MECÁNICA DE SUELOS IMECÁNICA DE SUELOS I

1. ORIGEN Y FORMACIÓN

CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE.

CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE.

Componente Espesor Densidad media Minerales Estado

Núcleo 3400 km Muy alta (9.9 a13.1 gr/cm3) Hierro y níquel Solido y Fluido

Corteza terrestre 30 a 40 km Menor (2.2 a2.9 gr/cm3) Silicatos Rígido (balance

isostático)

Suelo Muy pequeñoMucho menor(menos de 2

gr/cm3)Diversos Variable

1.1. DEFINICIÓN DE SUELOS

A pesar de que todas las estructuras civiles creadas por el hombre alo largo de la historia se apoyan o utilizan materiales provenientesde la superficie o el subsuelo terrestre, el estudio teórico y eldesarrollo práctico relacionado con suelos y rocas recién comenzósistemáticamente a comienzos del Siglo XX.

Terzaghi (1943) define la Mecánica de Suelos como:

“es la aplicación de las leyes de la Mecánica e Hidráulica a los

problemas de Ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones de

partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o descomposición

química de las rocas, independientemente de que tengan o no contenido de

materia orgánica .”

a) Mineral: Un mineral puede ser definido como una

sustancia inorgánica natural que tiene una composición

química en particular, o una variación de su

composición, y una estructura atómica regular que

guarda íntima relación con su forma cristalina. Los

minerales son los principales constituyentes sólidos de

todas las rocas, que dan a las rocas características

físicas, ópticas y químicas como el color, lustre, forma,

dureza y otros; generalmente los minerales dominantes

de los suelos son cuarzo y feldespatos.

1.2 CONCEPTOS BÁSICOS.

b) Suelo: Para propósitos ingenieriles, se define suelocomo un agregado no cementado formado porpartículas minerales y materia orgánica endescomposición (partículas sólidas) con algún líquido(generalmente agua) y gas (normalmente aire) en losespacios vacíos. (Das, 1998).

El suelo es producto de la meteorización de las rocas, esdecir, la desintegración de esta en pedazos de mineralescada vez más pequeños, que en contacto con el medio(agua, aire) se unen formando el suelo; lameteorización y otros procesos geológicos actúan en lasrocas que se encuentran cerca de la superficie terrestretransformándola en materia no consolidada o máscomúnmente llamada suelo.

c) Roca: Se define como un agregado natural sólido concontenido mineral, que tiene propiedades físicas comoquímicas.

Las rocas son materialescementados, usualmentetienen muy bajaporosidad, pueden serencontradas en procesosde descomposición consus propiedades físicas yquímicas alteradas,presentandiscontinuidades y sucomportamiento escomplejo cuando sesometen a esfuerzos.

1.3. CICLO DE LA ROCA.

Es un proceso geológico extremadamente

lento, queda lugar al origen de tres

categorías diferentes de rocas como ser:

Rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.

Son formadas por la solidificación del magma,

expulsado de las profundidades de la tierra.

a. Rocas Ígneas:

Granito

b. Rocas Sedimentarias.

Son formadas por la compactación de minerales sueltos comogravas, arenas, limos y arcillas por medio de sobrecargas quedespués son cementados por agentes como el óxido de hierro,calcita, dolomita, y cuarzo. Los agentes cementantes songeneralmente las aguas que llenan los espacios vacíos entre aspartículas y forman las rocas sedimentarias.

Roca sedimentaria Caliza sedimentaria

c. Rocas Metamórficas:

Son formadas a partir de otras rocas mediante el

proceso metamórfico presión y altas temperaturas sin

fundirse, que generan cambio de composición y

textura a la estructura inicial, a si mismo en esta

etapa se genera la nuevas sustancias.

Roca metamórfica (pizarra)

1.4. AGENTES GENERADORES DE SUELOS

El suelo se forma por meteorización de la roca.

1.4.1 FORMACIÓN DE SUELOS

SuelosTransportados

SuelosResiduales

SuelosArtificiales

Suelos Naturales

Meteorización ensitio de roca original

Meteorización ytransporte (viento,

agua, hielo)Material “suelo”

1.4.1.1 Horizontes – Capas – Estratos

En la medida que los procesos hipergénicos actúan, las

diferentes capas de clastos (detritos o sedimentos) se

van haciendo más espesas y diferenciadas.

1.4.1.2 Perfil de Suelo

Es la sección vertical de un terreno, constituido por una

secuencia de horizontes o capas separables por sus

características morfológicas, físicas, químicas y

mineralógicas.

El agua, al jugar un papel fundamental en el

comportamiento mecánico del suelo, debe considerarse

parte del mismo (Juárez, 2005).

a. Suelos colapsables

b. Suelos expansivos

c. Suelos licuables

1.4.1.3 El agua

a. Suelos colapsables

Son suelos en los que se tiene lugar a un rápido cambio

de la relación y las deformaciones sin que se alcance la

resistencia ultima del material.

A este grupo pertenecen los limos o arcillas cementadas,

loes, arcillas que contienen sulfato y las rocas de gran

porosidad.

Características comunes de suelos colapsables.

• Estructura macroscópica con índice de huecos (e),

entre relativamente alto a muy alto.

• Granulometría predominantemente fina, con

fracciones de limos y arcillas.

• Estructura mal acomodada, con partículas de mayor

tamaño separadas por espacios abiertos y unidas entre

si por acumulaciones o puentes de material

predominantemente arcilloso, con características de

cristales de sales insertados en tales puentes o uniones

arcillosos.

b. Suelos expansivos

Suelos parcial o totalmente saturados que aumentan su volumencuando aumenta su contenido de humedad, a carga constante

Los suelos expansivos son un tipo de arcillas que tienen la propiedadde incorporar moléculas de agua a su estructura. El cambio decontenido de humedad hace que estos materiales experimentenimportantes cambios de volumen.

Este fenómeno depende principalmente del contenido mineralógicode las arcillas, siendo la motmorillonita el mineral con mayorpotencial expansivo.

Un caso específico del fenómeno de colapso semanifiesta en suelos potencialmente licuables, es decir,susceptibles de sufrir un asiento súbito bajo una cargadinámica (por lo general de tipo sísmico) pormodificación de las presiones intersticiales. Estefenómeno afecta esencialmente a suelos granulares degrano medio a fino (arenas finas), de compacidadmedia a floja y saturadas.

c. Suelos licuables

1.4.2. DESINTEGRACIÓN MECÁNICA

Intemperismo de las rocas por Agentes Físicos (Meteorización

Física).

Roca

Acción delas plantas

TemperaturaCongelaciónde agua en

juntas ygrietas

Acción deanimales y

microorganismos

Deriva en: grava, arena, limo y ocasionalmentearcilla.

a) ACCION DE LAS PLANTAS (bioclasticidad)

Las raíces de las plantas son capaces de atravesar las rocas en

busca de agua.

b) TEMPERATURA

Variaciones de

temperatura

(termoclasticidad):

dilataciones

contracciones

b) Temperatura

Al calentarse las rocas y minerales se producen

diferencias de tensión en su estructura. Los

materiales oscuros absorben más calor que los

claros y están expuestos. Las altas variaciones de

temperatura entre el día y la noche imprimen a

las rocas fuertes contracciones y dilataciones, que

provocan fisuras y, con el tiempo, su

fragmentación.

c) CONGELAMIENTO DE AGUA EN JUNTAS Y GRIETAS

Acción del hielo

(gelifracción)

Agua:

El agua líquida influye en la meteorización mecánica de las rocas,

y aún más cuando se trata de hielo. En pocas horas el hielo puede

abrir fisuras en las rocas y exponerlas a una acción acelerada de

otros agentes. Las rocas de las capas más superficiales de la

corteza terrestre, presentan grietas o fisuras. Cuando el agua de

lluvia o procedente de los deshielos penetra en el interior de estas

grietas y la temperatura desciende por debajo de los 0° grados, se

expande. Si la roca es muy porosa, su disgregación puede llegar a

tener consistencia granular.

Realizan una labor complementaria a la de

otros agentes, excavan y construyen nidos y

madrigueras; producen secreciones y

excreciones de materiales que tienen un

alto poder corrosivo y pueden descomponer

las rocas.

e) Acción de los animales

La intervención de acciones humanas, a menudo

desencadena un potencial proceso de alteración y

erosión a si mismo es capaz de introducir

modificaciones en las combinaciones de procesos

que tienen lugar en la Naturaleza, favoreciendo

precisamente a los más agresivos, con lo que se

convierte en motor de aceleración de la erosión.

f). Erosión antrópica

1.4.4 DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA:

Acción de agentes (AGUA) que atacan las rocas modificando su

constitución mineralógica y química.

Roca

Oxidación

Hidratación

Carbonatación

Deriva en: arcilla.

a) Oxidación

a). Oxidación:

La oxidación es un proceso de meteorizaciónquímica mediante el cual los elementos metálicoso un mineral adicionan a su constituciónmolecular elementos de oxigeno o de ion oxidrilo.(-OH).

En la oxidación existe una reducción simultánea,ya que la sustancia oxidante se reduce aladueñarse de los electrones que pierde la que seoxida. Los sustratos rocosos de tonalidadesrojizas, ocres o parduzcas, tan abundantes, seproducen por la oxidación del hierro contenido enlas rocas.

b) Hidratación

•Asimilación del agua por los minerales de las rocas

modificando su estructura molecular y cambiando sus

propiedades físicas y químicas originales.

•La hidratación ocasiona en los minerales un incremento de su

volumen que en algunos casos puede llegar al 50%. Cuando

estos materiales transformados se secan se produce el efecto

contrario, se genera una contracción y se resquebrajan o se

produce una disminución de su densidad.

b). Hidratación:

c) Carbonatación

Proceso de alteración química que involucra una reacción

entre acido carbónico diluido y un mineral.

Ejemplo. La reacción entre la caliza y el agua

carbonatada (acido carbonico).

El agua carbonatada reacciona con rocas cuyos minerales

predominantes sean calcio, magnesio, sodio o potasio,

dando lugar a los carbonatos y bicarbonatos.

c). Carbonatación:

1.4.4.1 SUELOS RESIDUALES Y TRANSPORTADOS

SUELOS RESIDUALES

Agente deIntemperismo

1.4.5 TIPOS DE SUELOS TRANSPORTADOS

TIPO AGENTE DE TRANSPORTE

Aluvial Agua

Eólico Viento

Glacial Hielo

Coluvial Gravedad

SUELOS TRANSPORTADOS

a) Aluvial

b) Coluvial

Agente: GravedadAgente:

Deslizamiento

c) Eólico

Agente: Viento

d) Glacial

Resumen de suelos residuales y suelos transportados

2. MECÁNICA DE SUELOS

2.1 QUÉ ES LA MECÁNICA DE SUELOS?

La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física

y las ciencias naturales a los problemas que involucran las

cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre.

Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de

1925.

Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de

una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra

como elemento de construcción para terraplenes, diques y

rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su

estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán

determinados, entre otros factores, por el desempeño del

material de asiento situado.

2.2 QUÉ TIPOS DE PROBLEMAS TRATA LA MECÁNICADE SUELOS?

Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del

suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son

considerables, se pueden producir, fisuras, grietas, alabeo

o desplomes que pueden producir, en casos extremos, el

colapso de la obra o su inutilización y abandono.

En consecuencia, las condiciones del suelo como

elemento de sustentación y dispositivo de transición entre

el mismo y la superestructura, deben ser tomadas muy en

consideración.

2.3 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

Como consecuencia de la actividad humana desarrollada através de los años, surge la necesidad de introducir un nuevoconcepto, el suelo artificial o material de construcción. Laprocedencia de los materiales puede ser diversa, diferenciandoentre materiales naturales (arcillas, arenas y gravasheterométricas) y materiales artificiales (escombros deconstrucción, residuos de diversos procesos de fabricacióncomo el cemento, etc).

En el ámbito de la construcción los suelos se distinguenprincipalmente de acuerdo a su capacidad de soporte ocimentación.Los suelos rocosos poseen altas resistencias a acciones osolicitaciones de carga por eso lo convierte en el suelo porexcelencia para cimentación.

2.4 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN

Presas de TierraEstructura de PavimentosLagunas de OxidaciónEstructuras de adobe (Mezcla de suelos)Construcciones de Terraza

2.6 IMPORTANCIA DE UN ESTUDIO DE SUELO

Actualmente es cada vez más concluyente el hecho de que

ningún ingeniero que sienta la responsabilidad técnica y

moral de su profesión, deja de efectuar un estudio de las

condiciones del subsuelo cuando diseñan estructuras de

cierta importancia. Ya que ello conlleva dos características

que se conjugan: seguridad y economía.

No olvidemos: “Quien solo conoce la teoría de la Mecánica de

Suelos y carece de práctica, puede ser un peligro público”, Dr.

Karl V. Terzaghi (Fundador de la Mecánica de Suelos).

2.6 IMPORTANCIA DE UN ESTUDIO DE SUELO

Es por eso que en los proyectos de construcción se

desprende la necesidad de contar, tanto en la etapa de

proyecto, como durante la ejecución de la obra, con datos

firmes, seguros y abundantes respecto al suelo que se está

tratando. El conjunto de estos datos deben llevar al

proyectista a adquirir una concepción razonablemente

exacta de las propiedades físicas del suelo.

2.7 LABORATORIO DE SUELOS

Para llegar en el laboratorio a unos resultados

razonablemente dignos de crédito es preciso cubrir en forma

adecuada una etapa previa e imprescindible: la obtención de

muestras de suelo apropiadas para la realización de las

correspondientes pruebas.

Resultan así estrechamente ligados las dos importantes

actividades, el muestreo de los suelos y la realización de las

pruebas necesarias de laboratorio.

El muestreo debe estar regido ya anticipadamente por los

requerimientos impuestos a las muestras obtenidas por el

programa de pruebas de laboratorio.

2.7.1 EQUIPO DE LABORATORIO DE SUELOS

Es imprescindible contar con equipo necesarios y

básico y bien calibrados en laboratorio de suelos

para conocer con la mejor veracidad la propiedades

físicas y mecanizas de los materiales.

GRACIAS