Post on 06-Feb-2018
Capítulo I:
INTRODUCCIO N
DEFINICIONES INTRODUCTORIAS
Mecánica: es la parte de la ciencia física que trata de la acción de las fuerzas sobre los cuerpos.
Mecánica de Suelos: es la aplicación de la mecánica que trata de la acción de las fuerzas sobre la
masa de los suelos. La mecánica de suelos estudia las propiedades, comportamiento y utilización
del suelo como material estructural, de tal modo que las deformaciones y resistencia del suelo
ofrezcan seguridad, durabilidad y estabilidad de las estructuras.
El Dr. Kart Terzaghi definió a la mecánica de suelos como la aplicación de las leyes de la mecánica y
la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no
consolidadas de partículas sólidas, producto de la desintegración química de las rocas.
La mecánica de suelos incluye:
a) Teorías sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basadas en
simplificaciones necesarias dado el estado actual de la teoría.
b) Investigación de las propiedades físicas de los suelos.
c) Aplicación del conocimiento teórico y empírico de los problemas prácticos.
Los métodos de investigación de laboratorio figuran en la rutina de la mecánica de suelos. En los
suelos se tiene no solo los problemas que se presentan en el acero y concreto (módulo de
elasticidad y resistencia a la ruptura), y exagerados por la mayor complejidad del material, sino
otros como su tremenda variabilidad y que los procesos naturales formadores de suelos están
fuera del control del ingeniero. En la mecánica de suelos es importante el tratamiento de las
muestras (inalteradas-alteradas). La mecánica de suelos desarrolló los sistemas de clasificación de
suelos, color, olor, texturas, distribución de tamaños, plasticidad (A. Casagrande). El muestreo y la
clasificación de los suelos son dos requisitos previos indispensables para la aplicación de la
mecánica de suelos a los problemas de diseño.
Para el Ingeniero Civil se presentan diversos problemas relacionados con la Mecánica de suelos:
En su trabajo práctico el ingeniero civil ha de enfrentarse con muy diversos e importantes
problemas planteados por el terreno. Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil,
edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la
superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte satisfactoriamente
debe poseer una cimentación adecuada. Cuando el terreno firme está próximo a la superficie, una
forma viable de transmitir al terreno las cargas concentradas de los muros o pilares de un edificio
es mediante zapatas. Un sistema de zapatas se denomina cimentación superficial. Cuando el
terreno firme no está próximo a la superficie, un sistema habitual para transmitir el peso de una
estructura al terreno es mediante elementos verticales como pilotes o caissons.
El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye,
de hecho, el único material disponible localmente. Cuando el ingeniero emplea el suelo como
material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de
colocación y, luego, controlar su colocación en obra. Ejemplos de suelo como material de
construcción son las presas en tierra, rellenos para urbanizaciones o vías.
Otro problema común es cuando la superficie del terreno no es horizontal y existe una
componente del peso que tiende a provocar el deslizamiento del suelo. Si a lo largo de una
superficie potencial de deslizamiento, los esfuerzos tangenciales debidos al peso o cualquier otra
causa (como agua de filtración, peso de una estructura o de un terremoto) superan la resistencia
al corte del suelo, se produce el deslizamiento de una parte del terreno. Las otras estructuras muy
ligadas a la mecánica de suelos son aquellas construidas bajo la superficie del terreno como las
alcantarillas y túneles, entre otros, y que está sometida a las fuerzas que ejerce el suelo en
contacto con la misma. Las estructuras de contención son otro problema a resolver con el apoyo
de la mecánica de suelo entre las más comunes están los muros de gravedad, los tablestacados,
las pantallas ancladas y los muros en tierra armada.
Ingeniería de Suelos: es la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a problemas
prácticos que se presentan en las diferentes obras civiles.
Ingeniería Geotécnica: es la ciencia y práctica de aquella parte de la ingeniería civil que involucra
materiales naturales encontrados cerca de la superficie de la tierra.
La geotecnia trata de la aplicación de principios de ingeniería, conocimientos y prácticas de
geología y la ingeniería de suelos a la ejecución de obras civiles y grandes obras de ingeniería, en
función de las características de los materiales de la corteza terrestre. La geotecnia está
directamente relacionada con todo tipo de construcciones o edificaciones puesto que en la
mayoría de los casos (salvo estructuras en el agua o en el espacio) se usa el suelo (o rocas) como
material de fundación.
Al estudiar el suelo se deben considerar el contexto geológico, climatológico y agrológico. Lo
anterior para lograr un entendimiento acabado y completo del suelo en su contexto. Sin dicho
entendimiento, el estudio estará lleno de incertidumbres que pueden traducirse en pérdidas de
oportunidades al desconocer propiedades inherentes y sobretodo, se podrán incorporar
elementos de riesgo para el diseño, por omitir circunstancias fundamentales intrínsecas y
ambientales.
Historia de la Mecánica de Suelos
En la dinastía Chou, 1000 A. C, se dan recomendaciones para construir los caminos y puentes. El
siglo XVII trae las primeras contribuciones literarias sobre ingeniería de suelos y el siglo XVIII marca
el comienzo de la Ingeniería Civil, cuando la ciencia se toma como fundamento del diseño
estructural.
Vauban, 1687, ingeniero militar francés da reglas y fórmulas empíricas para construcción de muros
de contención.
Bullet, 1691, (francés), presenta la primera teoría sobre empuje de tierras y a ella contribuyen los
franceses Couplet (1726), Coulomb (1773), Rondelet (1802), Navier (1839), Poncelet (1840) y
Collin (1846). Más adelante el escocés Rankine (1857) y el suizo Culman (1866).
En 1773, Coulomb (francés), relaciona la resistencia al corte con la cohesión y fricción del suelo. En
1857, Rankine (escocés), presenta su teoría del empuje de tierras. En 1856, se presenta la "Ley de
Darcy" (Francia) y la “Ley de Stokes” (Inglaterra), relacionadas con la permeabilidad del suelo y la
velocidad de caída de partículas sólidas en fluidos.
Culman (1866) aplica gráficamente la teoría de Coulomb a muros de contención. En 1871, Mohr
(Berlín) desarrolla el cálculo de esfuerzos (una representación gráfica) en un punto del suelo dado.
1873, Bauman (Chicago) afirma que el área de la zapata depende de la carga de la columna y
recomienda valores de carga en arcillas.
En 1885 Boussinesg (Francia) presenta su teoría de distribución de esfuerzos y deformaciones por
cargas estructurales sobre el terreno.
En 1890, Hazen (USA) mide propiedades de arenas y cascajo para filtros.
En 1906, Strahan (USA) estudia la granulometría para mezclas en vía.
En 1906, Müler, experimenta modelos de muros de contención en Alemania.
En 1908, Warston (USA), investiga las cargas en tuberías enterradas.
En 1911, Atterberg (Suecia), establece los límites de Atterberg para suelos finos.
En 1913, Fellenius (Suecia), desarrolla métodos de muestreo y ensayos para conocer la resistencia
al corte de los suelos y otras propiedades. Además, desarrolla el método sueco del círculo para
calcular la falla en suelos cohesivos.
En 1925, Terzagui, presenta en Viena el tratado Erdbaumechanik que hace de la Mecánica de
Suelos una rama autónoma de la Ingeniería. El científico de Praga, Karl Terzagui, es el padre de la
Mecánica de Suelos.
Materiales que Componen la Corteza Terrestre
Entre los materiales que componen la corteza terrestre tenemos: las rocas y el suelo.
Las rocas: se definen como agregados sólidos de minerales. Dependiendo de su origen, las rocas
se dividen en tres grandes grupos: Rocas ígneas, rocas sedimentarias, rocas metamórficas.
Rocas ígneas: se forman del enfriamiento del material caliente (roca fundida) rico en gases,
denominado magma.
Rocas sedimentarias: son rocas que se forman por acumulación de sedimentos que, sometidos a
procesos físicos y químicos (diagénesis), resultan en un material de cierta consistencia.
Rocas metamórficas: es a aquélla que ha sido formada a partir de otra roca, mediante un proceso
llamado metamorfismo. El metamorfismo nunca implica un cambio de estado y se da
indistintamente en rocas ígneas como en rocas sedimentarias cuando éstas quedan sometidas a
altas presiones (de alrededor de 1500 bars), altas temperaturas (entre 150 y 200 °C) o a un fluido
activo (que provoca cambios en la composición de la roca, aportando nuevas sustancias a ésta).
Procesos Geológicos
Los procesos geológicos se dividen en endógenos y exógenos dependiendo si se originan dentro o
fuera de la corteza terrestre. Dentro de los procesos endógenos o internos tenemos: el
magmatismo y el metamorfismo. Y en los proceso exógenos o externos están: intemperismo,
meteorización, erosión, transporte, depositación y diagénesis.
Magmatismo: es el proceso que conduce a la formación de las rocas ígneas.
Metamorfismo: proceso mediante el cual una roca sufre cambios tanto físicos como químicos, por
factores como la presión y la temperatura, para formar una nueva roca conocida como roca
metamórfica.
Intemperismo: Es una alteración física de cualquier material sólido de la corteza o roca fuente, es
decir, la roca a partir de la cual se origina el proceso. Se da por efecto directo de factores
atmosféricos y por movimientos de la corteza sobre la roca fuente produciendo su desintegración
física.
Meteorización: Simultáneamente con la alteración física, ocurre la alteración química o
meteorización de la roca fuente por acción del agua y del oxígeno del aire. Acción y efecto de
meteorizar, o meteorizarse la tierra. Alternación y disgregación de las rocas en contacto con la
atmósfera. Los cambios producidos por la meteorización son de dos tipos: mecánicos y químicos,
estos últimos se caracterizan por la intervención del agua.
Erosión: son los conjuntos de fenómenos debidos a los agentes meteóricos que producen
modificaciones en los relieves de la superficie terrestre, por medio del cual el material rocoso es
arrancado del sitio donde se encuentra. Este material erosionado queda muy cerca de la roca
fuente por acción de la gravedad.
Transporte: es cuando el material erosionado es transportado a otros lugares principalmente por
corrientes de agua y por viento.
Depositación: El material arrancado y transportado, conocido como sedimento, es acumulado en
depósitos cuando las corrientes transportadoras pierden energía.
Se forman en estos lugares sucesivas capas de sedimento quedando las más antiguas en el fondo
de los depósitos.
Diagénesis: Es la formación de roca sedimentaria. Las rocas sedimentarias se forman por
compactación de los sedimentos depositados y se producen en las capas de sedimento más
profundas por el peso que ejercen de las capas superiores. La zona donde se producen estas rocas
se conoce como zona de diagénesis.
El Suelo y su Origen
A través de un proceso de desintegración mecánica y descomposición química de la corteza
terrestre forman los materiales sueltos que se encuentran en ella.
Definiciones de suelo
Según el geólogo:
Es el material resultante de la descomposición y desintegración de las rocas por causa del ataque
de los agentes atmosféricos.
Según el agrónomo:
Es la delgada capa superior del manto de las rocas en el que penetran las raíces de las
plantas y las demás sustancias necesarias para su existencia.
Según el ingeniero civil:
Es el conjunto de partículas minerales, producto de la desintegración mecánica o
descomposición química de las rocas preexistentes, como sedimentos no consolidados y depósitos
de partículas sólidas derivadas de la desintegración de las rocas.
El geotécnista debe conocer el contexto geológico del suelo, e incluso el climatológico y
agrológico. Sin ese entendimiento, su trabajo estará lleno de incertidumbres que pueden
tradujese en pérdidas de oportunidades al desconocer propiedades inherentes y sobretodo, se
podrán incorporar elementos de riesgo para el diseño, por omitir circunstancias fundamentales
intrínsecas y ambientales.
La estructura del suelo puede ser natural (la del suelo “in situ”), como un talud, canal en tierra o
artificial (suelo como material de construcción), como un terraplén o un relleno.
Horizontes del Perfil Geotécnico
El Perfil del suelo en geotecnia puede está compuesto según muestra la anterior gráfica. Se
describe con seis horizontes, del I al VI en la superficie, pudiendo en ocasiones estar el perfil
incompleto, por faltar en el algún horizonte. Y según su función hay una rama de la geotecnia que
la estudia.
Para mayor compresión de lo que es un suelo mostraremos una definición consolidada en función
a las diversas vertientes ingenieriles.
Suelo
Es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la
desintegración y/o alteración (física o química) de las rocas y de los residuos de las actividades de
los seres vivos que sobre ella se asientan.
Ahora bien ¿cómo se forma el suelo? Esta pregunta la responderemos utilizando la siguiente
gráfica:
La roca madre con acción mecánica y química, de descomponer en disturbios minerales, que
generan entre otras cosas fragmentos de rocas y residuos minerales que al combinarse con la
interacción de los seres vivos y los residuos orgánicos tanto vegetal como animal dan origen a los
suelos.
Para una mejor compresión de lo que sucede en la superficie terrestre a la hora de formar el suelo
expondremos la siguiente imagen que refleja los diferentes factores que intervienen en la
formación del mismo:
Los factores de evolución y formación de los suelos son:
Material Parental: Permeabilidad y constituyentes minerales de la roca madre.
Tiempo: El clímax puede ser de decenas a miles de años. Por ejemplo siglos.
Topografía: Pendientes, drenaje; orientación de la ladera y barreras topográficas.
Formadores biológicos: Micro y macro fauna como fuente de humus.
Meteorización Química
Meteorización Mecánica
Roca Madre
Agua Aire
Disturbios Minerales
Seres Vivos Materia Orgánica
Suelo
Clima: Temperatura, balance hídrico, intensidad de acción y velocidad de procesos.
Los agentes físicos más importantes que producen cambios en las rocas son: el sol, el agua, el
viento y los glaciares.
El sol:
Al actuar sobre la roca, el sol calienta más su exterior que su interior, provocando esfuerzos
provocados por diferencias de expansión, que dan como resultados un rompimiento de la capas
superficial y el desprendimiento de la misma. Este proceso es conocido como exfoliación y es
distinto según sea la región del mundo en donde se produzca, la situación geográfica, la estación
del año y el tipo de roca.
El agua:
El agua en movimiento es un importante elemento de erosión, al arrastrar los fragmentos
angulosos de las rocas y provocar la fricción de unos con otros, haciéndolos redondeados, además
de este efectos está cuando el agua de lluvia cae, provoca grietas y llena sus cavidades (huecos), si
esta se congela ejerce un fuerte poder de facturación y reproduce una desintegración en corto
tiempo, más aún el impacto causado por el oleaje del agua marina, entre otros muchos más.
El viento:
Este contribuye a la erosión del suelo, cuando arrastra arenas (médanos y loess), estas partículas
son desprendidas y arrastradas por muchos kilómetros.
Los glaciales:
Son depósitos de hielos en las altas montañas, ejercen una gran acción abrasiva y de
transporte de los materiales de la superficie de la tierra.
A pesar de que los agentes físicos son de mucha importancia en la formación de los suelos, ellos
no son capaces de reducir los fragmentos rocosos a tamaños inferior a los 0.01 mm. Estos solo se
pueden efectuar mediante procesos químicos como los son: la oxidación, la carbonatación y la
hidratación.
Oxidación: es la relación química que puede ocurrir en las rocas al recibir agua de lluvia, ya que el
oxígeno del aire, en presencia de humedad, reacciona químicamente produciéndose el fenómeno
de oxidación, principalmente en rocas que contienen hierro, como se puede observar en el color
pardo rojizo de algunas afloraciones.
Carbonatación: es el ataque del ácido carbónico (anhídrido carbónico y agua) efectuada sobre
rocas que contienen hierro, calcio, magnesio, sodio o potasio, en la que la mayoría de las rocas
ígneas contienen estos elementos.
Hidratación: es la acción y efecto de combinar un cuerpo con agua para formar hidratos o sea
compuestos químicos que contienen agua en combinación. El agua se absorbe y se combina
químicamente formando nuevos minerales.
Depósitos de Suelo Natural
Como el suelo es producido por intemperismo (fractura y rompimiento de varios tipos de rocas en
piezas más pequeñas mediante procesos físicos o químicos) se producen depósitos naturales de
suelos, por lo que es importante que durante el proceso de planificación, diseño y construcción de
cimentaciones, terraplenes y estructuras de retención, los ingenieros deben conocer el origen de
los depósitos de los suelos sobre los cuales se construirían las cimentaciones, debido a que cada
depósito de suelos tiene atributos propios y únicos. Por tanto, los depósitos pueden ser: depósitos
de suelos residuales o depósitos de suelos trasportados.
Depósitos de Suelos Residuales:
Son aquellos que se han formados in situ y han permanecido en su posición original, esto sucede
en gran parte de las regiones tropicales donde no han sido sometidas a procesos de glaciaciones. A
estos suelos se le denomina también coluviales.
Depósitos de Suelos Transportados:
Son los que han sido desplazados de su posición original y depositada en otros sitios, el tamaño y
la forma de las partículas de suelo trasportado está determinado por el agente de transporte, por
ello estos se dividen dependiendo del agente de transporte en:
Suelos Aluviales o fluviales: depositados por agua en movimiento.
Suelos Glaciares: depositados por acción de glaciar.
Suelos Eólicos: depositados prior la acción del viento.
Estos además dependiendo del lugar en donde fueron transportados se clasifican en:
Palustres: si fueron depositados o están
en los pantanos
Marinos: si fueron depositados o están
en el mar
Lacustres: si fueron depositados o están
el lagos
Terrígenos: si fueron depositados o están
en los continentes o islas.
En adición a los suelos residuales y transportados están las turbas que se derivan de la
descomposición de material orgánico, encontrados en lugares de poca altura, donde el nivel
freático está cerca o arriba de la superficie del terreno, cuando un porcentaje relativamente alto
de turba se mezcla con suelo inorgánico, se le denomina suelo orgánico, estos tienen entre sus
características poseer color negro, una humedad alta (entre 200% y 300%) y son altamente
compresibles.
La Alteración de las Rocas:
Existe un equilibrio dinámico entre las tasas de alteración y denudación, TA y TD, respectivamente.
TA > TD → predominio de material residual; ejemplo, zona tórrida.
TD > TA → predominio de la roca fresca y los sedimentos; ejemplo, zona templada.
Los suelos tropicales son fundamentalmente suelos residuales, mientras los de zonas templadas
son fundamentalmente suelos transportados; así, la Mecánica de Rocas se ha hecho para latitudes
diferentes a las nuestras, donde las capas de suelo son horizontales, sin relictos caóticos e
impredecibles, como los que afectan nuestros macizos y suelos.
Las alteraciones tectónica e hidrotermal, no son formas de meteorización; ambas formas de
meteorización son típicas de los ambientes andinos, donde el clima también es intenso y hace su
aporte. No son la humedad y la temperatura, sino las variaciones de ambas las que hacen intensa
y rápida la meteorización o intemperismo.
Alteración física: Incluye la desintegración por meteorización mecánica, ejemplo:
A: Tectónica. B: Climática. C: Biológica. D: Hidrotermal.
Alteración química: Incluye la descomposición por meteorización química, ejemplo:
Por agua (hidratación, hidrólisis, solución). Por CO2 (Carbonatación). Por O2 (Oxidación, reducción).
Los coluviones son por lo general depósitos heterogéneos, sueltos y con bloques angulosos. Los
aluviones son depósitos conformados por materiales gruesos y matriz de finos en los tramos de
ambiente montañosos y por materiales finos en los valles amplios. La gradación está ligada a la
velocidad de la corriente, por lo general baja en los valles amplios. Los depósitos lacustres
generalmente son de grano fino. Los depósitos marinos suelen ser estratificados. En los lacustres
el medio es tranquilo y la potencia menor.
Los depósitos glaciares son heterogéneos, los till no presentan estratificación clara, los fluvio -
glaciares sí. Los primeros por el efecto aplanadora del hielo y los segundos por formarse a partir de
las aguas de fusión.
Los depósitos eólicos son homogéneos, los loes son de limos y las dunas son de arena; los loes no
son transportados y las dunas sí (emigran).
Los principales minerales que constituyen suelos gruesos son: Silicato principalmente feldespato
(K, Na, Ca), micas (moscovita y biotita), olivino y serpentina. Óxidos, en especial el cuarzo (SiO2),
limonita, magnetita y corindón. Carbonatos, principalmente calcita y dolomita; y sulfatos como
yeso y anhidrita.
En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidráulico depende de su compacidad y
orientación de partículas, y poco de la composición mineralógica.
Principales tipos de suelos
Gravas
Son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de 2 mm. de diámetro. Según
el origen si son acarreadas por las aguas sufren desgaste en sus aristas y son por tanto
redondeadas. Como material suelto suele encontrarse en los lechos, en las márgenes de los ríos,
también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos
otros lugares donde las gravas han sido re-transportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones,
pero casi siempre se encuentran conjuntamente con arenas, limos y arcillas, sus partículas varían
desde 3” (7.62 mm.) hasta 2 mm.
Arenas
Es el nombre que se le da a partículas de grano fino procedentes de la desintegración de las rocas
ya sea por medio natural o artificial, sus partículas varían entre 2 mm. y 0.05 mm. de diámetro. El
origen y la existencia de la arena son análogos al de las gravas, suelen encontrarse juntos en el
mismo depósito.
Limos
Son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limos inorgánicos como el
producidos en canteras o limos orgánicos como el que suele encontrarse en los ríos, siendo este
último caso de características plásticas. El diámetro está comprendido entre 0.05 mm. y 0.005
mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por
medio de zapatas, su color varia de gris claro a muy oscuro. Los limos, de no encontrarse en su
estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.
Arcillas
Son las partículas sólidas de grano inferior a los 0.005 mm. y cuya masa tiene la propiedad de
volverse plástica al ser mezclada con agua. Se contraen al secarse, presentan marcada cohesión
según su humedad, son comprensibles y al aplicársele carga en su superficie se comprimen
lentamente.
De acuerdo con su arreglo reticular los minerales de arcillas se clasifican en:
- Caolinítico: (del nombre chino Kau-ling) procede de la carbonatación de la ortoclasa.
Formados por una lámina silícica y una lámina alumínica superpuestas de manera
indefinida y con la unión tal entre sus retículas que no permiten penetración de moléculas
de agua entre ellas, por eso es que estas arcillas son bastantes estables en presencia de
agua.
- Montmorilonítico: (nombre debido al lugar llamado Montmorrillón, Francia) a este grupo
pertenecen las bentonitas, se forman por superposición indefinida de una lámina
alumínica entre dos láminas silícicas pero con una unión débil entre sus retículas, lo que
hace que agua pueda penetrar con facilidad a sus retículas. Estas arcillas sufren fuerte
expansión en contacto con agua lo que provoca inestabilidad entre ellas.
- Ilítico: (se debe al lugar llamado Illinois, Estados Unidos) producto de la hidratación de las
micas y presentan un arreglo reticular similar a las Montmoriloníticas, pero con tendencia
a formar grumos por la presencia de iones de potasio, lo que reduce el área expuesta al
agua, razón por la cual no son tan expansivas.
Otros Tipos de Suelos Comunes
Caliche: se aplica a ciertos extractos de suelo cuyos granos se encuentran cementados por
carbonatos calcáreos. Para la formación de estos se requiere un clima semi-árido. La marga es una
arcilla con carbonato de calcio, más homogéneo que el caliche y generalmente muy compacto.
Loess: sedimentos eólicos uniformes y cohesivos, la cohesión la poseen debido ha ido un
cementante de origen calcáreo, debido al contenido calcáreo sus cortes se mantienen verticales,
son suelos colapsables, pero esta tendencia disminuye cuando aumenta su peso volumétrico.
Diatomita: compuestas de residuos de diatomeas (algas unicelulares que tienen características
celulares silícicas)
Gumbo: suelo arcillo fino libre de arena, muy plástico y pegajoso. Material difícil de trabajar
Tepetate: material compuesto de limo, arcilla y arena originado generalmente por la
descomposición de cenizas volcánicas basálticas.
Suelos Cohesivos:
Son los que poseen cohesión, es decir, la propiedad de atracción intermolecular (arcillas).
Suelos no Cohesivos:
Son los formados por partículas de rocas sin ninguna cementación (arena y grava)
La Arcilla:
Un suelo de uso muy particular en mecánica de suelos es la arcilla y es por eso que dedicaremos
un poco más de tiempo para su estudio detallado:
Arcillas son grupos minerales definidos, como caolinita, illita y montmorillonita,
donde participan estructuras octaédricas y tetraédricas. La arcilla, como el
humus, posee propiedades coloidales. Las arcillas, en el sentido mineralógico,
son cristales microscópicos cuyos átomos están dispuestos en planos.
Al interior de una trama de átomos de oxígeno, cuyas esferas iónicas son
voluminosas, se encuentran cationes de sílice (Si) y aluminio (Al). Si el volumen
lo permite, cationes de hierro (Fe), magnesio (Mg), calcio (Ca) o potasio (K)
reemplazan al sílice (Si) y al aluminio (Al).
Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Otros iones
diferentes a los enunciados pueden completar las capas y unirlas, y también, las
cargas eléctricas libres pueden ser equilibradas por iones intercambiables.
Caolinitas: Principal grupo de arcillas que presenta baja capacidad de intercambio, 10-12 me (mili-
equivalentes) cada 100 gr, y con dos capas de
cationes, las llamadas arcillas 1:1 (capa tetraédrica
más capa octaédrica de alúmina hidratada). El
arreglo, que se repite indefinidamente da una carga
eléctrica neutra del mineral caolinita, cuya
estructura no es expansiva, por no admitir agua en
sus retículos. Estas arcillas son moderadamente plásticas, de mayor permeabilidad y mayor
fricción interna.
Del grupo son: haloisita, caolinita (por definición), endellita, dickita, alofano, nacrita y anauxita. La
haloisita, aunque tiene la misma fórmula del caolín, contiene moléculas extra dentro de su
estructura. En la figura = Gibsita = SiO4 (En la “Carta de Plasticidad” las caolinitas están bajo la línea
A = limos).
Illita: Es una arcilla 2:1, cuya capacidad de intercambio es de
unos 40 me/100gr, lo que las hace algo expansivas. Las
láminas de alúmina están entre dos láminas de SiO4, y estas
se ligan por iones de potasio, que le dan cierta estabilidad al
conjunto. La actividad de la illita es 0,9, de la caolinita es de
0,38. El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad
son menores que en la caolinita y mayores que en la
montmorillonita.
Montmorillonita: Arcilla 2:1 cuya capacidad de intercambio es de unos 120 me/100gr, lo que las
hace muy expansivas. Entre las dos láminas de sílice se encuentra una brucita o una gibsita, y este
arreglo se repite indefinidamente. La unión entre minerales individuales es débil, por lo cual el
agua se inserta, introduciendo moléculas que producen el
hinchamiento del suelo. Además de ser expansiva, la
montmorillonita es muy plástica y se contrae al secarse,
mejorando su resistencia y haciéndose impermeable. La
actividad de la montmorillonita es de 7,2. Entre las
montmorillonitas tenemos: la montmorillonita (por definición),
hectorita, saponita, beidellita, sauconita, talco, porfilita y nontronita. Bentonitas: Suelos
montmorilloníticos altamente plásticos y altamente expansivos, de grano tan fino que al tacto es
jabonoso (sí es húmedo). Se utilizan para sellar fugas en depósitos y canales.
Vermiculita, clorita, sericita, etc., son otros minerales arcillosos no clasificados en los anteriores
tres grupos.
OBTENCIÓN DE MUESTRAS DE SUELO Y SONDEOS
Muestra:
Para determinar las propiedades de un suelo en el laboratorio es preciso contar con
muestras representativas de dicho suelo. Una muestra es una porción de material que tiene
características parecidas al material en su sitio original.
Hay dos tipos de muestras: alteradas e inalteradas.
Muestras Alteradas: es cuando el suelo no guarda las mismas condiciones de las que contaba en el
terreno de donde procede.
Muestras Inalteradas: es cuando la muestra se le deja las mismas condiciones en la que se
encontraba en el terreno natural.
Investigación de subsuelo:
Constituye una de las etapas del estudio geotécnico general de un lote que se realiza para
determinar si un sitio es apropiado para una obre de ingeniería determinada y para poder
preparar su diseño adecuado y económico.
Por lo general la investigación del subsuelo se lleva a cabo después de estudiar la información
existente en los archivos y documentos disponibles y realizar un reconocimiento preliminar del
terreno. También es necesaria la investigación del subsuelo cuando se necesite determinar la
seguridad de una obra de ingeniería existente o cuando ya se haya producido una falla.
Los objetivos principales de la investigación del subsuelo son:
a) Establecer el perfil del suelo en el sitio, determinando la secuencia de los estratos en
función de la profundidad, su espesor y la continuidad lateral de cada estrato y, si es
necesario y si es necesario la profundidad del lecho rocoso.
b) Obtener información con respecto a las características del nivel freático en el sitio.
c) Determinar las propiedades necesarias para la identificación, descripción y clasificación de
los diferentes estratos del suelo y poder obtener los parámetros necesarios para el diseño,
cuando sea posible.
De esta manera, el estudio de los suelos incluye generalmente un programa de exploración del
subsuelo, observaciones del nivel freático, recuperación de muestras para su estudio mediante
ensayos de laboratorio y en algunos casos una serie de ensayos in situ.
Exploración del subsuelo:
Esta se realiza mediante pozos de inspección o sondeos (perforaciones) la localización y el
espaciamiento entre los pozos de inspección o los sondeos deben escogerse de tal manera que
permitan destacar las condiciones geotécnicas de los puntos de dificultad o importancia ingenieril
especiales, además de aportar información general sobre las condiciones del terreno como un
todo.
La profundidad de exploración depende del tamaño de la estructura y el tipo de obra de ingeniería
que se piensa construir, pero como regla general, la exploración deberá realizarse hasta la
profundidad donde el incremento de esfuerzos deje de ser significativo que no produzca
asentamientos en la obra propuesta, en caso de encontrar roca es recomendable penetrar 3
metros en más de una perforación para establecer si es realmente el lecho rocoso y no un gran
canto aislado.
Pozos de Inspección:
Se excavan usualmente con la ayuda de la retroexcavadora; permiten explorar las condiciones del
terreno in situ en sentido vertical y horizontal y proveen el acceso directo para tomar muestras
y/o realizar ensayos in situ.
Sondeos:
Se realizan mediante diferentes técnicas de perforación cuya escogencia depende del diámetro
necesario para la perforación, de la profundidad de exploración y de la localización del sitio.
Los métodos más usados para realizar sondeos son:
1- Método de exploración de carácter preliminar
2- Método de sondeo definitivo
3- Métodos Geofísicos
a. Sísmico
b. De resistencia eléctrica
c. Magnético y gravimétrico
Herramientas usadas para realizar las perforaciones:
a. Barreno manual
b. Perforador ligero de percusión con cable
c. Barrenos mecánicos o helicoidal
d. Perforación por lavado
e. Perforación por rotación