MECÁNICA DE SUELOS Y FUNDACIONES PIEPI

1. MECÁNICA DE SUELOSY FUNDACIONESPIEPI Paula Villa González Constructor Civil UTFSM Diplomada en Gestión PUC

2. CLASIFICACIONES GENERALES DE SUELOS • Existen dos clasificaciones para los tipos de suelo, una según su funcionalidad y otra de acuerdo a sus características físicas. • Funcionalidad • Características físicas • LitosolesCambisolesLuvisoles • AcrisolesGleysolesFluvisoles • RendzinaVertisoles

3. GEOLOGIA

4. Kola Superdeep Hole, Rusia, 12.262 m de profundidad

5. CORTEZA TERRESTRE(ciclo básico) • La corteza terrestre tiene un grosor variable que alcanza un máximo de 75 km bajo la cordillera del Himalaya y se reduce a menos de 7 km en la mayor parte de las zonas profundas de los océanos. La corteza continental es distinta de la oceánica. La capa superficial está formada por un conjunto de rocas sedimentarias, con un grosor máximo de 20-25 km, que se forma en el fondo del mar en distintas etapas de la historia geológica. La edad más antigua de estas rocas es de hasta 3 800 millones de años. Por debajo existen rocas del tipo del granito, formadas por enfriamiento de magma. Se calcula que, bajo los sistemas montañosos, el grosor de esta capa es de más de 30 km. La tercera capa rocosa está formada por basaltos y tiene un grosor 15-20 km, con incrementos de hasta 40 km. A diferencia de la corteza continental, la oceánica es geológicamente joven en su totalidad, con una edad máxima de 180 millones de años. Aquí también encontramos tres capas de rocas: la dedimentaria, de anchura variable, formada por las acumulaciones constantes de fragmentos de roca y organismos en los océanos; la del basalto de 1.5 a 2 km de grosor, mezclada con sedimentos y con rocas de la capa inferior y una tercera capa constituida por rocas del tipo del gabro, semejante al basalto en composición, pero de origen profundo, que tiene unos 5 kilómetros de grosor. Parece que la corteza oceánica se debe al enfriamiento de magma proveniente del manto superior.

6. Rocas sedimentarias Rocas tipo granito • Rocas tipo basalto

8. MOVIMIENTO DE TIERRA Se denomina movimiento de tierras a aquellos trabajos que se relacionan con la modificación del terreno. La partida de movimiento de tierra corresponde a la etapa de obra gruesa de un proyecto y para efectos de cubicación y control se mide en metros cúbicos (m3). Esta actividad se divide principalmente en: Excavaciones (cortes, rebajes) Rellenos (terraplenes)

9. EXCAVACIONES Actividad encargada de retirar parte del terreno para ubicar las fundaciones de la edificación futura (civil, vial, urbanismo, etc). Las excavaciones, en general, incluyen el transporte de los materiales hasta los lugares previstos en el Proyecto, sean estos terraplenes, escombreras u otros, cualquiera sea la distancia a recorrer. FACTORES A CONSIDERAR • Maquinarias (características: capacidad volumétrica, velocidad, mantención) • Rendimientos aproximados (eficiencias, por condiciones de terreno, personal, etc) • Transporte de materiales esponjados • Consideraciones de la ejecución • Control (características especiales) • Norma 349.Of1999: “Disposiciones de seguridad en excavación”

10. CLASIFICACIONES • Según los costos (cubicación) y medios (manejo) necesarios para realizar la excavación Excavación en terreno blando. Sencillo (manual). El suelo puede ser de tipo arenoso, arcilloso o limoso, o una mezcla de estos materiales, o puede contener materiales orgánico. Excavación en terreno semiduro. Sencillo (manual). El material puede ser en tal caso una mezcla de grava, arena y arcilla, moderadamente consolidada, o arcilla fuertemente consolidada. Excavación en terreno duro. Manual/maquinaria. El material puede ser una mezcla de grava, arena y arcilla, fuertemente consolidada. Excavación en terreno muy duro. Uso de maquinaria especializada. El tipo de material puede ser una roca semi-descompuesta. Excavación en roca. Uso de explosivos y/o maquinaria. El material puede estar constituido por un manto de roca, o por piedras de gran tamaño, que no pueden ser removidas mediante el uso de maquinaria, sino altamente especializada.

11. EXCAVACIONES De acuerdo a la envergadura y al tipo de obra podemos encontrar: Excavación de escarpe Excavación a mano Excavación a máquina Excavación subterránea Excavación a tajo abierto Excavación con entibación Excavación sin entibación Excavación con agotamiento Excavaciones con socalzado

12. Excavación de Escarpe Retiro de la Capa Vegetal Superficial (limpieza general inicial), que ocurre tras retiro de escombros, desbroce, despeje, corte de árboles, etc). Retiro del material inadecuado** en general. La excavación de escarpe consistirá en la extracción y retiro de la capa superficial del suelo natural, constituido por terreno vegetal, en aquellas áreas donde se apoyarán nuevos terraplenes o ensanches de existentes. Asimismo, se removerá el suelo vegetal y rebajes de los taludes en pendientes y de terraplenes existentes a ensanchar y de otras áreas señaladas en el Proyecto. Salvo indicación contraria en el Proyecto, el escarpe comprenderá la remoción de la capa vegetal superficial, entendiéndose como tal aquellos suelos en que la razón entre los límites líquidos determinados según el Método LNV 89, entre el suelo secado al horno y secado al aire, sea inferior a 0,7. El espesor de escarpe será en general de 15 a 30 cm. El sello de las excavaciones de escarpe se perfilará superficialmente de manera de obtener una superficie relativamente plana y con una pendiente transversal de 2% hacia el exterior de la excavación. El rendimiento dependerá de las condiciones del terreno, de la maquinaria utilizada y experiencia.

13. DESBROCE Consiste en extraer y retirar de las zonas designadas todos los árboles, tocones, plantas, maleza, broza, maderas caídas, escombros, basura o cualquier otro material indeseable según el proyecto.

14. ALGUNAS MAQUINARIAS • Arrastradores de troncos • Cargadores compactos de oruga y todoterreno • Retroexcavadoras y excavadoras • Palas frontales • Desbrozadora manual • Desbrozadora para tractor

15. FAENAS

16. EXCAVACIÓN A MANO El método depende básicamente del volumen y tipo de material a excavar, del acceso en obra para que operen maquinarias y de los costos involucrados. En todo caso, el uso de un sistema u otro, debe estar acorde al método constructivo elegido al hacer la programación de obras (costados verticales excavación, sellos). OBSERVACION: Ninguna excavación hecha a máquina puede llegar al sello de fundación. Los últimos 20 o 30 cm deben ser hechos en forma manual para que el terreno en que se apoyará la estructura no quede removido.

17. EXCAVACIÓN A MANO Herramientas : Las tradicionales ocupadas en estas faenas (chuzo, pala, picota, carretilla, etc). No obstante, debe ponerse especial cuidado en dotar al personal de zapatos, casco y guantes de seguridad. Proceso Constructivo: Materializar niveletas en forma local. Remover el material suelto y profundizar la excavación hasta el sello de fundación. Carretilleo del material extraído. Condiciones de Recepción: Chequear profundidades referidas al nivel 0.00 Chequear anomalías o alteración del sello de fundación para su posterior corrección. Observaciones: Deberá ponerse especial cuidado de no sobre-excavar más abajo del sello de fundación para no alterar la condición del suelo allí existente.

18. EXCAVACION A MANORendimientos Fuente: http://www.polpaicoconexion.cl/manual/pdf/cap_0201.pdf

19. HERRAMIENTAS Y FAENAS

20. EXCAVACION A MAQUINA Dependiendo de las características del suelo es el tipo de maquinaria que resulta más adecuada. Por ejemplo suelos muy duros como rocas o arenas cementadas requieren de martillos para perforar la roca, cuchillas circulares de corte o retroexcavadoras con martillo picador. Por otra parte suelos más blandos permiten trabajar con retroexcavadoras y motoniveladoras. En general, existen aditamentos y accesorios para las grandes máquinas, según el tipo de faena y suelo en que trabajarán. Todas las máquinas utilizadas para realizar procesos de excavación están construidas para hacer frente a las duras condiciones a las que se las somete durante su operación. Por lo general todas están provistas de sistemas de tracción en todas sus ruedas o sistemas de movimiento para poder maniobrar en los terrenos agrestes en las que desarrollan sus tareas. Mientras que algunas poseen neumáticos, otras poseen orugas metálicas. En otras máquinas las cubiertas de caucho están recubiertas de mallas metálicas de forma de proteger la goma contra el daño que de otra forma le producirían las piedras filosas que se excavan.

21. EXCAVACIÓN A MÁQUINA • Generalidades • Elementos protección personal • Equipo/personal de manipulación (y calificación) • Medidas preventivas • Mantención • Aseo • Sistemas de estabilización • Áreas de operación/trabajo • Protocolos (reglamentos) • Otros

22. EXCAVACIONES CON MAQUINARIA • Algunos tipos y características Rendimientos variarán según diversos aspectos.

23. MAQUINARIAS Y FAENAS

24. Y… La máquina de excavación más grande del mundo fue construida por Krupp en 1978. Puede ahondar 10 metros en un minuto.

25. EXCAVACION SUBTERRANEA Los principales retos tienen que ver con la seguridad en términos de posibles emanaciones, filtraciones y derrumbes. En este sistema la maquinaria utilizada es altamente específica.

26. CLASIFICACIONES Según función de destino y plazo de servicio

27. EXCAVACIÓN SUBTERRANEA • Generalidades • Elementos protección personal • Riesgos: • Trauma sonoro • Inhalación de polvo durante la excavación • Caída de altura desde la plataforma de trabajo durante la fase de excavación y hormigonado de la bóveda • Proyección de fragmentos procedentes de la excavación • Caída de materiales procedentes de la excavación • Desplome de la bóveda durante la construcción • Desprendimiento de materiales sobre los operarios • Atropello • Equipo de manipulación (y calificación) • Medidas preventivas • Mantención • Aseo • Sistemas de estabilización y bloqueo • Áreas de operación/trabajo • Protocolos (reglamentos) • Otros

28. METODOLOGÍAS • Trabajos previos (preparación de la zona) • Modalidades de excavación • Con martillos neumáticos manuales • Con martillos neumáticos teledirigidos** • Perforadoras Jumbos / drills • Con rozadora • Con “topo” • Con explosivos

29. EXPLOSIVOS La excavación con explosivos involucra riesgos, es una operación peligrosa que debe ser confiada a personal capacitado para esta especialidad. Por ello se establece un plan de seguridad antes de comenzar con las detonaciones. El trabajo se realiza con unos taladros llamados barrenos, en la roca de mayor o menor longitud, en función del frente a abrir. Luego se limpia el barreno, se carga el cartucho y se lo introduce en el barreno. A continuación se limpia el barreno cuidadosamente, se carga el cartucho, se introduce en el barreno, se retaca, se conectan los detonadores a la fuente de alimentación y se detonan. Después se debe comprobar que todos los barrenos hayan explotado y que no ha habido alguno fallido. Para efectuar desmontes se ejecuta por bancos, no superando nunca los 15 metros de altura. Como explosivos se usan generalmente la pólvora negra, las diversas clases de dinamita (acuosa, emulsión) y ANFO.

30. EXPLOSIVOSClasificación • Explosivos lentos (pólvora negra) Mezcla de carbón, azufre y nitrato de potasio o de sodio • Explosivos violentos (dinamitas) Nitroglicerina absorbida en alguna sustancia porosa inerte • Explosivos de gran seguridad • Materiales para tronaduras (mecha y detonadores)

31. TUNELAJE Los diversos métodos clásicos empleados en la perforación de túneles y que se centran fundamentalmente en diferentes secuencias de excavación son: Método Inglés: recibe su nombre por haber sido aplicado en túneles a través del tipo de terreno que usualmente se localiza en Inglaterra, como son las arenas y areniscas. Su principal característica es proceder el avance de la perforación a sección completa del túnel, en una sola operación. Método Belga: Se basa en los principios que permitieron la construcción, en 1828, del túnel del Charleroi en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi. Método Alemán: En este método se procede siguiendo el sistema de núcleo central, ver figura.

32. TUNELAJE Método Alemán Modificado: Se aplica en el caso en que durante la operación de perforación del túnel a través de un terreno bastante firme, surja la aparición de agua, lo que origina una alteración en el método Clásico Alemán en cuanto a las etapas sucesivas de ataque del frente. Método Austríaco: Los austríacos desarrollaron un plan de trabajo basado en la utilización de puntales de madera formando un sistema de entibación. La excavación se realiza como indica la figura. Método Italiano: Consiste en extraer solo el medio arco más la galería central por la cual se retira la marina, luego se concreta el medio arco, luego se extrae el resto del material por zonas y se van concretando los muros (método similar al método belga).

33. FAENAS Y MAQUINARIAS

34. EXCAVACION A RAJO/TAJO/CIELO ABIERTO (OPEN PIT) Consiste básicamente en una excavación de tipo superficial. El punto más relevante será el manejo/control del talud (y su estabilidad) y de los accesos, en términos del retiro/movimiento de material (maquinaria)**.

35. TALUD • Es un plano inclinado con la horizontal (< 90º). • Ángulo de talud natural (en reposo): • Pendiente máxima de una porción de terreno granular sin que se produzca un deslizamiento. • Siempre relativo a otros parámetros geotécnicos como ángulo de roce interno y cohesión.

36. TALUD

37. TALUD

38. FAENAS Y MAQUINARIAS

39. EXCAVACIÓN CON ENTIBACIÓN • Entibación: protección de refuerzo de paredes con el fin de evitar desmoronamientos, deslizamientos, hundimientos o derrumbes en la zona excavada, necesaria sobre un cierto valor de altura crítica.

40. EXCAVACION CON ENTIBACION La necesidad o no de utilizar entibaciones dependerá de parámetros tales como: • talud natural • capacidad soportante del suelo • nivel freático y/o contenido de humedad • posibilidad de filtraciones • estratificaciones, alteraciones anteriores del terreno • proximidad de edificaciones o instalaciones • fuentes próximas de vibraciones • otros

41. Alturas críticas Hc (m) recomendadas

42. TIPOS DE ENTIBACIONES • Con tablas/piezas horizontales • Con tablas/placas verticales • Semicuajadas • Cuajadas • Ligera • Mixtas

43. ENTIBACIONES

44. OTROS SISTEMAS • Excavaciones tipo pozo (1,5 – 2 m diámetro/diagonal) • Métodos alternativos de control de talud • Bentonita (lodos de perforación) • Estabilización de pared • Sellamiento impermeabilizante de la pared • Otras (potencia taladro, densificantes, etc.) • Shotcrete (mortero proyectado) • Equipamiento • Aditivos • Preparación terreno • Otros • Otros

45. FAENAS

46. EXCAVACION SIN ENTIBACION • Restricciones • Análisis previo • Características geotécnicas del terreno • Ángulo roce interno, cohesión, compactación natural, topografía, otros • Profundidad • Diámetro/Sección • Sistema utilizado • Otros

47. ESPONJAMIENTO • Todos los terrenos al ser excavados sufren un aumento de volumen. Este aumento de volumen, expresado en porcentaje del volumen en sitio, se llama esponjamiento. Si el material se emplea como relleno, puede en general, recuperar su volumen e incluso puede reducirse (volumen compactado). • Para la cubicación del material de la excavación, en general, se considera su volumen antes de ser excavado (en banco); en algún caso el volumen transportado, que es mayor debido al esponjamiento.

48. ESPONJAMIENTO

49. TRABAJO EN CLASES • Calcular el monto total de la faena de movimiento de tierra del siguiente proyecto, según los antecedentes que se indican. • Capacidad camión: 8 m3 • Valor viaje camión retiro material: $45.000 + IVA • Tipo de suelo corte: roca blanda • Tipo suelo relleno: arena húmeda • Largo faja a modificar: 850 m • Talud final corte: 6:5 • Talud final relleno: 2:1 • Arena húmeda: $ 6800 m3 + IVA

50. DIAGRAMA EJERCICIO