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Aplicación de nuevas metodologías de interpretación geotécnica en suelos de Mexicali, Baja California
1. Aplicación de nuevas metodologías de interpretación
geotécnica en suelos de Mexicali, Baja California
Ing. Rafael Ortiz
En colaboración con M.I. Ricardo Cota (UABC) y Dr. Eduardo Rojas (UAQ)
7. Introducción – Contexto Geológico
Los sedimentos se formaron en la ampliación del valle fluvial provocado por las avenidas del río Colorado. Se caracterizan por la presencia de
facies semejantes a las de aluvión de llanura de inundación y de sedimentos lacustres. Su composición granulométrica o litológica es variable:
arenas, limos y arcillas. Son características las capas delgadas con alternancia de horizontes de arenas y limos. (SGM, 2003)
8. Introducción – Contexto Geotécnico
El municipio de Mexicali se encuentra zonificado geotécnicamente en 4 regiones
principales (SIDUE, 2017):
I. Ciudad
II. Rio Nuevo
III. Valle
IV. San Felipe
Las regiones I y III se caracterizan geotécnicamente como depósitos de arcillas de alta y
baja compresibilidad (CH y CL) de varias decenas de metros de espesor y de
consistencia blanda a firme, con lentes de limos y arenas de compacidad suelta que en
eventos sísmicos de gran magnitud pueden llegar a sufrir de efectos de licuefacción
(Santoyo, 1996).
10. Introducción – Contexto Geotécnico
En mi experiencia con trabajos en la zona urbana de Mexicali tenemos:
1. Arcilla superficial (0 – 5 m) SUCS: CH/CL
2. Lentes de limos y arenas (5 m – 8 m): SUCS: ML/SM
3. Arcilla profunda (8 m – 35 m): SUCS: CH
4. Arena (35 m – 45 m): SUCS: SM
5. Arcilla (45 m – >100 m, pozos profundos de Cerro Prieto, CFE); CH
13. Método #1 - Consolidación
Dentro de los análisis geotécnicos de cimentación más comunes en
Mexicali es el cálculo de asentamientos producidos por la
consolidación de materiales de grano fino (limos/arcillas).
Algunos de las formas de calcular estos asentamientos necesitan de
un parámetro obtenido de pruebas de consolidación conocido como la
“presión de preconsolidación” (p’c).
14. Método #1 - Consolidación – Presión de Preconsolidación
La p’c es un punto de inflexión dentro de la curva de compresibilidad
que marca el estado máximo de esfuerzos efectivos a los que estuvo
sujeto el material.
Se interpreta que si la presión de carga de la cimentación está antes
del punto p’c, los asentamientos serán linealmente elásticos. Pasando
el punto p’c punto los asentamientos serán de mayor magnitud ya que
es la rama “virgen” del material.
16. Método #1 – Consolidación – Comportamiento
Uno de los problemas más comunes es la detección del punto donde
está p’c.
La metodología clásica (método de Casagrande) suele ser difícil de
aplicar en casos donde la curva no presenta una inflexión significativa.
Cabeza de ballena Pico de pájaro
18. Método #1 – Consolidación – Historia
La solución de Casagrande era útil para el contexto histórico en el
que vivió. Esto era la tecnología de 1938:
19. Método #1 – Consolidación – Geología
Los suelos en donde se formaron las teorías geotécnicas estuvieron sometidos a esfuerzos de
consolidación altos por la presencia de glaciares. En México no ocurrió éste proceso.
20. Método #1 – Consolidación – Curvas de compresibilidad
Se presenta una curva de compresibilidad en la que presenta una inflexión en
escala semilogarítmica (a) y debajo los mismos datos bajo escala lineal, en donde
este punto de inflexión no está presente (b).
21. Método #1 – Consolidación – Método de Casagrande
Obtenida la curva de compresibilidad en una prueba de
consolidación determínese:
1. El punto de máxima curvatura (T) en la zona de transición
entre el tramo de recompresión (II) y el virgen (I).
2. Por T trácese una horizontal (h) y una tangente a la curva (t).
3. Determínese la bisectriz (c) del ángulo formado por las
rectas h y t.
4. Prolónguese el tramo virgen hacia arriba, hasta interceptar a
la bisectriz.
5. Ese punto de intersección (C) tiene como abscisa,
aproximadamente, la carga de preconsolidación (pc) del
suelo
(Juárez Badillo, 2011)
22. Método #1 – Consolidación – Método de Wesley (adaptado de Janbu)
Obtenida la curva de compresibilidad en una prueba de
consolidación en escala semilogarítmica:
1. Se gráfica la curva de relación de vacíos y presión
aplicada, utilizando en ambos ejes una escala linear.
Se compara con la curva y se verifica la existencia del
punto p’c en ambas.
2. De no existir p’c se anota en observaciones y se
señala en la curva original con un asterisco (*).
3. Se grafica la deformación (eje vertical, escala linear)
producida al estado de esfuerzos (eje horizontal,
escala linear) a los que esta sometido el material.
4. Se observa el tipo de comportamiento, de existir el
punto de “presión de fluencia” se anota en
observaciones.
(Wesley, 2019)
23.
24. Método #1 – Consolidación – Datos Experimentales de Mexicali
Como experimento se determino el comportamiento de la información de 6 pruebas
de consolidación ensayadas en muestras inalteradas extraídas de diferentes
puntos de la Ciudad y Valle de Mexicali (cubicas y muestreador de pared delgada).
Estos sitios no tenían desarrollo urbano (no hay sobrecarga).
Utilizando el material de recorte del labrado de la muestra se determinaron pruebas
índice como el contenido de agua (SCT M·MMP·1·04/03), límites de Atterberg
(SCT M·MMP·1·07/07), relación de vacíos inicial (ASTM D854) y densidad de
sólidos.
25. Método #1 – Consolidación – Datos Experimentales de Mexicali
Las pruebas de consolidación se realizaron bajo el estándar ASTM D2435 que
determina las propiedades de consolidación unidimensional de los suelos por
medio de incrementos de carga y se utilizó el modo de ensaye A, que utiliza
incrementos de carga constante durante 24 horas o múltiplos de estas.
Los intervalos de carga fueron de 0.98, 30.84, 61.21, 123.02 y 246.53 kPa (0.010,
0.314, 0.624, 1.254 y 2.514 kgf/cm2).
Las pruebas se realizaron en un periodo total de 90 a 100 horas dependiendo del
comportamiento de las curvas de consolidación.
La descarga del espécimen y la consolidación secundaria no eran de interés
para esta investigación.
26.
27. Método #1 – Consolidación – Resultados Experimentales de Mexicali
Muestra Profundidad SUCS
Contenido
de agua
ω
Límite
Líquido
LL
Límite
Plástico
LP
Relación de vacíos
inicial
eo
Densidad
de sólidos
Gs
Grado de
saturación
Gw
A 2.70 m CH 24.7% 63% 31% 0.775 2.78 71.0
B 2.80 m CL 21.9% 49% 26% 0.615 2.59 92.2
C1 3.50 m CH 19.8% 62% 26% 0.535 2.77 102.6
C2 4.70 m CH 19.6% 52% 21% 0.544 2.74 98.6
D1 3.50 m CL 27.7% 26% 13% 0.721 2.67 102.5
D2 5.60 m CL 27.9% 23% 14% 0.805 2.70 93.6
28. Método #1 – Consolidación – Relación de Preconsolidación
En la interpretación se calcula la Relación de Preconsolidación, que
es la relación entre el valor de presión de preconsolidación (p’c) y la
presión efectiva a la profundidad del material (σ’vo).
Si el OCR es 1, el material se encuentra normalmente consolidado; si
es mayor a 1, el material esta preconsolidado y si es menor a 1 el
material se encuentra bajo consolidación.
𝑂𝐶𝑅 % =
𝑝𝑐
′
𝜎𝑣𝑜
′
29. Método #1 – Consolidación – Resultados Experimentales de Mexicali
Muestra Profundidad SUCS
Índice de
Liquidez
P’c
Casagrande
(kPa)
P’c
Wesley
(kPa)
Presión efectiva
(kPa)
OCR
Casagrande
(%)
OCR
Wesley
(%)
A 2.70 m CH -0.19 127.49 93.17 49.51 2.57 1.88
B 2.80 m CL -0.16 127.49 90.22 51.51 2.37 1.68
C1 3.50 m CH -0.16 57.86 88.26 74.21 0.78 1.19
C2 4.70 m CH -0.03 78.46 - 97.21 0.80 -
D1 3.50 m CL 1.12 65.71 46.09 68.00 0.97 0.68
D2 5.60 m CL 1.53 117.68 - 105.06 1.12 -
30.
31.
32.
33. Método #1 – Consolidación – Comportamiento Esfuerzo-Deformación
En cuanto al comportamiento de esfuerzo-deformación de los materiales, utilizando
la gráfica propuesta por Wesley tenemos 3 comportamientos significativos.
34.
35.
36.
37. Método #1 – Consolidación – Resumen de Resultados
Los suelos finos del tipo “Arcilla gruesa” y “Arcilla ligera” (CH y CL de acuerdo al SUCS) de
Mexicali, Baja California tienen dos comportamientos significativos:
1) Las capas superficiales muestran un punto de presión de fluencia, en donde este
punto es menor o similar al punto de presión de consolidación obtenido por el método
gráfico de Casagrande y tienen un comportamiento de reblandecimiento por
deformación (strain softening).
2) Las capas profundas presentan un comportamiento de endurecimiento por
deformación (strain hardening) sin un punto claro de inflexión que pueda ser
interpretado como una presión de preconsolidación de acuerdo al método gráfico.
38. Método #1 – Consolidación – La práctica profesional
NTC Baja California 2017
NTC CDMX 2017
En la práctica común en Mexicali los cálculos de asentamiento por consolidación se realizan de acuerdo al método
propuesto por la Norma Técnica Complementaria de Diseño y Construcción de Cimentaciones del Estado de Baja
California, en el cual propone el uso de módulo de compresibilidad (mv) de acuerdo al rango de presiones a las que estará
sujeto el terreno (SIDUE, 2017).
39. Método #1 – Consolidación – Conclusiones
Los suelos de Mexicali pueden tener
comportamientos que la gráfica
semilogarítmica no expresa
adecuadamente.
40. Método #1 – Consolidación – Conclusiones
Como aporte a la práctica profesional se recomienda que las pruebas de consolidación que se incluyan en
reportes geotécnicos tengan la gráfica de curva de compresibilidad en escala semilogarítmica y lineal para
que se pueda observar si hay una similitud de comportamiento entre ambas.
41. Método #1 – Consolidación – Conclusiones
Adicionalmente se recomienda la adición de la gráfica de comportamiento esfuerzo-deformación en el reporte
de laboratorio o en el informe geotécnico para poder identificar visualmente el tipo de material a tratar.
43. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Límites de Atterberg
La plasticidad del suelo es una propiedad muy importante, ya que
describe el comportamiento de los suelos finos.
La plasticidad se define por los limites de Atterberg, que definen la
consistencia del material cuando tiene un determinado contenido de
agua.
Los dos límites principales para la clasificación de suelos son el
límite líquido y el límite plástico.
44. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Límites de Atterberg
El límite líquido (LL) es el contenido de agua donde el suelo
remoldeado se comporta como una plasta blanda (pasta de dientes)
El límite plástico (LP) es el contenido de agua donde el suelo
remoldeado se comporta como una pasta dura (caramelo suave)
La diferencia entre el límite líquido y límite plástico es el índice de
plasticidad, IP, IP = LL – LP.
Se ha encontrado que el índice de plasticidad esta relacionado con
algunas propiedades útiles del suelo (Briaud, 2013)
45. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos
En la práctica de ingeniería clasificamos los suelos de grano fino como aquellos
que tiene un material menor a 75 μm en un porcentaje mayor al 50% en masa de
acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).
En el SUCS reconocemos 3 grupos de suelos finos (suelos orgánicos, limos y
arcillas).
Aunque la clasificación tiene un componente de tamaños, el SUCS usa los
límites de Atterberg para clasificarlos de acuerdo a su comportamiento de
plasticidad y se colocan en una Carta de Plasticidad.
46. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Carta de Casagrande
Símbolo Nombre Condiciones
CH
Arcilla de baja
compresibilidad
Arcilla ligera
Limite líquido < 50 y IP ubicado por encima de la línea A.
CL
Arcilla de alta
compresibilidad
Arcilla gruesa
Limite líquido > 50 y IP ubicado por encima de la línea A.
ML
Limo de baja
compresibilidad
Limo
Limite líquido < 50 y IP ubicado por debajo de la línea A.
MH
Limo de alta
compresibilidad
Limo elástico
Limite líquido > 50 y IP ubicado por debajo de la línea A.
ML-CL Arcilla limosa IP entre 4-7 y LL ente 5-25
OL
Suelo orgánico de baja
compresibilidad
Relación entre Límite líquido en condiciones naturales y
Límite líquido después de secado en horno < 0.75 y
Límite líquido en condiciones naturales < 50
OH
Suelo orgánico de baja
compresibilidad
Relación entre Límite líquido en condiciones naturales y
Límite líquido después de secado en horno < 0.75 y
Límite líquido en condiciones naturales < 50
47. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Carta de Polidori
El Dr. Ennio Polidori realizó una investigación de experimentos publicados de
mezclas de minerales de arcilla como montmorillonita, caolinita y arenas de cuarzo.
La montmorillonita es un mineral muy plástica, alto límite líquido y límite plástico.
La caolinita es un mineral de baja plasticidad, bajo límite líquido y bajo limite
plástico.
La arena de cuarzo es una arena muy fina y no tiene plasticidad.
49. Método #2 – Plasticidad – Antecedentes – Carta de Polidori
Las mezclas de suelos no correspondían en la clasificación de Casagrande ya que
Casagrande no consideró la Actividad del suelo, por lo que Polidori crea una nueva
carta considerando esta propiedad.
Simbología Nombre
CH
Arcilla de baja compresibilidad
Arcilla ligera
CL
Arcilla de alta compresibilidad
Arcilla gruesa
ML
Limo de baja compresibilidad
Limo
MH
Limo de alta compresibilidad
Limo elástico
OL Suelo orgánico de baja compresibilidad
OH Suelo orgánico de baja compresibilidad
50. Método #2 – Plasticidad – Metodología – Base de datos
La empresa ROMA SOL Ingeniería S. de R.L. de C.V. proporcionó a los autores
una base de datos (referida como MXLI) de los resultados de 112 pruebas de
laboratorio para determinar límites de Atterberg (Límite Líquido y Límite Plástico)
realizadas en suelos de grano fino en la Ciudad de Mexicali y en las inmediaciones
del Valle de Mexicali con la mancha urbana.
La obtención de estos suelos fue por medio de sondeos de penetración estándar y
de pozos a cielo abierto.
El propósito de estas pruebas de límites de Atterberg era la caracterización
geotécnica del subsuelo como parte de los estudios de mecánica de suelos que
esta empresa realiza en Mexicali, Baja California.
51. Muestreo
Muestras de suelo probadas y
listas para secado
Límite Líquido
Copa de Casagrande
Límite Plástico
Rollos
52. Método #2 – Plasticidad – Metodología – Cartas de
Plasticidad
Base de Datos MXLI
Carta de Plasticidad SUCS
Carta de Plasticidad Polidori
53. Método #2 – Plasticidad – Resultados – Carta de
Plasticidad SUCS
Grupo
Cantidad de
elementos
Observaciones
CH 53
LL: 50.9 – 77
IP: 24.98 – 42.57
CL 48
LL: 22.0 – 50
IP: 7.81 – 26.34
MH 1
Anomalía, no es un suelo común en
Mexicali. Posible error de operador.
ML 7
LL: 19.8 – 47.1
IP: 0.06 – 17.56
ML-CL 3
LL: 25.2 – 29
IP: 5.3 – 6.99
55. Método #2 – Plasticidad – Resultados – Números
Podemos observar el grupo de arcilla ligera se reclasifica como limos.
Suelos de MXLI de acuerdo a Casagrande
Símbolo Nombre Número Observaciones
CH Arcilla gruesa 53
LL: 50.9 – 77
PI: 24.98 – 42.57
CL Arcilla ligera 48
LL: 22.0 – 50
PI: 7.81 – 26.34
MH Limo elástico 1 Raro, posible error.
ML Limo 7
LL: 19.8 – 47.1
PI: 0.06 – 17.56
ML-CL Arcilla limosa 3
LL: 25.2 – 29
PI: 5.3 – 6.99
Suelos de MXLI de acuerdo a Polidori
Símbolo Nombre Número Observaciones
OL Suelo orgánico 2
LL: 21.09 – 28
IP: 0.06 – 4
CL Arcilla ligera 5
LL: 39.8 – 48.6
IP: 14.64 – 23.08
CH Arcilla gruesa 48
LL: 50.9 – 77
IP: 24.98 – 42.57
ML Limo 43
LL: 19.8 – 50
IP: 0.66 – 26.34
MH Limo elástico 6
LL: 51.4 – 64.6
IP: 28.72 – 39.36
56. Método #2 – Plasticidad – Resultados
Mientras esperamos que la arcilla gruesa mantuviera su clasificación
nos sorprendió el cambio del grupo de arcilla ligera.
Este cambio puede ser explicado por la presencia de materiales gruesos
como arenas.
Desafortunadamente la base de datos MXLI no tiene incluida los
resultados de cantidad de finos/arenas.
Se deberían de realizar pruebas adicionales de granulometría vía
humeda y mineralogía para verificar estos resultados.
59. Las fronteras geotécnicas en Mexicali
1. La aplicación del conocimiento de Suelos No Saturados.
2. Caracterización Mecánica en Sitio
3. Caracterización en Laboratorio
4. Aplicación de Mejoramiento de Suelos
60. Frontera geotécnica – Suelos No Saturados
Los suelos superficiales presentan desecación por el clima desértico y poca
cantidad de lluvia anual.
Las propiedades mecánicas y de deformación de los suelos están en función de la
saturación de los materiales y algunos comportamientos se expresan en baja
saturación (suelos expansivos, suelos colapsables).
En Mexicali se han determinado los valores de presión de expansión pero no se
han determinado la curva de retención de agua característica.
Por lo cual los suelos de Mexicali aún no han sido caracterizados bajo el paradigma
de suelos no saturados.
61. Frontera geotécnica – Caracterización Mecánica en Sitio
Mexicali tiene la estratigrafía optima para poder realizar pruebas de sitio
más avanzadas que la Prueba de Penetración Estándar (SPT/SPE).
Las pruebas a realizar son:
• Presiómetro de Menard (PMT) – Arcillas y arenas
• Piezocono (CPTu) – Arcillas blandas (considerar SNS)
• Ficómetro – En zonas de arenas limosas profundas
62. Frontera geotécnica – Caracterización en Laboratorio
Realización de pruebas más avanzadas:
• Granulometría por vía humeda (hidrómetro)
• Límites de Atterberg por medio de Cono Ingles
• Plasticidad con materiales exclusivos > 75 μm
• Triaxiales que consideren condiciones SNS (TCD, TUU con presión
de aire)
• Consolidación con Deformación Controlada (CRS)
• Consolidación con esquema de cargas diferentes
63. Frontera geotécnica – Aplicación de Mejoramiento de Suelos
Debido a que se tiene una capa cercana a la superficie que puede
sufrir de licuación (arena fina saturada) la implementación de un
mejoramiento de suelos como pilas de agregado apisonado que
incrementa la capacidad de carga de la arcilla blanda y actúan como
drenajes para disipar la presión de poro que puede provocar
licuación.
Queda aún la investigación de la interacción de este mejoramiento
con la expansión del suelo de Mexicali.
64. Agradecimientos
• ROMA SOL Ingeniería S. de R. L. de C.V. por la información
geotécnica proporcionada.
• Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Facultad de Ingeniería de
la Universidad Autónoma de Baja California por su apoyo en la
ejecución de las pruebas de consolidación.
• Dr. Eduardo Rojas González (Universidad Autónoma de
Querétaro por su colaboración en estas investigaciones.
• Familia y amigos, en su apoyo en la profesión.
65. Referencias
• ASTM D2435 (2011). “Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading”, ASTM
International, West Conshohocken, PA.
• Campos G. J.M. (1974). Capitulo V: Mexicali, B. C., VII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Tomo I. Guadalajara, Sociedad Mexicana de
Mecánica de Suelos SMMS, México
• Gouw T. (2017). ”Consolidation parameters – alternative to Casagrande and Taylor methods” Proceedings of the 19th International Conference
on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Seúl, Corea del Sur. 2985-2991.
• Juárez E. (2011). Mecánica de suelos I (Vol. 1). ed. Limusa. 644 p.
• Rangel-Núñez et. al (2010). “Efectos geotécnicos y estructurales observados en el valle y ciudad de Mexicali, provocados por el sismo El Mayor
Cucapah del 4 de abril de 2010”, XXV Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Acapulco México.
• Santoyo E. y Montañez L. (1976). Mexicali, B. C., VIII Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Tomo II. Guanajuato, Sociedad Mexicana de
Mecánica de Suelos SMMS, México
• SIDUE (2017) “Normas Técnicas Complementarias de la Ley de Edificaciones del Estado de Baja California, de Seguridad Estructural en
materia de Criterios y Acciones de Diseño y Construcción de Cimentaciones”, Gobierno del Estado de Baja California.
• Wesley L.D. (2019) “Genuine and false pre-consolidation and yield pressures”. E3S web of conferences. EDP Sciences.
66. Referencias
• Polidori, E. (2003). Proposal for a new plasticity chart. Géotechnique, 53(4), 397-406.
• Li, K. S., Prakash, K., & Sridharan, A. (2004). Proposal for a new plasticity chart-Discussion. Géotechnique, 54(8), 555-560.
• Seed, H. B., Woodward, R. J. & Lundgren, R. (1964). Fundamental aspects of the Atterberg limits. J. Soil Mech. Found. Div., ASCE 90, No. SM6,
75–105.
• Casagrande, A. (1948). Classification and identification of soils. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 113(1), 901-930.
• Mesri, G. & Cepeda-Diaz, A. F. (1986). Residual shear strength of clays and shales. Géotechnique 36, No. 2, 269–274.
• Narsilio, G. A., & Santamarina, C. (2016). Clasificación de suelos: fundamento físico, prácticas actuales y recomendaciones. Georgia Institute of
Technology, Atlanta, GA, USA.
• Crevelin, L. G., & Bicalho, K. V. (2019). Comparison of the Casagrande and fall cone methods for liquid limit determinations in different clay soils.
Revista Brasileira de Ciência do Solo, 43.
67. Referencias
• Wood, D. M., & Wroth, C. P. (1978). The use of the cone penetrometer to determine the plastic limit of soils. Ground Engineering, 11(3).
• Hind, K. J., Alexander, G. J., & Chin, C. Y. (2017). The Casagrande plasticity chart–does it help or hinder the NZGS soil classification process?. In
Proceedings of the 20th New Zealand Geotechnical Society Geotechnical Symposium, Napier, New Zealand (pp. 1-8).
• Wesley, L. D. (2010). Geotechnical engineering in residual soils. John Wiley & Sons
68. Información Adicional
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