1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍÍAA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
SECCIÓN DE POST GRADO
INTRODUCCIÓN Y
CONCEPTOS BÁSICOS
INTRODUCCIÓN Y
CONCEPTOS BÁSICOS
Dr. Jorge E. Alva Hurtado

2. INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS
INTRODUCCIÓN
ESFUERZO EFECTIVO
Definición
Naturaleza del Esfuerzo Efectivo
El Principio de Esfuerzos Efectivos en Suelos Secos o
Saturados
El Principio de Esfuerzos Efectivos en Suelos
Parcialmente Saturados
Cálculo del Esfuerzo Efectivo

3. - La Mecánica de Suelos es una Ciencia y la Ingeniería de
Cimentaciones es un Arte.
- Atributos para practicar con éxito la Ingeniería de Cimentaciones
a) Conocimiento de antecedentes
b) Familiaridad con la Mecánica de Suelos
c) Conocimiento práctico de la Geología
- Según Peck, el atributo más importante es el conocimiento de
antecedentes. La experiencia debe buscarse y seleccionarse.
IntroducciIntroduccióónn

4. - La Mecánica de Suelos hace posible que la experiencia se pueda
organizar y aplicar a nuevos problemas; sin embargo, no es sustituto
de la experiencia.
- La Geología permite evaluar las discrepancias de las hipótesis
simplificadoras y la realidad. Se necesita la Geología para planificar
un programa de exploración de campo.
- En el curso nos limitaremos a la familiaridad con la Mecánica de
Suelos.
IntroducciIntroduccióónn

5. Definición
Es la diferencia entre el esfuerzo total en una dirección y la presión
de poros en los vacíos del suelo.
Naturaleza del Esfuerzo Efectivo
El suelo es una estructura de esqueleto de partículas sólidas en
contacto, formando vacíos intercomunicados. Los vacíos están
total o parcialmente llenos de agua.
El comportamiento del suelo depende de la interación entre la
estructura del suelo y el fluído. El comportamiento está referido a la
compresibilidad y resistencia cortante.
u−= σσ
Esfuerzo EfectivoEsfuerzo Efectivo
La naturaleza física puede entenderse intuitivamente de la Fig. 1.

6. Presión de
poros
Membrana flexible impermeable
Suelo saturado
Esfuerzo total
aplicado
externamente
σ μ
μ
Fig. 1 : Modelo intuitivo del suelo demostrando la naturaleza del esfuerzo efectivo

7. a) El esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo total menos la presión de
poros.
a) El esfuerzos efectivo controla ciertos aspectos del comportamiento
del suelo, especialmente la compresibilidad y la resistencia.
Existen dos condiciones necesarias y suficientes
1) Las partículas del suelo son incompresibles
2) El esfuerzo de fluencia en la partícula sólida es independiente del
esfuerzo de confinamiento.
El Principio de Esfuerzos Efectivos en SuelosEl Principio de Esfuerzos Efectivos en Suelos
Secos o SaturadosSecos o Saturados

8. a = área de contacto entre partículas por área unitaria
ψ = ángulo de fricción intrínsico de sólidos
φ = ángulo de fricción del material poroso
Cs = compresibilidad de la sustancia sólida
C = compresibilidad del material poroso
Para suelos secos y saturados k = 1
ku−= σσ
Para resistencia cortante
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ −=
φ
ψ
tg
tga
k 1
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ −=
C
C
k s
1 Para cambios volumétricos

9. En la Fig 2 se presentan los posibles estados del suelo, aire y
agua:
El Principio de Esfuerzos Efectivos en SuelosEl Principio de Esfuerzos Efectivos en Suelos
Parcialmente SaturadosParcialmente Saturados
σ = σ - μa – ψ (μa - μw)
σ = σ - k1 μw – k2 μa
μw = presión de poros en el agua
μa = presión de poros en el aire
σ = σ - μa – ψ (μa - μw)
ψ = parámetro que depende del grado de saturación Sr y del ciclo
humedecimiento-secado o cambio de esfuerzo del espécimen.
Los valores de ψ no son necesariamente las mismos para resistencia
cortante y compresibilidad

10. a) El fluido de poros es solo agua, presión
positiva.
b) El fluido de poros es agua con burbujas de
aire, presión positiva
c) El fluido de poros es agua con burbujas de
agua, presión negativa
d) El fluido de poros es agua con burbujas de
aire, y vacíos de aire conectados a la
atmósfera, presión negativa
Fig. 2 : Estados del agua-aire en relación con el principio de esfuerzos efectivos
(Jennings,1961)

11. Deben determinarse separadamente el esfuerzo total y la presión
de poros.
Para una condición típica de terreno en reposo con nivel freático
en superficie. El esfuerzo vertical es γD y la presión de poros γw D
CCáálculo del Esfuerzo Efectivolculo del Esfuerzo Efectivo

12. Esfuerzos totales Presión de poros Esfuerzos efectivosColumna
unitaria
σv
σh
μ ( σh - μ )
( σv - μ)
D
Fig. 3 : Esfuerzos “in situ” en reposo debido al peso del suelo

13. La carga súbita sobre un terreno arcilloso conlleva el aumento de
la presión de poros. Con el tiempo este exceso de presión de
poros se disipará.
En la Fig. 4 se muestra la variación de la carga piezométrica con el
tiempo.

14. Fig. 4 : Variación de la presión de poros en una arcilla natural debido a carga rápida
Nivel del agua
Medidores
del nivel de
agua
Nivel del terreno
t = 0
t > 0
t > 0
t = ∞
Terraplén construido
rápidamente
Δu
γw

15. En suelos sujetos a carga rápida existen efectos de la deformación
del suelo a volumen constante, compresibilidad del fluido y la
dependencia de las propiedades estructurales en el exceso de
presión de poros
=μΔ )( 313
σΔ−σΔ+σΔ AB
ab
μμμ Δ+Δ=Δ
3
σμ Δ=Δ Bb
)( 31
σσμ Δ−Δ=Δ Aa
En un ensayo triaxial se mide B en la etapa de incremento
isotrópico de la presión de confinamiento y A durante la
aplicación de la carga axial.

16. Fig. 5 : Componentes del exceso de presión de poros generado por un aumento de
carga (Δσ1 > Δσ2 = Δσ3)
Δσ3
Δσ3
=
Δσ3
( )Δ Δσ σ
1
− 3Δσ
1
+
0
w
u
γ
Δ
w
ub
γ
Δ
w
ua
γ
Δ

17. PROPIEDADESPROPIEDADES ÍÍNDICE YNDICE Y
CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE SUELOSN DE SUELOS
Atributos de Propiedades Índice
• simple de expresarse, con valor numérico
• medirse rápidamente
• medición de bajo costo
• significativa
• reproducible

18. Suelos Granulares
minmax
max
ee
ee
Dr −
−
=
1060
2
30'1060'10 // DDDCDDCD cu
==
Granulometría
Densidad Relativa
Ensayo de Penetración Estándar SPT.

19. 10 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0001
M.I.T. Arena Limo Arcilla
FinaMediaMediaGruesa Fina Grueso FinoMedio GruesaClasificación
Diámetro (mm)
CURVA GRANULOMÉTRICA (Lambe, 1951)
100
90
80
70
60
50
40
20
30
10
0
Porcentajequepasa,enpeso
Por tamices
+ Por hidrómetro

20. Compacidad Relativa de ArenaCompacidad Relativa de Arena
Valor de N Compacidad
(golpes/pie) Relativa
0-4 Muy Suelta
4-10 Suelta
10-30 Media
30-50 Compacta
> 50 Muy Compacta

21. Resistencia de la ArcillaResistencia de la Arcilla
Valor de N Resistencia Compresión Consistencia
(golpes/pie) No-confinada, qu (Kg/cm2)
< 2 < 0.25 Muy Blanda
2-4 0.25 – 0.50 Blanda
4-8 0.50 – 1.00 Media
8-15 1.00 – 2.00 Semidura
15-30 2.00 - 4.00 Dura
> 30 > 4.00 Rígida

22. Suelos CohesivosSuelos Cohesivos
Límites de Atterberg
LPLL
LPw
IL
LPLLIP
−
−
=
−=
Ensayo de Penetración Estándar SPT
Ensayo de Compresión No-Confinada
Condición del suelo Límite Símbolo
Líquido
Límite Líquido LL
Plástico
Límite Plástico LP
Semi-sólido
Límite de Contracción LC
Sólido

23. Carta de Plasticidad de Casagrande
LIMITE LIQUIDO
CH
MH
OH
300
200
100
0
100 200 300 400
70
60
50
40
30
20
10
CL
ML
OL
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
MH
OH
CH
INDICEPLASTICO
LINEA
“A”
LINEA
“A”
ip =
0.73 (ll –20)
CL - ML

24. ClasificaciClasificacióón de Suelosn de Suelos
MAT. GRUESO (+ 50% RET. Nº 200)
GW grava bien graduada
GP grava mal graduada GRAVAS
GM grava limosa (+ 50% ret. Nº 4)
GC grava arcillosa
SW arena bien graduada
SP arena mal graduada ARENAS
SM arena limosa ( + 50% pasa Nº 4)
SC arena arcillosa
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos - SUCS
Análisis Granulométrico
Carta de Plasticidad

25. Pasa Nº 200
< 5% GW, GP, SW, SP GW Cu > 4 Cc = 1-3
> 12% GM, GC, SM, SC SW Cu > 6 Cc = 1-3
5-12% Símbolo doble GM, GC carta de plasticidad
SM, SC
ClasificaciClasificacióón de Suelosn de Suelos

26. ML limo inorgánico y arena muy fina, polvo de roca, arena fina
limosa o arcillosa, baja plasticidad.
CL arcilla de baja a media plasticidad, arcilla con grava, arenosa o
limosa.
OL limo orgánico y arcillas limosas orgánicas de baja plasticidad.
MH limo inorgánico, suelos limosos o arenosos finos micáceos
o con diatomeas.
CH arcilla inorgánica de alta plasticidad, arcilla grasa.
OH arcilla orgánica de plasticidad media a alta.
Pt turba y otros suelos altamente orgánicos.
Material Fino (+ 50% pasa NMaterial Fino (+ 50% pasa Nºº 200)200)

27. Tabla 3.5 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

28. Relaciones entre Fases del SueloRelaciones entre Fases del Suelo
En Volumen:
Porosidad:
Proporción de Vacíos
Grado de Saturación
V
V
n v=
s
v
V
V
e =
v
w
V
V
Sr
=
n
ne -
=
1
e
e
n +
=
1
SÓLIDOS
AGUA
1.0
n
1-n
AGUA
1+e
e
1.0
SÓLIDOS

29. En Peso:
Contenido de Humedad W
W
w w=
Masa del Suelo
Agua
Partículas Sólidas
Peso Específico Relativo
s
o
t
mG γ
γ
=
o
w
mG γ
γ
=
o
s
G γ
γ
=
γo = Peso especifico del agua a 4° C = γw
NOTA: G w = Sr e

30. Total
De las partículas sólidas
Del agua
Seco
Suelo Sumergido
Suelo Sumergido Saturado
Peso Específico
s
s
s
V
W=γ
wwtb
e
Sr)eG γγγγ
+
−−−
=−=
1
1(1
w
w
w
V
W=γ
wwtb
e
G γγγγ
+
−=−=
1
1
wGW ++ 1
ww G
e
γ
+1t
eV
γγ =
+
==
1
Sr e
wSrwG
G
v
W tW
w
s
d ++
=
+
==
/
γγ
γγ
e
G
1 1 1
=

31. Cuarzo 2.65 Pirofilita 2.84
Feldespato –K 2.54-2.57 Serpentina 2.2-2.7
Feldespato – Na-Ca 2.62-2.76 Caolinita 2.61 a 2.64 ± 0.02
Calcita 2.72 Haloisita (2H2O) 2.55
Dolomita 2.85 Ilita 2.84 a 2.60-2.86
Moscovita 2.7-3.1
Biotita 2.8-3.2 Montmorilonita 2.74 a 2.75-2.78
Clorita 2.6-2.9 Atapulgita 2.30
Pesos Específicos Relativos de Algunos Minerales
(a) Calculado a partir de la Estructura Cristalina

32. Relaciones entre las Fases de un Suelo
(a) Volúmenes (b) Pesos
Vv
Aire
Vw
V
Va
Vs
Wa ≈ o
Ws
Ww
W
Agua
Solidos
a) Suelo Natural
b) División en Fases

33. Resistencia CortanteResistencia Cortante
Aparato de Corte Directo
Esfuerzos en un Punto – Circulo de Mohr
Ensayo de Corte Triaxial
No consolidado – No drenado
Consolidado – Drenado
Consolidado – No drenado
Resistencia Cortante de Arenas Secas
Resistencia Cortante de Arenas Saturadas
Resistencia Cortante de Arcillas Saturadas
Resistencia Cortante de Arcillas Parcialmente Saturadas

34. Fig. 1 : Bloque deslizante en un plano
Fig. 2 : Oblicuidad del esfuerzo resultante
Coeficiente de fricción = μ
N
A
=σ
F
A
=τ
∅
Fig. 3 : Diagrama de esfuerzo para un bloque deslizante en un plano
∅
σ
R
τ
σ
τ

35. Fig. 4 : Aparato de corte directo
∅
σ
Fig. 5: Diagrama de falla para una arena seca ensayada
en corte directo
Fig. 6: Diagrama de falla para una arcilla dura
ensayada en corte directo
τ
C
∅
σ
A
N
=σ
A
F
=τ

36. Fig. 8: Círculo de MohrFig. 7: Esfuerzos actuantes en un elemento
diferencial de suelo
τ
σ3 σ1
2 α
σ
τ
σ
σ1
σ3
α
ds
dx
dz

37. Fig. 9: Celda triaxial
Pared cilíndrica de celda
(plástico)
Sello o-ring
Membrana de jebe
Piedra porosa
Pedestal de base
Conexión para aplicar
presión de celda
Pistón de carga (acero inoxidable)
Placa superior de celda (metal)
Tapa superior (plástico o metal)
Muestra de suelo
Fluído de celda (agua)
Conexión de drenaje
Guía

38. Fig. 10: Estado inicial de esfuerzo en el ensayo
triaxial
τ
σ1 = σ 3
σ
τ
σ
Fig. 11: Círculos de Mohr de esfuerzo en la
falla
∅
τ
σ
Fig. 12: Círculo de Mohr y envolvente de falla para
arena seca

39. Fig. 13: Plano de falla en el ensayo
triaxial
τ
Fig. 14: Diagrama de falla en función de
esfuerzos efectivos para arena
saturada
φ
σ
σ1
σ3 σ3
σ1
45°+ φ / 2

40. 4
(σ1-σ3)-Kg/cm2
3
2
1
0
0
-1
-2
0 4 12 16
(Incremento) +1
Cambio
Volumétrico - %
(Decremento)
Deformación axial - %
Suelta
Media
Densa
Suelta
Media
Densa
8
Fig. 15: Relaciones esfuerzo - deformación y cambio
volumétrico - deformación para arena drenada

41. Fig. 16: Estructuras de granos densa y suelta
τ
s = C
Q
σ
σ
τ
Fig. 17: Envolvente de falla de arcilla saturada
Fig. 18: Círculo de Mohr y envolvente de falla para el
ensayo de compresión no confinada
σ3 = 0 σ1 = qu
densa suelta

42. Fig. 19: Variación de resistencia con profundidad
s = C
Q
Profundidad-Z

43. Fig. 21: Envolvente de falla recta equivalente
Fig. 20: Envolvente de falla para arcilla parcialmente saturada
τ
σ
τ
σ
c
Rango de
esfuerzos en el campo
∅

44. EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO UU
(NO CONSOLIDADO-NO DRENADO)
a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO RÁPIDAMENTE SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA
BLANDA
τff = Su insitu
b) PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUÍDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN EL
CONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLA
c) ZAPATA CONTÍNUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLA
τff = Su del núcleo de arcilla compactada
de la fórmula de capacidad de carga de Terzaghi con φ = 0
qu = 5.7 Su + γt D
B
D
qu
τff
τff

45. a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DE
ARCILLA BLANDA
τff = Sd resistencia cortante drenada insitu
b) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTE
τff
τff = Sd del núcleo de arcilla
c) ZAPATA CONTÍNUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LA
CONSTRUCCIÓN
donde Nc, Nγ y Nq son función de φ
B
qu
EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD
(CONSOLIDADO - DRENADO)
τff
D
qu DNNBNccq γγ γ ++=
2
1

46. a) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL
τff = Su insitu después de consolidación bajo capa
1
b) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEO
c) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURAL
τff
τff = Su del núcleo correspondiente a consolidación bajo
infiltración constante antes del desembalse
τff = Su insitu de arcilla en el talud natural antes de
construcción
τff
τff
EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU
(CONSOLIDADO - NO DRENADO)
2
1

47. ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA
Linea K f
ESP
SDL
TSP
P P,
P P,
ARCILLA SOBRECONSOLIDADA
(O C R > 4)
b
b
RESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA
ESP-CargaD
renada
SDU
SU
us
SDL
SU
us
SDU
N
o
D
renada
ESP-D
escarga
D
renada