediante la diferencia de peso entre el suelo en estado natural y el suelo secado en horno. La relación que expresa la humedad de un suelo es la siguiente.

w% =

Ww *100 Ws

Donde: Ww: es el peso del agua. Ws : es peso del suelo seco.

Los resultados que obtuvimos de esta prueba para los diferentes estratos se presentan en la siguiente tabla 3.1.

3.3.1.3 Peso especifico relativo de sólidos Ss. El peso específico relativo, se define como el peso especifico del suelo con respecto al peso específico del agua a 4°C, destilada y sujeta a presión atmosférica (Juárez, Rico, 2004 p.53).

Ws γs Vs Ss = = γo Wo Vo Donde:

Ws : peso de los sólidos. Vs : volumen de los sólidos. Wo : peso del agua. Vo : volumen del agua.

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Para determinar este parámetro se utilizo un procedimiento donde prácticamente se igualen los volúmenes de agua y de suelo, mediante un matrás de volumen definido, quedando la ecuación expresada en función de los pesos, de la siguiente forma. Ss =

Donde :

Ws Ws + Wfw − Wfsw

Wfw = peso del matrás + agua. Wfsw = peso del matrás con agua y suelo.

El Procedimiento de prueba consiste en llenar un matraz cuyo volumen esta bien definido mediante una marca de enrase, con agua destilada (Wfw), posteriormente llenar el mismo matrás con agua y 50gr. de suelo y agua destilada (Wfsw). A este matraz se le debe absorber el aire atrapado entre las partículas de suelo mediante una bomba de vacío. La diferencia de peso entre los dos matraces es el peso del agua desplazada por el suelo, siempre y cuando no haya variación en la temperatura del agua, lo que afectaría su densidad.

Figura 3.8. Determinación del peso específico relativo de sólidos Ss.

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Este procedimiento lo aplicamos a los estratos 3 y 4, debido a que son los de mayor importancia para este proyecto, obteniendo los siguientes resultados, los resultados se reportan en la tabla 3.1.

3.3.1.4 Relación de Vacíos. Otra de las relaciones que calculamos fue la relación de vacíos, oquedad o índice de poros, esta se define como la relación que existe entre el volumen de vacíos y el de sólidos del suelo (Juárez, Rico, 2004 p.54). e=

Vv Vs

donde : e: es la relación de vacíos Vv : es el volumen de vacíos Vs : es el volumen de sólidos

Vs =

Ya que

Ws Ssγ

y Vv = Vm-Vs Entonces pudimos determinar la relación de vacíos, de los estratos 3 y 4, los resultados se encuentran reportados en la tabla 3.1

Tabla 3.1. Relaciones volumétricas y gravimétricas para cada estrato.

Relación de vacíos e

10.11 27.13 50.25

Peso específico relativo de Sólidos Ss --2.4

36.73

2.7

1.468

Estrato

Peso volumétrico (ton/m3)

Contenido natural de Agua (%)

1 2 3

1.412 1.399 1.716

4

1.495

--1.102

Nota: Los cálculos realizados para la obtención de los parámetros anteriores se encuentran reportadas en el anexo 2-A.

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3.3.2 Clasificación La clasificación de los suelos fue uno de los primeros objetivos de la mecánica de suelos. Antiguamente dicha clasificación se hacía en base a criterios puramente descriptivos. Actualmente la clasificación de suelos esta basada en las propiedades mecánicas de los suelos. El sistema que utilizamos para la clasificación de los distintos estratos, fue el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), el cual deriva directamente del Sistema de Clasificación de Aeropuertos, propuesto en 1942 por el Dr. Arturo Casagrande, en la universidad de Harvard, y orientado hacia obras aeroportuarias, (Juárez y Rico, 2004). El SUCS, es actualmente el sistema más empleado en el mundo, y funciona dividiendo el suelo en dos grandes grupos. El primer grupo es la fracción “gruesa”, que esta conformada por las partículas mayores a la malla #200 (0.074mm). Y el segundo es la parte “fina”, la cual esta conformada por todas aquellas partículas menores a la malla 200. Se considera un suelo grueso, cuando el 50% del peso de una muestra queda retenido en la malla 200. Los suelos gruesos se subdividen en: a) gravas de símbolo genérico G. b) arenas, de símbolo genérico S. Las gravas y las arenas se separan con la malla #4 (4.76mm). Se considera como grava a todo el material retenido en dicha malla, El material que pasa la malla #4 y es retenido en la malla # 200, es una arena. Estos grupos G y S, se subdividen en cuatro grupos más, en función de su gama de tamaños, de la presencia de finos y la plasticidad de los mismos. De esta forma a cada grupo formado se le asigna un símbolo conformado por dos letras mayúsculas.

30

Cuando el 50% del peso total de la muestra traspasa la malla # 200, se dice que el suelo es fino. De la misma forma que los suelos gruesos, los finos se subdividen en tres grupos, en función de su índice plástico (IP). Estos tres grupos son: a) Limos inorgánicos, de símbolo genérico M. b) Arcillas inorgánicas, de símbolo C. c) Arcillas y limos orgánicos de símbolo genérico O. Al igual que los suelos gruesos, el símbolo consta de dos letras, esta segunda letra es asignada en función de su grado de compresibilidad, definida por el límite líquido (LL), esta segunda letra puede ser H, para una alta compresibilidad o L, para baja compresibilidad. Las divisiones entre los grupos de suelos finos son claramente definidos en la carta de plasticidad.

Figura 3.9. Carta de plasticidad, Juárez Badillo, Rico Rodríguez, Tomo 1, capitulo VII Pp.155

31

3.3.2.1

Granulometría

Como ya hemos visto, la granulometría es muy importante en el proceso de clasificación de suelos, ya que permite en primera instancia separar la fracción gruesa de la fina. Además las características del tamaño de las partículas de un suelo, tienen gran importancia en su comportamiento mecánico, e influyen considerablemente en la compactación adecuada de los suelos. La estabilidad de un suelo depende de su cantidad de vacíos, mientras esta sea menor mejor será el comportamiento del mismo. Para lograr que los vacíos de un suelo sean reducidos al mínimo es necesario que el material tenga una gama de tamaños que permita que los huecos resultantes del acomodo de las partículas mayores, sean ocupados por partículas mas pequeñas. La forma de medir el tamaño de las partículas del suelo grueso es mediante el cribado, consiste en pasar el material a través de una sucesión de mallas de aberturas distintas, y pesar el material retenido en cada malla, expresándolo en forma de porcentaje respecto al peso total de la muestra. Nosotros realizamos el análisis granulométrico simplificado, al cual nos permite eliminar una serie de mallas, cuyo tamaño es apreciablemente mayor al tamaño máximo del suelo. De esta forma utilizamos las mallas num.4, 8, 16, 30, 50, 100, y 200. El procedimiento de cribado es aplicable solamente a las partículas gruesas del suelo, es decir a las mayores a 0.075mm, representada por la malla número 200.Debido a esta condición, primeramente separamos las partículas gruesas de las finas a través de un lavado, el cual consiste en mezclar el suelo con agua, permitiendo que las partículas finas queden suspendidas en el liquido y se filtren a través de la malla N° 200, el análisis granulométrico para las partículas finas se determinó por medio de la prueba del hidrómetro, el cual describiéremos mas adelante.

32

Figura 3.10. Lavado de muestras, a través de la malla #200.

Posteriormente, se sometió a un proceso de secado, el material retenido en la malla, para después pasar al proceso de cribado y pesado.

33

a)

b)

c)

Figura 3.11. a–c proceso de cribado y pesado del material, en la prueba de granulometría.

Después del cribado obtuvimos las siguientes curvas granulométricas de los distintos estratos.

34

Tabla 3.2. Granulometria estrato 1.

Estrato 1 # Malla Peso total (gr.) 399.6

4 8 16 30 50 100 200 <200 Σ

Peso retenido (gr.) 4.87 2.23 15.36 87.49 39.43 29.57 36.59 183.47 399.01

% Peso retenido 1.218718719 0.558058058 3.843843844 21.89439439 9.867367367 7.3998999 9.156656657 45.91341341 99.85

Grava Arena Finos

% Peso retenido acumulado 1.219 1.777 5.621 27.515 37.382 44.782 53.939 99.852

% Que pasa la malla 98.78 98.22 94.38 72.48 62.62 55.22 46.06

1.2% 52.7% 46.1%

% que pasa

granulom e tria e s trato 1 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0.01

0.1

1

10

abertura (m m )

35

Tabla 3.3. Granulometría estrato 2

Estrato 2 # malla

peso retenido (gr.)

peso total (gr.) 285.6

% peso retenido

% peso retenido acumulado

% que pasa la malla

4

0.505

0.18

0.18

99.82

8

3.495

1.22

1.40

98.60

16

24.398

8.54

9.94

90.06

30

72.147

25.26

35.20

64.80

50

65.881

23.07

58.27

41.73

100

22.87

8.01

66.28

33.72

200

16.201

5.67

71.95

28.05

<200

80.02

28.02

Σ

285.517

99.97

Grava

0.2%

Arena

71.8%

Finos

28.0%

granulometria estrato 2 100.0

% que pasa

80.0 60.0 40.0 20.0 0.01

0.1

1

10

abertura (mm.)

36

Tabla 3.4. Granulometría Estrato 3

Estrato 3 # malla peso total (grs)

peso retenido (grs)

4 428.4

0

% peso retenido

% peso retenido acumulado

0.00

0.00

100.00

% que pasa la malla

8

0

0.00

0.00

100.00

16

0.13

0.03

0.03

99.97

30

1.267

0.30

0.33

99.67

50

6.816

1.59

1.92

98.08

100

20.84

4.86

6.78

93.22

200

25.5

5.95

12.73

87.27

<200

372.18

86.88

Σ

426.733

99.61

Grava

0%

Arena

12.7%

Finos

87.3%

% del peso que pasa

granulometria estrato 3 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01

0.1

1

10

tamaño en mm

37

Tabla 3.5. Granulometría estrato 4

Estrato 4 peso total (grs) 293.6

# malla

peso retenido (grs) 0 0.388 0.934 2.024 6.121 17.69 19.77 246.65 293.577

4 8 16 30 50 100 200 <200 Σ

Grava Arena Finos

% peso retenido 0.00 0.13 0.32 0.69 2.08 6.03 6.73 84.01 99.99

% peso retenido acumulado

% que pasa la malla 100.00 99.87 99.55 98.86 96.78 90.75 84.02

0.000 0.132 0.450 1.140 3.224 9.250 15.983

0% 16% 84%

Granulometria estrato 4 100

60 40

% que pasa

80

20

10

1

0.1

0 0.01

tam año en (m m )

38

3.3.2.2

Prueba del Hidrómetro.

La prueba del hidrómetro tiene como propósito determinar el tamaño de las partículas menores a 0.075mm (malla 200), esta prueba está basada en la ley de Stokes, que dice que la velocidad de sedimentación de las partículas disueltas en un fluido es función de su tamaño. Aplicando esta ley a la mecánica de suelos, podemos determinar el diámetro equivalente de una partícula de suelo, en función de la velocidad con la que esta se sedimenta en una suspensión. Dichas velocidades pueden obtenerse midiendo el peso específico relativo de una suspensión de suelo, a una misma profundidad y en distintos tiempos. (Juárez, Rico, 2004) Se debe considerar que la teoría supone las partículas de suelo como equidimensionales, (esféricas), y por eso obtenemos el diámetro equivalente de la partícula, sin embargo en la mayoría de los suelos finos, la forma de las partículas es laminar, y el tamaño de la partícula puede variar considerablemente respecto al diámetro obtenido. No es raro obtener curvas granulométricas iguales para materiales completamente distintos. (Juárez y Rico, 2004). Por lo tanto la plasticidad del material es la que realmente identifica a los suelos finos tal como lo indica la clasificación SUCS en la tabla de plasticidad (fig.3.9). De acuerdo con la clasificación internacional, el tamaño de grano de los limos, esta entre 0.02 y 0.002mm. y las arcillas se encuentran en el rango de .002 y .0002 mm. Para la prueba se utiliza una suspensión

de agua destilada y glicerina como

defloculante, y una concentración de material de 50g/Lt. de solución, con esta concentración se evita que las partículas choquen entre si mientras se precipitan. La prueba del hidrómetro se realizo a los estratos 3 y 4, en los cuales el contenido de partículas finas es mucho mayor que el de partículas gruesas.

39

Figura 3.12. Prueba del hidrómetro.

40

Tabla 3.6.resultados de la prueba del hidrómetro estrato 3

Granulometría de Finos Estrato 3 t(min.)

V (m/min.)

0

% finos

D (mm.)

100

0.0750

1

8.600

17.028

0.0384

2

4.700

9.306

0.0284

4

2.400

4.752

0.0203

8

1.300

2.574

0.0149

15

0.740

1.4652

0.0113

30

0.383

0.759

0.0081

45

0.260

0.5148

0.00667972

Granulometria de finos estrato 3

% menores a D

100 80 60 40 20 0 0.001

0.01

0.1

diam etro (m m )

Para el estrato 3 podemos ver que prácticamente el 100% de sus partículas son mayores de .002mm por lo cual es posible que se trate de un limo, lo que debe ser comprobado mediante las pruebas índice.

41

Tabla 3.7.resultados de la prueba del hidrómetro estrato 4.

Granulometria de Finos Estrato 4 t(min)

% finos

V

D

0

100

1

2.1

7.3000

0.03917684

2

4.2

3.9000

0.02863521

4

8.4

2.0750

0.02088705

8

16.8

1.1125

0.01529389

15

31.5

0.7267

0.01236049

30

63

0.3967

0.00913231

45

94.5

0.2667

0.00748777

0.075

Granulometria de finos estrato 4

% menores a D

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001

0.01

0.1

diam etro (m m )

Al igual que el estrato 3, el 100% de las partículas del estrato 4 son mayores de .002mm, por lo que también entraría en la clasificación de limo, siempre y cuando las pruebas índice lo confirmen.

42

3.3.2.3

Plasticidad

En la mecánica de suelos la plasticidad se puede definir como la propiedad de un material por la cual es capaz se soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse o agrietarse (Juárez y Rico, 2004 p.127). Atterberg determinó que la plasticidad de las arcillas es una propiedad circunstancial, que depende directamente de la cantidad de agua presente en el suelo. Es decir un mismo suelo puede pasar de un estado sólido con plasticidad nula, hasta un estado líquido donde el suelo se encuentre en forma de suspensión. El comportamiento plástico del suelo se da entre estos dos extremos. Atterberg determino los siguientes estados de consistencia de un suelo acuerdo al contenido decreciente de agua. (Juárez y Rico, 2004).

1.- Estado Líquido. Tiene las propiedades y apariencia de una suspensión. 2.- Estado semilíquido. Tiene las propiedades de un fluido viscoso. 3.- Estado plástico . el suelo se comporta plásticamente. 4.- Estado semisólido. Tiene apariencia sólida pero presenta disminuciones de temperatura durante el secado. 5.- Estado sólido. El volumen del suelo ya no varía durante el secado.

La determinación de las fronteras entre estos estados se hace de forma convencional mediante lo que Atterberg llamo límites de consistencia. Para nuestro estudio solo nos interesan el límite liquido, que es el limite entre los estados semilíquido, y plástico, y el limite plástico que el la frontera entre loes estados

43

plástico y semisólido. A estos dos límites se le conoce como los límites de plasticidad, y existe la siguiente relación entre ellos.

Ip = LL-LP Donde: Ip: es el Índice plástico. LL: es el límite líquido. LP: el límite plástico. Determinación del Límite Líquido. La determinación del límite líquido se hace mediante la copa de Casagrande, para la cual necesitaremos material cribado en la malla N° 40. Esta prueba consiste básicamente en depositar el material y ranurarlo, una vez ranurado se golpea la cápsula, dejándola caer desde una altura de 1cm, hasta que la ranura en el suelo se cierre en una longitud de 1.27cm.

una vez que el material se haya cerrado se determinara el

contenido de humedad de la muestra. Esta prueba se realiza tres veces, con diferentes humedades, de

tal forma que

obtengamos valores entre los 6 y los 35 golpes. El objeto de estas pruebas es el de determinar mediante una gráfica el número de golpes, contra contenido de agua (W%), en la gráfica se ajustan los puntos obtenidos a una recta. A partir de esta recta, se busca la ordenada correspondiente a 25 golpes.

Figura 3.13. Determinación del límite líquido, mediante la copa de Casagrande.

44

Determinación del Limite Plástico e Índice Plástico Para la determinación del límite plástico de hace formando rollitos de 3mm de espesor hechos de una pasta de suelo, estos se hacen una y otra vez hasta que este al alcanzar los 3mm se desmorone. En ese momento se dice que llegó a su límite plástico. De igual forma este proceso se realiza tres veces, de tal forma que el valor del límite plástico sea el promedio de estas tres pruebas.

Figura 3.14. Determinación del límite plástico.

45

El índice plástico es la diferencia entre el Limite líquido y el Limite plástico. Por lo que finalmente obtuvimos los siguientes valores, los cuales utilizaremos en la clasificación. Además de los límites de plasticidad, determinamos el límite de contracción que el la frontera entre los estados semisólidos y sólidos.

Determinación del Limite de Contracción Además de los límites de plasticidad, determinamos el límite de contracción que e la frontera entre los estados semisólidos y sólidos El limite de contracción, el límite entre los estados semisólido y sólido, y es definido como el contenido de agua con que el suelo deja de disminuir su volumen al seguirse secando (Juárez y Rico, 2004, p. 129). La determinación del límite de contracción se obtiene midiendo el peso y el volumen de una muestra de suelo, contenida en un recipiente de volumen definido. El límite de contracción está dado por la expresión

LC % =

Donde:

W 1 − Ws − (V 1 − V 2)γw x100 Ws

W1: peso húmedo de la muestra Ws: peso seco de la muestra V1: volumen inicial de la muestra V2: volumen final de la muestra

Las tablas 3.8 a 3.11, muestran la determinación del límite plástico, límite líquido e índice plástico para cada estrato.

46

Tabla 3.8. Limites de consistencia, estrato 1.

Limite Liquido Estrato 1. Prueba

contenido de humedad %W

Nº golpes 1

9

32.784

2

17

30.302

3

22

29.214

4

31

28.632

5

33

28.700

Limite Liquido Estrato 1 Prueba

Contenido de agua %W 1

17.329

2

18.609

3

16.589

contenido de humedad %

Limite Liquido 34.0 33.0 32.0 31.0 30.0 29.0 28.0 27.0 1

10

y = -3.2458Ln(x) + 39.69

L.L

17.51%

L.P

29.26%

I.P

11.75%

100

N° de Golpes

47

Tabla 3.9.Límites de consistencia Estrato 2

Limite Líquido Estrato 2 Prueba

Nº Golpes

Contenido de humedad %W

1

10

10.0000

2

20

10.0000

3

21

14.2857

4

30

13.3333

5

32

15.6250

Limite Plástico Estrato 2 Prueba

Contenido de humedad %W

1

19.46308725

2

20.2618359

3

18.76075731 Limite Liquido

33.5

% de Humedad

33.0 32.5 32.0 31.5 31.0 30.5 30.0 29.5 29.0 1

10

y = -3.061Ln(x) + 40.005

L.L

30.15%

L.P

19.50%

I.P

10.66%

100

N° de golpes

48

Tabla 3.10. Límites de consistencia, estrato 3.

Limite Líquido Estrato 3 Contenido de Humedad %W Prueba

Nº golpes 1 2 3 4

15 28 30 34

78.2198 73.0379 72.1952 67.9291

Límite Plástico Estrato 3 Prueba

Contenido de Humedad %W 1 30.697 2 37.379 3 34.495

Limite liquido 80.0 % de humedad

78.0 76.0 74.0 72.0 70.0 68.0 66.0 1

10

y = -10.9Ln(x) + 108.18

L.L

73.09%

L.P

34.19%

I.P

38.90%

100

N° de golpes

49

Tabla. 3.11.Límites de consistencia, estrato 4.

Limite Líquido Estrato 4 Prueba

Contenido de humedad %W

Nº Golpes 1

7

55.60

2

11

54.05

3

13

52.50

4

30

50.98

5

32

49.15

Limite Plástico Estrato 4 Prueba

Contenido de humedad W%

1

29.223

2

30.172

3

31.923

Limite Liquido 56.0000 % de Humedad

55.0000 54.0000 53.0000 52.0000 51.0000 50.0000 49.0000 48.0000 1

10

y = -3.6943Ln(x) + 62.633

L.L

50.74%

L.P

30.44%

I.P

20.30%

100

N° de golpes

50

Los resultados obtenidos de las pruebas índice se resumen en la tabla 3.12 Tabla 3.12. Resultados de pruebas índice de los distintos estratos.

Estrato

1 2 3 4

Limite Liquido 29.26 30.15 73.09 50.74

Limite Plástico 17.51 19.5 34.19 30.44

Índice Plástico

LC%

11.75 10.65 38.9 20.3

--11.01 25.6

3.3.2.4 Clasificación de Estratos.

Con los datos que hemos obtenido hasta ahora, respecto a la granulometría y a la plasticidad de los diferentes estratos, es posible clasificar los diferentes materiales, en base a los parámetros establecidos en el SUCS. Tabla 3.13. Datos para la clasificación SUCS, granulometría y limites de plasticidad

Estrato 1

% grava 1.21

% arena 52.72

% finos 46.06

L.L 29.26

I.P 11.75

2

0.18

71.78

28.05

30.15

10.65

3

0

12.73

87.265

73.09

38.9

4

0

15.98

84.0166

50.74

20.3

Clasificación del Estrato 1

El primer estrato se clasifico como una arena arcillosa SC, conteniendo 1.2% de grava, 52.7% de arena y 46.06% de finos. Su comportamiento mecánico-hidráulico

esta

definido por la parte fina del suelo debido a que representa mas del 12% del total de la muestra. Esta parte fina se ha clasificado como una arcilla de baja compresibilidad y mediana plasticidad CL, con L.L, de 29.26% e I.P de 11.75%, IPA = 6.75. Su contenido de humedad natural W% fue de 10.12%.

51

Clasificación del Estrato 2

El segundo estrato fue clasificado de la misma manera SC, al tener un contenido de grava prácticamente nulo 0.1%, de arena 71.78% y una parte fina de 28.05%, La fracción fina determina el comportamiento mecánico-hidráulico al representar mas del 12% Igualmente la parte fina se clasifico como una arcilla de baja compresibilidad y plasticidad CL, al presentar in L.L de 30.15 y un I.P de 10.65% , IPA= 7.4 la humedad natural que se determinó fue de 27.13%. Puede ser que el estrato 1 y 2 sean el mismo suelo, sin embargo, al estar el estrato 2 a una mayor profundidad, se encuentra mas protegido de los efectos de la erosión, por lo que su contenido de arena es ligeramente mayor, sin embargo la fracción fina presenta características plásticas casi idénticas.

Clasificación del Estrato 3

En cuanto al tercer estrato, se determino que este era un suelo claramente fino al contener 87.26% de este material, y solamente 12.63% de arena. Se clasifico como una arcilla de alta compresibilidad y plasticidad media a alta CH, L.L de 73.09 e I.P de 38.90,

IPA= 38.75

el índice plástico de este material se encontraba prácticamente

sobre la línea A , lo que implicaba que era un caso de frontera entre un CH y un MH, finalmente de clasifico como CH debido a sus características resistencia en estado seco, dilatancia y tenacidad, las cuales fueron muy alta, nula y alta respectivamente. Su contenido de humedad natural fue de 37.9 %.

52

Clasificación del Estrato 4

El cuarto estrato se clasificó como un limo de alta compresibilidad MH, el cual contenía 84.01% de finos, y 15.98% de arena, su L.L fue de 50.74% y su I.P de 20.30%, IPA= 22.44% Su contenido de humedad natural fue de 25.82%.

3.3.3

Expansión Volumétrica

La expansión, volumétrica en los suelos, principalmente las arcillas, tiene lugar cuando la masa de suelo es aliviada de masas preactuantes en ella, cuando exista posibilidad de que adquiera agua y transcurra el tiempo necesario para que este fenómeno se lleve acabo. (Juárez y Rico, Tomo 3, 1972). Tradicionalmente la expansibilidad volumétrica de los suelos se ha estimado en base a la deformación unidimensional, mediante la prueba de consolidación estándar, es decir, ante esfuerzos normales, es importante mencionar también que los esfuerzos cortantes actuantes sobre la masa de suelo tienen influencia sobre la expansibilidad de un suelo. (Juárez , Rico, Tomo 3, 1972). En nuestro caso particular, no fue posible, llevar acabo la prueba de consolidación estándar, debido a diversos factores relacionados con la funcionalidad del consolidómetro, en pruebas donde se requiera un grado alto de precisión, específicamente, se detectó ficción en el mecanismo de transmisión de carga, impidiendo el correcto balanceo de la viga de carga. Debido a esta situación, el método utilizado para medir la expansión volumétrica fue a partir del incremento de volumen, de un espécimen de volumen definido, compactado al 100% de su peso volumétrico seco máximo, sometido a un proceso de saturación.

53

Primeramente se determino la humedad óptima de compactación del material mediante la prueba Próctor estándar, las cuales fueron de 10 y 20% para los estratos 3 y 4 respectivamente. Una vez que se determinó la humedad óptima de compactación, se colocó el material en un molde de acero de 3211.8cm3 de capacidad, con base perforada, se compacto, y se enrazó, para que tomara el volumen del molde.

Figura 3.15. llenado y compactado del material en el molde.

54

Después se coloco una pesa de 6.6kg, sobre el material y se midió el desnivel entre la pesa y la orilla de la extensión del molde. a)

b)

c)

d)

Figura 3.16. Enrace del material y medición inicial.

Por último se sumergió la muestra en agua, manteniendo un tirante mínimo de 4cm por encima del molde. Se midió el desnivel a las 24, 48 y 96 horas.

Figura 3.17. Proceso de saturación de la muestra, mediante inmersión en agua.

55

Con los resultados obtenidos de las mediciones se hicieron las siguientes gráficas deformación-tiempo.

expansion volumetrica %

Expansion Volumetrica estrato 3 6.000 5.000 4.000 Serie1

3.000 2.000 1.000 0.000 100

1000

10000

tiempo (min)

Figura 3.18. Expansión volumétrica estrato 3.

expancion volumetrica %

Expansion Volumétrica estrato 4 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 100

Serie1

1000

10000

tiempo (min)

Figura 3.19. Expansión volumétrica estrato 4.

Podemos ver que la expansión volumétrica final, de acuerdo con las graficas anteriores es la siguiente. Tabla 3.14. Expansión volumétrica estratos 3 y4

Estrato

% Expansión Volumétrica

3

4.77

4

3.7

56

.

3.3.4

Resistencia al Esfuerzo Cortante y Capacidad de Carga.

3.3.4.1 Resistencia al Esfuerzo Cortante.

Uno de los puntos fundamentales de la mecánica de suelos es la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. Es imprescindible contar con este concepto al tratar de aplicar la mecánica de suelos al análisis de estabilidad de obras civiles. En teoría la resistencia al esfuerzo cortante en los suelos esta dada por, el ángulo de fricción interna φ en los materiales 100% granulares y por la cohesión c, en los suelos puramente cohesivos (arcillas homogéneas), la cual depende de la humedad del suelo, sin embargo en la mayoría de los suelos la resistencia al esfuerzo cortante esta dada por la combinación de ambos parámetros. Existen principalmente dos métodos experimentales para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, las pruebas de compresión (triaxial y simple) y de corte directo . Las pruebas triaxiales, son actualmente la más utilizadas, ya que permiten controlar y medir las presiones actuantes en tres direcciones, El espécimen es colocado en una cámara hermética y confinado mediante una membrana plástica, Las presiones laterales se ejercen mediante un líquido a presión que llena la cámara, y la presión axial mediante un vástago metálico que comprime la muestra a velocidad constante. Las pruebas se dividen en tres tipos, que tratan de representar los distintos factores circunstanciales que influyen en la resistencia al corte del suelo.

57

La prueba consolidada-drenada o lenta (L), la prueba consolidada no drenada o consolidada rápida (Rc), y la prueba no consolidada-no drenada o rápida (R). En nuestro estudio llevamos acabo la prueba rápida en los estratos tres y cuatro.

Figura 3.20. Prueba triaxial rápida R, no consolidada no drenada.

58

En los siguientes diagramas el radio de los círculos representan la cohesión

τ

Estrato 3

c= σ σ= Figura 3.21. Diagrama de Mohr, para la prueba rápida, estrato 3.

τ Estrato 4

c= σ=

σ

Figura 3.22. Diagrama de Mohr, para la prueba rápida, estrato 4.

Debido a la naturaleza de la prueba, la envolvente de falla R, es completamente horizontal, por lo que solamente podemos conocer la cohesión del suelo c y no así el ángulo de fricción φ. Los valores para la cohesión, obtenidos en la prueba rápida, son de 0.79 y 1.65kg/cm2, para los estratos 3 y 4 respectivamente.

59

La prueba de corte directo, se realizó solamente al estrato 4, con la intensión de obtener el ángulo de fricción interna φ, que es uno de los parámetros para la determinación de la capacidad de carga. La prueba de corte directo funciona básicamente con dos marcos, uno móvil y uno fijo, la muestra de suelo se coloca dentro de los marcos y es confinada mediante una placa donde se aplica una fuerza normal σ. La parte móvil desplaza a una velocidad constante, aplicando una fuerza rasante, que induce en el material un esfuerzo cortante τ, que provoca la falla del material sobre un plano bien definido.

Figura 3.23. Mecanismo para la prueba de corte directo

60

Se realizaron distintas pruebas, con distintas cargas normales. La línea de falla del material se define por la gráfica σ− τ de las diferentes pruebas. Tabla 3.15. Resultados de la Prueba de corte directo.

Prueba 5 15 25

σ (Kpa) 6.240 16.440 26.650

σ (Kg/cm2) 0.064 0.168 0.272

τ(Kpa) 7.260 17.980 25.320

τ(kg/cm2) 0.074 0.183 0.258

61

La ecuación de la envolvente de falla del la prueba de corte directo es y=0.8848x+0.0235, obteniendo el ángulo a partir de la pendiente de la recta obtenemos un ángulo de fricción φ=41.5°.

3.3.4.2 Calculo de la Capacidad de Carga.

Como sabemos el suelo recibe la carga total de una estructura, a través de la cimentación, La capacidad de carga del suelo el la carga máxima que este puede soportar por unidad de área. Una vez rebasada la capacidad de carga el suelo sufre asentamientos o fractura, lo que implica daño a la estructura. Una cimentación bien diseñada transmite las cargas al suelo, sin llegar a solicitar la capacidad máxima del mismo. (Das, 1993) Utilizando la teoría de la elasticidad, al igual que los estudios previos, la capacidad de carga última está definida por la ecuación, la cual fue calculada por Prandlt, como la presión límite que puede aplicarse sobre una determinada superficie. qu = (2 + π ) * c Donde: q: es la carga ultima o isible. c: es la cohesión.

Aplicando entonces la fórmula anterior, considerando el valor de la cohesión de 1.65kg/cm2 obtenido en la prueba de compresión triaxial, y un factor de seguridad, igual al utilizado en el estudio 1 de 4, obtenemos el siguiente valor:

qu=8.48 Kg/cm2 ó 84.8Ton/m2

Nota: Las hojas de cálculo, gráficos y demás parámetros considerados en el cálculo de los anteriores resultados pueden consultarse en la sección de anexos del capítulo III.

62

Capítulo IV ANÁLISIS DE RESULTADOS.

En el presente capítulo resumiremos, e interpretaremos los resultados de las diferentes pruebas realizadas para cada estrato. Con lo reportado en este capitulo podremos llevar acabo en el siguiente, un análisis comparativo entre nuestro estudio y los anteriores, y en definitiva poder conocer de manera más clara las características del subsuelo en estudio. El sitio en estudio se localiza, dentro de la Planta procesadora de nopal, “La Esperanza”, en la comunidad de San Bernardino Tlaxcalancingo, localizada en el sureste de la ciudad de San Andrés Cholula. Se

realizaron dos sondeos,

por medio de pozos a cielo abierto, de 3.3m, de

profundidad aproximadamente, se distinguieron cuatro estratos distintos y de espesores variables entre 0.4 y 1.7m. La distribución de dichos estrato se muestra en la siguiente figura. N.T. material de mejora 0.25m

estrato I 0.4m estrato II 0.4m

estrato III 1.4m

estrato IV indefinido mayor a 0.85m

Figura 4.1. Estructura de los estratos en el sondeo.

63

4.1 Clasificación y Descripción de los Estratos El estrato 1, es una arena arcillosa SC, contiene 1.2% de grava, 52.7% de arena y 46.1% de finos, el comportamiento mecánico e hidráulico esta definido por la parte fina, la cual se clasifico como CL, arcilla de baja compresibilidad y mediana plasticidad. Con L.L = 29.2% , I.P= 11.75%. Debido que los porcentajes de arena y de arcilla son muy semejantes, este suelo podría considerarse en la frontera entre un suelo grueso y uno fino.

En su estado natural, el suelo presentó, humedad natural w=10.1%, y peso

volumétrico γ=1.41ton/m3. El estrato 2, al igual que el estrato uno fue clasificado como una arena arcillosa SC, conteniendo 0.2% de grava, 71.8% de grava y 28% de finos, el comportamiento mecánico hidráulico del suelo es determinado por la parte fina, que se clasificó como una arcilla de baja compresibilidad y baja compresibilidad, L.L= 30.15% e I.P = 10.65%. en su estado natural el material presento contenido de agua w= 27.13%, y peso volumétrico γ=1.39ton/m3. Debido a que los estratos uno y dos presentan la misma clasificación, podemos concluir que se trata del mismo material. El estrato 1 presenta sensiblemente mayor cantidad de materia orgánica, 5.4% de acuerdo a una prueba de incineración, contra el 2.1% del estrato 2, esta diferencia en el contenido de materia orgánica puede ser debida al o directo con el exterior del estrato 1. El estrato 2 por su parte tiene una textura mas arenosa. Ya que la fracción fina de ambos materiales es prácticamente idéntica, concluimos que se trata del mismo material. Ambas capas constituyen lo que se denomina como terreno de labor. El estrato 3 es un material claramente fino, clasificado como, una arcilla de alta compresibilidad y baja plasticidad CH, contiene 87.3% de finos, 12.7% de arena, su L.L= 73.09% e I.P=38.9%, Este material se encontraba prácticamente en el limite entre

64

CH y MH, sobre la linea A, se clasificó como arcilla debido a su comportamiento en pruebas de campo donde presento una resistencia en estado seco muy alta, similar a la de un ladrillo, y dilatancia prácticamente nula, características propias de dicho material. En su estado natural presento contenido de agua w=50.25%, y peso volumétrico γ=1.71ton/m3. El estrato 4, se clasificó como un limo de alta compresibilidad MH, compuesto de 84.01% de finos, y 15.98% de arena, su L.L= 50.74 e I.P= 20.3%, En su estado natural presentó un contenido de agua w=36.7%, y peso volumétrico γ=1.49 ton/m3. Los resultados obtenidos de la clasificación de los distintos estrato se presentan gráficamente en el siguiente perfil granulométrico.

PROF. (m)

COLUMNA ESTRATIGRAFICA

CONTENIDODEAGUANATURAL (W%)

CLASIF. SUCS.

0.00 0.25

DESCRIPCIÓN

MATERIAL DEMEJORA

0.65

SC-CL

1.04

SC-CL

2.45

CH

3.3

MH

ARENA ARCILLOSA, NEGRA ARENA ARCILLOSA, GRIS

ARCILLA, NEGRA

LIMOCAFE-CLARO

ARCILLA

ARENA

LIMO

GRAVA

RELLENO

Figura 4.2. Perfil Estratigráfico, distribución, espesor, clasificación y contenido de agua natural w% de los diferentes estratos.

65

Figura. 4.3 Ubicación de los diferentes estratos en la carta de plasticidad.

De acuerdo a lo observado en la figura 4.3, la clasificación de los distintos estratos, a pesar de ser distinta en cuanto al símbolo, presentan según la carta de plasticidad, propiedades que podrían considerarse similares a los materiales descritos por los estudios previos. Podemos ver que el estrato 1 y 2, son muy cercanos entre si, y a su vez se encuentran, cerca del límite entre CL y ML, recordemos que ambos estudios, calcifican al primer estrato como ML. El estrato 3, se encuentra claramente separado de la línea que divide a los suelos de alta y baja compresibilidad, pero cercano a la línea A, que divide a los MH de los CH. El estrato 4, se encuentra muy cercano a la frontera que divide los ML de los MH, y a su vez cercano a la línea A, Aunque consideramos que su clasificación fue correcta, no descartamos que su comportamiento pueda ser similar a ML, CL o incluso CH. 66

4.2 Expansión Volumétrica El principal punto de desacuerdo entre los estudios llevados acabo anteriormente era la identificación de una arcilla expansiva localizada entro 1.5 y 2.3m de profundidad. En vista de esta situación, se investigó el criterio para la identificación de las arcillas expansivas.

4.2.1

Arcillas Expansivas

Como su nombre lo indica las arcillas expansivas son aquellas que son susceptibles a sufrir un apreciable aumento de volumen durante la construcción u operación de una estructura.1 Juárez y Rico (1972), mencionan en el mismo texto, que este fenómeno tiene lugar ante la

liberación de las cargas actuantes sobre ellas, el fenómeno de expansión está

estrechamente ligado al de compresibilidad, puede decirse las que las arcillas mas expansivas ante la descarga, son las más compresibles ante un proceso de carga. La disminución de los esfuerzos efectivos es el factor que provoca en mayor medida la expansión, siempre y cuando el material tenga la posibilidad de adsorber agua y transcurra el tiempo necesario para que el fenómeno transcurra. En estado natural, la evaporación evita que el nivel freático llegue a la superficie del terreno, de la misma forma se impide que exista presión hidrostática ascendente en las capas superficiales. Cuando una estructura es construida sobre un manto superficial de arcilla impide el proceso de evaporación del agua, ocasionando que poco a poco se restituya la presión hidrostática en las capas superficiales. Este fenómeno provoca a la vez una disminución importante de los esfuerzos efectivos, con la consecuente expansión del material subyacente. 1) Juárez B, Rico R. (2004), Mecánica de Suelos, Tomo III Fflujo de Agua en Suelo,p.401 , México D.F. Limusa.

67

Los fenómenos de compresión y expansión se dan de manera periódica, provocados por cambios climáticas y por situaciones cercanas de exceso de agua. Las afectaciones provocadas por este fenómeno sobre las estructuras, pueden significativas , especialmente en losas y zapatas poco profundas, ya que este fenómeno depende directamente de las fuerzas actuantes sobre el suelo, las estructuras más ligeras serán a su vez las más afectadas. La identificación de las arcillas expansivas es en función de diversos factores como el índice plástico y el limite de contracción. Juarez Badillo utiliza como método de identificación de arcillas expansivas el criterio de W.G Holtz. Tabla 4.1. Criterio de identificación de arcillas expansivas W.G Holtz. Datos de pruebas de identificación contenido Índice de coloidal Plasticidad (%<.001mm) >28 20-31 13-23 <15

>35 25-41 15-28 <18

Expansión probable, Grado de Limite de cambio Expansión contracción volumétrico % % (seco a saturado) <11 >30 Muy alto 7- 12 20-30 Alto 10-16 10-20 Medio >15 <10 Bajo (Juárez , Rico, 1972, p.404)

Recordamos que de nuestras pruebas índice determinamos el limite de contracción LC y el índice plástico IP, así como el porcentaje de expansión volumétrica. Los datos obtenidos para los estratos 3 y4 son los que se muestran en la tabla. Tabla 4.2. Factores para la determinación del grado de expansión, según W.G Holtz, estratos 3 y 4.

Estrato

LC %

IP %

3 4

11.01 25.6

38.9 20.3

% Expansión Volumétrica 4.8 3.7

68

Malagón, Et al. (1980), proponen la siguiente gráfica, para determinar el grado de expansión del suelo en función de su índice plástico y límite de contracción.

Muy Alto

50

40

Alto

30

Medio

20

Bajo

10

0

5

10

15

20

25

30

Figura 4.4. Grado de expansión por zonas, criterio de W.G Holtz.

En el diagrama anterior podemos observar que el Estrato 3, se encuentra en la zona de expansión alta, mientras que el estrato esta en la zona de expansión

baja. Esta

clasificación se hizo en base a los limites de contracción LC y al índice plástico IP. La expansión desarrollada por ambos materiales en las pruebas que llevamos acabo en laboratorio, fue menor al 10%, por lo que seria en un principio considerada como baja, sin embargo, factores como el grado de saturación del material y la humedad inicial del

69

mismo, y la fuerza ejercida sobre el material a través de la pesa, pudieron haber alterado el proceso de expansión del material. En consideración de estos factores, decidimos finalmente no tomar en cuenta los datos obtenidos por la prueba de expansión, y solamente evaluar la expansibilidad del suelo en función del criterio de Holtz. Si bien los datos de expansión que obtuvimos mediante la prueba, no son suficientemente representativos del potencial de expansión, son un buen ejercicio de comparación entre los dos suelos, siendo de utilidad en la verificación de la clasificación de acuerdo al criterio de Holtz.

4.3 Resistencia al Esfuerzo Cortante y Capacidad de Carga Habiendo realizado las pruebas triaxiales rápidas ( R), a los estratos 3 y 4, podemos ver que la cohesión obtenida en el estrato cuatro es mayor a las del estrato 3, prácticamente al doble, los valores de cohesión obtenidos para el estrato 3 y cuatro son de 0.79 y 1.65kg/cm2. Además de la cohesión, se obtuvo el valor del ángulo de fricción para el estrato 4, por medio de la prueba de corte directo, obteniendo un valor de φ =41.5° . Se calculó la acidad de carga del estrato 4, por medio de la teoría de la elasticidad, de igual forma que los estudios previos, Mediante la ecuación planteada por Prandlt, obtuvimos la capacidad de carga última del material, obteniendo qu=8.48 Kg/cm2

ó

84.8Ton/m2 En la tabla 4.3, se muestran en resumen los factores que utilizaremos, para llevar acabo el proceso de comparación entre los tres estudios, del capítulo siguiente.

70

Tabla 4.3. Parámetros obtenidos en el estudio de mecánica de suelos.

Estrato

Clasificación SUCS

1 2 3 4

SC SC CH MH

Expansibilidad por el criterio de Holtz ----Alta Baja

Capacidad de carga Prandlt. (Ton/m2) ------84.8

Nota: tolos las hojas de cálculo, graficas y registros de laboratorio, están adjuntados en la sección de anexos.

71

Capítulo V ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS.

Como ya se especificó anteriormente en este capítulo se compararan directamente los resultados obtenidos en nuestro estudio de mecánica de suelos, los cuales han sido revisados y ordenados en el capitulo anterior, con los resultados obtenidos por los estudios anteriores. En el capítulo dos de este proyecto, se compararon los estudios en puntos específicos, de cada estudio, donde se presentaron contradicciones importantes en cuanto a resultados obtenidos, dando lugar a

incertidumbre y confusión acerca del

comportamiento mecánico del subsuelo en el sitio de estudio. Es nuestra intención con este análisis comparativo encontrar concordancia de resultados con alguno de los dos estudios ya realizados, y de esta manera brindar información mas segura y confiable para, cualquiera que así lo requiera. No se pretende de ninguna forma desacreditar a alguna de las dos empresas involucradas y debemos dejar en claro que nuestro laboratorio no cuenta con algún certificado que lo reconozca como un laboratorio profesional siendo el propósito de este estudio meramente didáctico.

5.1 Estratigrafía Realizando un análisis comparativo entre los tres estudios realizados en la planta procesadora de nopal, hasta una profundidad promedio de 3.3m que representa la profundidad máxima alcanzada por nuestro sondeo, obtuvimos los siguientes resultados, presentados en la figura 5.1 y descritos posteriormente.

72

Figura 5.1. Comparación estratigráfica de los tres estudios a 3.3 m. de profundidad.

A) El estudio 1 detectó tres estratos. El primero, un limo arenoso ML de 0.9m de espesor, color gris. El segundo fue una arcilla color gris claro de consistencia media CL de 0.75cm de espesor. El tercero, una arcilla de consistencia firme CL, color gris-claro verdoso, de 2.0-2.5m de espesor , resistente y prácticamente indeformable para las solicitaciones del proyecto. B) El estudio 2 , encontró igualmente 3 estratos. El primero de 0.9m de espesor, es un limo arenoso ML, color gris claro a oscuro. EL segundo de 0.8m, una arcilla de alta compresibilidad CH, altamente expansiva, color gris obscura a negro. El tercero es una arena arcillosa SC de 1.3m de espesor, color café claro a gris, tepetate sano y resistente. C) Nuestro estudio muestra 4 estratos. El primero es una arena arcillosa SC, de 0.4m de espesor, color gris oscuro, con olor que indica la presencia de materia orgánica. El segundo es también una arena arcillosa SC, de 0.4cm de espesor, color gris y textura arenosa, consideramos que ambos estratos constituyen el mismo material, y podrían ser el primer estrato detectados por los estudios anteriores. El tercero es una arcilla de alta compresibilidad CH, de 1.4m de

73

espesor, color gris oscuro. Por ultimo el cuarto estrato es un limo de alta compresibilidad MH, color café claro, de 0.85m pero que continua por debajo de la excavación. Observaciones: Como ya se menciono en el capítulo anterior, la clasificación que obtuvimos a pesar de ser diferente, encuentra ciertas coincidencias. Por ejemplo los estratos 1 y 2, pueden ser considerados como uno mismo SC, y su ubicación dentro de la carta de plasticidad es cercana al límite con los ML, y sus porcentajes entre gruesos y finos es muy cercana por lo que no es raro que los otros estudios lo clasificaran como ML. EL estrato 3 es claramente un suelo de alta compresibilidad, pero cercano a la frontera con los MH, por lo que coincidimos en sui clasificación con el estudio 2.

En cuanto al estrato 4, este se localiza cerca de una frontera, entre cuatro tipos de suelo ML,MH, CL y CH, aunque consideramos nuestra clasificación como correcta y precisa, no es extraño que en ciertas condiciones de trabajo se haya podido clasificar como otro suelo, Recordemos que el estudio 1 lo clasificó como CL. EN cuanto a la clasificación hecha por el estudio 2, consideramos que es incorrecta al no obtener adecuadamente los porcentajes de la fracción fina y gruesa.

En cuanto al espesor de los estratos, nuestro estudio, varío en comparación a los anteriores, creemos que de debe a la consideración de una fase de transición entre el estrato 3 y 4, que no fue tomada en cuanta por los anteriores. Es decir, dicha fase de transición presentaba la coloración propia del estrato 4, pero al ser manipulado presentaba características similares al estrato 3, por lo que lo incluimos en dicho estrato.

74

5.2 Capacidad de carga y Cimentación A) El estudio 1, calculó la capacidad de carga del suelo localizado a 2m de profundidad, correspondiente al estrato clasificado como CL, obteniendo un valor de 21.7 Ton/m2, despresiando el factor de seguridad de 4, tomado en cuanta por el estudio 1, obtenemos el valor de capacidad de carga última qu= 86.8 Ton/ m2.

B) El estudio 2, realizó el cálculo de la capacidad de carga isible a los tres estratos detectados en su estudio, obteniendo los siguientes resultados. 5.4Ton/m2 para el estrato ML a una profundidad de 0.45m. Para el estrato CH, una capacidad de 8.2Ton/m2 y a una profundidad de 1.3m. Finalmente para el estrato SC, se calculó una capacidad de 11.3Ton/m2, a una profundidad de 2.35m. Si ignoramos el factor de seguridad de 3, considerado en el estudio 2, obtenemos la capacidad de carga última qu en todos los estratos. Los resultados son los siguientes. 16.2 Ton/m2 , 24.6 Ton/m2 , 33.9 Ton/m2 , respectivamente para los tres estratos. C) En nuestro estudio, realizamos solamente un cálculo, mediante el método de capacidad de carga última de Terzaghi. El cálculo se realizo para una profundidad de 2.0m. correspondiente al estrato MH, obteniendo una capacidad 84.8Ton/m2. Además de la capacidad de carga determinamos el valor de la cohesión para los estratos 3 y 4, obteniendo los siguientes valores. de 0.79 y 1.65kg/cm2. respectivamente, tambien se determinó el ángulo de fricción interna del estrato 4, el cual fue de 41.5°. Observaciones: Una vez más el calculo de la capacidad de carga en una profundidad promedio de 2.0m, nuestros resultados se aproximan mas, numéricamente con los

75

del estudio 1, siendo el resultado de el estudio 2 muy elevado en comparación al nuestro.

5.3 Expansión Volumétrica A) En este punto específico el estudio 1 no hace ninguna, prueba, al no detectar características expansivas en alguno de los estratos analizados. B) El estudio 2, determina mediante la prueba de consolidación estándar, que la fuerza de expansión del material clasificado como CH, localizado entre 0.9 y 1.7m de profundidad, es de 4.62 ton/m2, de acuerdo a la prueba de consolidación unidimensional y su porcentaje de expansión volumétrica alcanza 14.6%. En base a estos resultados determina que el potencial de expansión del material es muy alto. C) Nuestro estudio determinó que el mismo suelo CH, era de grado de expansión alto, mediante el criterio de W.G Holtz, en base a su límite de contracción y al índice plástico del material. Realizamos también pruebas de expansión unidimensional, aunque los resultados no fueron tomados en cuanta en la determinación del grado de expansibilidad de los materiales,

sirvieron de

verificación en la clasificación final. Observaciones: Al igual que en el estudio 2, observamos que el suelo MH, localizado entre 0.8 y 2.2m es altamente expansivo.

76

Capítulo VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

En base al análisis comparativo realizado en el capítulo anterior, consideramos que los resultados del estudio 2 realizado por la empresa ROCCA consultores S.A de C.V. en cuanto a la determinación del grados de expansibilidad del estrato localizado entre 0.8 y 2.2m, el cual es considerado como de expansibilidad alta a muy alta son coincidentes, con los resultados obtenidos en nuestro estudio. Los cálculos realizados para la determinación de la capacidad de carga nos muestran que al igual que el estudio 1 realizado por la empresa Asesoría Técnica (ATEC), la capacidad de carga última del terreno, a una profundidad promedio de 2m es de alrededor de 85 Ton/m2. En cuanto a la clasificación de los distintos estratos de suelo presentes en el sitio, consideramos que la clasificación obtenida en nuestro estudio es correcta, sin embargo, de acuerdo a la ubicación de cada estrato en la carta de plasticidad, es posible observar que los estratos 3 y 4 pudieron haber sido clasificados de modo distinto, bajo ciertas condiciones de prueba y de muestreo. En cuanto a la presencia de arcillas expansivas queremos mencionar las siguientes observaciones y recomendaciones en su manejo, para evitar al máximo los problemas de expansión. Juarez Badillo y Rico Rodríguez (1972)2, dicen que las estructuras mas afectadas por el fenómeno de la expansión son las estructuras extensas y ligeras, que transfieran cargas pequeñas al suelo. Recomiendan los siguientes métodos de prevención para minimizar al máximo los efectos de la expansión.

1) sobreexcavar la sección, y rellenar posteriormente con materiales granulares, y de este modo impedir la expansión por el peso propio del 77

material, Es recomendable rellenar una vez que se halla presentado la expansión del suelo, en cuyo caso deberá de cuidarse el asentamiento del material expandido por efecto de las cargas importantes. 2) Tratar el suelo con algún procedimiento que lo haga menos expansivo, como puede ser el remoldeo hasta una cierta profundidad, y volverlo a compactar en el lugar, proporcionando una humedad mayor a la original y con un peso volumétrico menor al

anterior. Este procedimiento

requiere de un estudio cuidadoso de las propiedades mecánicas del suelo, para verificar que la estructura no sufra asentamientos, o que el suelo pierda capacidad de carga antes que comience el proceso de expansión. 3) Estabilización por medio de la adición de cal o cemento, en este aspecto es necesario cuidar la proporción suelo aditivo, es recomendable hacer la mezcla mediante el uso de mezcladores mecánicos. 4) Diseño de estructuras flexibles capaces de readaptarse a los movimientos impuestos sin sufrir daños. 5) Concentrar las cargas en las zapatas de tal forma que ejerzan suficiente presión que impida el levantamiento por expansión. 6) En estructuras de magnitudes más importantes, recurrir a sistemas de cimentación más profunda, como pilas pilotes y cajones de cimentación, que no se apoyen sobre estratos expansivos. En este caso se debe cuidar la tensión que tenga sobre el fuste

del pilote, el estrato arcilloso

expansivo, esto se puede prevenir ensanchando las bases de los pilotes, y el reforzamiento de las conexiones con otros elementos de la cimentación. 7) Por último, se pueden tomar medidas para impedir el aumento de la humedad en el terreno de soporte, utilizando recubrimientos plásticos y asfalticos entre la estructura y el terreno. En relación a este último punto, durante la construcción de la planta se, construyó un drén perimetral, de 0.8m de profundidad que pretendía impedir que los escurrimientos de los terrenos adyacentes se filtraran por completo al subsuelo de la planta, impidiendo la saturación de los estratos subyacentes.

78

Consideramos al igual que el estudio 2, que dicho drén debió desplantarse a una profundidad, mínimo de 2m, que permitiera aislar por completo el espesor de la capa de arcillas. Además pudimos observar mediante la bitácora de obra que las zapatas no fueron desplantadas en su totalidad a la profundidad indicada por el estudio 1, que era de mínimo 2m. Los tres estudios coincidimos en que la capacidad de carga del suelo a la profundidad mínima estipulada por el estudio 1, es mayor a la solicitación de la estructura, por esta razón si se respetó la profundidad mínima no deberían presentarse hundimientos en las columnas.

Sin embargo consideramos que la profundidad

óptima de desplante es de 2.2m de profundidad. Tomando en cuenta estas situaciones, concluimos de esta forma con uno de los objetivos de este proyecto. No es posible asegurar que los daños presentados en la estructura de la planta procesadora de nopal, se deban parcial o totalmente al efecto de expansión del estrato de arcillas expansivas, existiendo incertidumbre respecto a otro factor que pudo contribuir en dicho deterioro, como posibles hundimientos en el cuerpo sobre el cual se levanto la nave.

79

Anexo 1 Determinación de la Humedad Natural y Peso Volumétrico Determinación de la Humedad Natural de las Muestras Localizacion: planta procesadora de nopal Sondeo: #1 Realizó: Ruben Sánchez Malagón

Peso de la cápsula Muestra +suelo húmedo (gr) Estrato 1 Estrato 2 Estrato 3 Estrato 4

214.5 203 210 218.3

Peso de la Peso del agua cápsula (gr) +suelo seco (gr) 203.2 11.3 181.4 21.6 171.3 38.7 187 31.3

Peso de la cápsula (gr)

Peso del suelo seco (gr)

Contenido de agua W%

91.5 101.8 94.3 101.8

111.7 79.6 77 85.2

10.11638317 27.13567839 50.25974026 36.7370892

Peso(kg) 0.135 0.132 0.168 0.143

Peso volumét rico (ton/m3) 1.412 1.399 1.716 1.495

Determinación del peso volumétrico Técnica: labrado de muestras Realizó: Rubén Sánchez Malagón

Material estrato1 Estrato 2 Estrato 3 Estrato 4

Diámetro (m) 0.0383 0.0383 0.0383 0.0383

Altura (m) 0.083 0.082 0.085 0.083

Volumen(m3) 1E-04 9E-05 1E-04 1E-04

80

Anexo 2 Determinación del Peso específico Relativo de Sólidos Determinación del peso Específico Relativo de Sólidos Ss. Realizó: Rubén Sánchez Malagón

Material Wfsw (gr) Temperatura (°C) Wfw (gr) Ws (gr) Ss

Estrato 3 CH 725 21 675.8 84.12 2.4

Wfsw= peso del matraz + agua + muestra de suelo Wfw = Peso del matraz + agua Ws = Peso del suelo seco Ss = Peso específico relativo de los sólidos

Ss =

Ws (Ws + Wfw) − Wfsw

81

Estrato 4 MH 722.29 21 675.8 80.401 2.37

Anexo 3 Determinación del Limite de Contracción y Contracción Lineal Determinación del Límite de contracción y contraccion Lineal Material: Estrato 3 CH y Estrato 4 MH Realizó: Rubén Sánchez Malagón

Calculo del Límite de Contracción

Estrato

volumen inicial V1 (cm3)

Peso inicial W1 (gr)

volumen seco V2 (cm3)

peso seco Ws (gr)

Limite de contraccion LC%

3 4

48.89 48.89

80.19 84.54

31.21 38.15

56.31 58.76

11.01 25.60

Constracción Lineal

Estarto

Longitud inicial (cm)

Longitud final (cm)

Contraccion lineal %

3 4

9.95 9.95

8.28 9.08

16.78 8.74

LC % =

W 1 − Ws − (V 1 − V 2)γw x100 Ws

82

Anexo 4 Granulometría de partículas finas Estrato 3 corr. por menisco

Gs:

2.7

Ws Corr a cero

50 27

t(min) 0 1 2 4 8 15 30 45

T°C

Ra

Rc

22 22 22 22 22 22 22

46 41 40 35 31 28 27

19.2 14.2 13.2 8.2 4.2 1.2 0.2

corr. Por temp Corr. Gs

1 0.2 0.99 % finos 100 38.016 28.116 26.136 16.236 8.316 2.376 0.396

83

R

L

V

K

47 42 41 36 32 29 28

8.6 9.4 9.6 10.4 11.1 11.5 11.7

8.600 4.700 2.400 1.300 0.740 0.383 0.260

0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013

D (mm) 0.075 0.038 0.028 0.020 0.015 0.011 0.008 0.007

Anexo 5 Granulometría de partículas finas Estrato 4 Corr. por menisco Corr. por temp Corr. Gs

Gs:

2.4

Ws Corr a cero

50 21

t(min) 0 1 2 4 8 15 30 45

T°C

Ra

Rc

21 21 21 21 21 21 21

54 51 48 44 32 26 25

33.2 30.2 27.2 23.2 11.2 5.2 4.2

1

0.2 1.05 % finos 100 69.72 63.42 57.12 48.72 23.52 10.92 8.82

84

R

L

V

K

55.0 52.0 49.0 45.0 33.0 27.0 26.0

7.30 7.80 8.30 8.90 10.90 11.90 12.00

7.3000 3.9000 2.0750 1.1125 0.7267 0.3967 0.2667

0.0145 0.0145 0.0145 0.0145 0.0145 0.0145 0.0145

D 0.075 0.0392 0.0286 0.0209 0.0153 0.0124 0.0091 0.0075

Anexo 6 Pruebas de Compresión Triaxial Rápida Estratos 3 y4

Esfuerzo σ(kg/cm2)

Esfuerzo- Deformacion Estrato 4 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

Serie1 Serie2

0

2

4

6

8

10

12

14

Deformacion (mm)

Esfuerzo (kg/cm2)

Esfuerzo-Deformación Estrato 3 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Serie1 Serie2

0

1

2

3

Deformación (mm)

85

4

5

Anexo 7 Prueba de Corte Directo Estrato 4 FECHA: 23 DE MARZO 2006 LABORATORISTA: Rubén Sánchez. SUELO:estrato 4 MH

Prueba 5 15 25

Carga Normal 6362.8g 6362.8g 27162.8g

POTENCIÓMETRO: 475 VELOCIDAD: 1mm/min

σ (Kpa) σ (Kg/cm2) 6.240 0.064 16.440 0.168 26.650 0.272

86

τ(Kpa) 7.260 17.980 25.320

τ(kg/cm2) 0.074 0.183 0.258

Anexo 8 Prueba de Expansión Volumétrica Estrato 3

Material: Cantidadad (grs): Humedad óptima (%): Cantidad de Agua (ml): Altura del molde(cm): Diametro(cm): Volumen inicial de la muestra(cm3):

Estrato 3 5348.1 2000% 1156 17.7 15.2 3211.81

Nota: El especimen fue sumergido en agua durante un periodo de cuatro días, Las lecturas del vernier se obtuvieron mediante el promedio de cuatro lecturas en diferentes y sometido a una carga constante de 5kg. puntos de la circunferencia del molde.

Altura inicial(cm) 0hrs:

1.16 1.2 1.16 1.16 Prom= 1.17

altura2 (cm) 24hrs:

1.61 1.602 1.63 1.63 prom=1.618

Altura 3(cm) 72hrs

1.98 1.98 1.92 1.92 prom=1.95

Altura final (cm) 96hrs

2.1 2 1.98 1.98 prom=2.015

87

tiempo (min)

1440 2880 4320 5760

lectura del vernier(cm) 1.17 1.618 1.724 1.95 2.015

volumen de % de la expansión muestra(cm3) volumétrica 3211.814 3293.107 3312.341 3353.351 3365.146

88

0.000 2.531 3.130 4.407 4.774

Anexo 9 Prueba de Expansión volumétrica Estrato 4

EXPANSION VOLUMETRICA Material: Cantidadad (grs): Humedad óptima (%): Cantidad de Agua (ml): Altura del molde(cm): Diametro(cm): Volumen inicial de la muestra(cm3):

Estrato 4 5780g 20% 1156ml 17.7cm 15.2cm 3211.81cm3

Nota: El especimen fue sumergido en agua durante un periodo de cuatro días, y sometido a una carga constante de 5kg. Las lecturas del vernier se obtuvieron mediante el promedio de cuatro lecturas en diferentes puntos de la circunferencia del molde. Altura inicial(cm) 0hrs:

1.2 1.2 1.18 1.19 Prom=1.1925

altura2 (cm) 24hrs:

1.41 1.42 1.39 1.39 prom=1.4025

Altura 3(cm) 72hrs

1.76 1.76 1.8 1.8 prom=1.78

Altura final (cm) 96hrs

1.86 1.82 1.82 1.88 prom=1.84

89

tiempo (min) 1440 2880 4320 5760

lectura del vernier(cm) 1.1925 1.4025 1.483 1.794 1.845

volumen de la muestra(cm3) 3211.814 3249.920 3264.527 3320.961 3330.215

90

% de expansión volumetrica 0.00 1.19 1.64 3.40 3.69

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Juárez B, Rico R. (2004), Mecánica de Suelos, Tomo I, Fundamentos de Mecánica de Suelos, México D.F. Limusa.

Juárez B, Rico R. (2002), Mecánica de Suelos, Tomo II, Teoría y Aplicaciones de la Mecánica de Suelos, México D.F. Limusa.

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Das. B.M. (1993), Principles of Geotechnical Engineering, Boston. PWS.

Rico, Del Castillo, (2003), Ingeniería de Suelos en la Vías Terrestres, Mexico D.F, Limusa.

Malagón, Peña y Sánchez, (1980), Tesis: Estudio de la Arcilla Expansiva y su Aplicación en las Cimentaciones Para la Zona Industrial Benito Juarez de la Ciudad de Querétaro. Querétaro. Universidad Autónoma de Querétaro.

Zeevaert W. L. (1980), Interacción Suelo-Estructura de Cimentaciones Superficiales y Profundas, Mexico D.F. Limusa.