Fundamentos de Mecánica de Suelos

5/27/2018 Fundamentos de Mec nica de Suelos

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INTRODUCCIN

La cubierta externa de la mayora de la superficie continental de la Tierra es

un agregado de minerales no consolidados y de partculas orgnicas producidas por la

accin combinada del viento, el agua y los procesos de desintegracin orgnica.

Los suelos cambian mucho de un lugar a otro, su composicin qumica y la

estructura fsica en un lugar dado, estn determinadas por el tipo de material

geolgico del que se origina, por la cubierta vegetal, por la cantidad de tiempo en que

ha actuado la meteorizacin, por la topografa y por los cambios artificiales

resultantes de las actividades humanas.

Las variaciones del suelo en la naturaleza son graduales, excepto las

derivadas de desastres naturales; sin embargo, el cultivo de la tierra priva al suelo

de su cubierta vegetal y de gran parte de su proteccin contra la erosin del agua y

del viento, por lo que estos cambios pueden ser ms rpidos

El conocimiento bsico de la textura del suelo es importante para los

ingenieros que construyen edificios, carreteras y otras estructuras sobre y bajo la

superficie terrestre.

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Es menester enfatizar que la mecnica de los suelos tradicional tiene su

gnesis cuando el Doctor Karl Terzaghi, conocido como el padre de la mecnica de

los suelos, por medio de sus grandes obras ilustradas da a conocer los estudios que

elabor en este campo. Ya a partir del ao 1925 en Viena, Karl Terzaghi, estaba

proponiendo uno de sus modelos, para definir las caractersticas mecnicas e

hidrulica de los suelos. Su gran mrito como iniciador, formador y orientador de la

Mecnica de Suelos, se debi a su continuado y permanente esfuerzo por darle una

fundamentacin terica a los conocimientos adquiridos en la realidad de las obras.


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El estudio de Mecnica de Suelos, es una herramienta que proporciona datos

ms confiables de las condiciones del subsuelo, como capacidad de carga,

asentamientos probables y sugerencias acerca del sistema de cimentacin al Ingeniero

Especialista en Estructuras para la realizacin de obras civiles.

Todas las obras de ingeniera civil descansan, de una u otra forma, sobre el

suelo, y muchas de ellas, adems, utilizan la tierra como elemento de construccin

para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su

estabilidad y comportamiento funcional y esttico estarn regidos, entre otros

factores, por la conducta del material de asiento situado dentro de las profundidadesde influencia de los esfuerzos que se generan, o por la del suelo utilizado para

conformar los rellenos. Si se sobrepasan los lmites de la capacidad resistente del

suelo, o si an sin llegar a ellos las deformaciones son considerables, se pueden

producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizs no tomados en

consideracin en el diseo, productores a su vez de deformaciones importantes,

fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el

colapso de la obra o a su inutilizacin y abandono. En consecuencia, las

condiciones del suelo como elemento de sustentacin y construccin y las del

cimiento como dispositivo de transicin entre aqul y la supraestructura, han de ser

siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeos fundados sobre

suelos normales a la vista de datos estadisticos y experiencias locales, y en

proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, a

travs de una correcta investigacin de mecnica de suelos.

Durante los ltimos aos se han estado empleando cada vez ms losvocablos geotcnia y geomecnica para significar la asociacin de las disciplinas

que estudian la corteza terrestre desde el inters de la ingeniera civil, concurriendo

a este vasto campo ciencias como la geologa con sus diversas ramas y la geofsica

con su divisin, la sismologa. A la vista de los tres (3) materiales slidos naturales

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que ocupan nuestra atencin, podemos dividir la geotcnia en: mecnica de suelos,

mecnica de rocas y mecnicas de nieves, noveles especialidades, todas presentadas

en orden de aparicin dentro de las cuales la ltima no tiene cabida en nuestro

medio subtropical. La ms vieja de las nuevas, la mecnica de suelos, ser motivo

de nuestro estudio desde ahora en adelante, no sin antes puntualizar que ella versa

sobre un material heterogneo, dismil de partcula a partcula, donde su contenido

de humedad que puede ser variable con el tiempo ejerce capital influencia sobre su

comportamiento; debiendo aplicarse nuestros conocimientos fsicos-matemticos

para evaluar y predecir su comportamiento. Ardua tarea, distinta a la que realizamos

en otros materiales de construccin tales como el acero y el hormign, donde lascualidades fsicas son impresas a voluntad, con relativa facilidad. a travs de

procesos metalrgicos que ofrecen una amplia gama de productos finales, en el

primer caso, y mediante diseos de mezclas en el segundo, todo en armona con las

necesidades de un proyecto dado.

Sin embargo, esto no ha sido bice para su desarrollo esforzado y acelerado

en los ltimos aos, pese a la utilizacin de teoras e hiptesis de complimiento

parcial o entre rangos determinados. A los que se encuentren demasiado

preocupados por esta situacin les recordamos que aun en el concreto, material

artificial de trabajo disciplinado citado anteriormente como caso antagnico al del

suelo donde se aplican leyes como las de Hooke y Navier que presuponen al

hormign como un cuerpo perfectamente elstico donde las secciones planas, antes

de la deformacin, continan siendo planas durante y despus de la deformacin,

distantes de ser exactas; aceptndose como buenos y vlidos los resultados

obtenidos de su aplicacin.

La Mecnica de Suelos como parte importante de la aplicacin de la

ingeniera civil, est inmersa en el cumplimiento del reto anotado y,

consecuentemente, la reflexin mencionada debe darse en ella, empezando por

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determinar qu cambios deben experimentar las columnas que sustentan al proceso de

enseanza aprendizaje, a saber: infraestructura, normatividad, planes y programas

de estudio, alumnos y profesores. Siendo estos ltimos, sin duda, la columna

vertebral; resulta necesario analizar el papel de los profesores y las caractersticas que

deben poseer en el proceso de formacin de los futuros ingenieros civiles y, por

supuesto en el manejo de los contenidos terico prcticos de la Unidad Curricular

Mecnicos de Suelos, con los conocimientos, las herramientas y las actitudes que

garanticen el desarrollo integral de los futuros egresados en esta rea acadmica, para

que de esta manera puedan satisfacer con plenitud el reto planteado. Considerando

las palabras de Terzaghi, quien slo conoce la teora de la Mecnica de Suelos ycarece de experiencia prctica puede ser un peligro pblico, se debe tomar en cuenta

la ardua labor encomendada a estos especialistas.

El presente trabajo pretende cubrir los aspectos introductorios, abarcando el

contenido programtico de un curso de Mecnica de los Suelos de pregrado.

El objetivo principal de esta obra es la presentacin gradual, clara y completa

de los fundamentos de esta importante rama de la Ingeniera. Antesala obligada paraestudiar, analizar, resolver e interpretar cualquier problema que involucre al suelo,

tanto como material de soporte como de construccin, en otros trminos, enfrentar la

resolucin de problemas especficos.

Se presenta en esta obra, desde los problemas planteados en la ingeniera civil,

la composicin y las caractersticas de los ndices de los suelos, las distribuciones de

presiones con la profundidad, las propiedades hidrulicas y mecnicas.

Se considera esencial e importante los conocimientos previos a esta

asignatura, tales como las Unidades Curriculares: Geologa, Mecnica de los Fluidos,

Resistencia de Materiales, Matemticas, pues son bases terico prcticas que

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facilitarn la compresin de los aspectos abarcados en el contenido programtico

presentado de la Unidad Curricular: Mecnica de Suelos.

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CCAAPPTTUULLOOII

EL PROBLEMAPlanteamiento del Problema

En el siglo XXI, puede destacarse la aparicin de una serie de innovaciones

tecnolgicas, humansticas, cientficas, educativas, entre otras; el auge acelerado de

nuevos conocimientos ha sido calificado, entre otros, por Moreno (2001), como del

conocimiento y de la informacin, por tal motivo, se hace necesaria la reflexin

sobre las modificaciones y las adecuaciones en la educacin, sobre todo en la

educacin superior, con el propsito de que los egresados de pregrado respondanplenamente a las necesidades que se generen en el rea especfica de cada profesin.

Este mismo autor, seala que en las distintas reas de la ingeniera y,

especficamente, en la ingeniera civil, se contempla que todo estudiante debe

cumplir, sin duda, con sus objetivos y con sus metas; el reto al que se enfrenta el

profesional es: Hacer ms de lo realizado en el pasado en menor tiempo del hasta

ahora empleado, en un marco de rigidez econmica, en un ambiente en que la

aparicin y desaparicin de tecnologas se produce cada da con mayor rapidez,enfrentando en general obras tecnolgicamente ms difciles y en una afortunada y

creciente competencia internacional.

La justificacin e importancia de este trabajo, es la recopilacin de todo el

contenido programtico que se imparte en la Universidad Nacional Experimental

Francisco de Miranda, en un slo tomo que incluye hojas de clculo de Microsoft

Excel para la obtencin de resultados de las prcticas de Laboratorio de Mecnica de

los Suelos, de manera rpida prctica y sencilla para los estudiantes y losprofesionales de la ingeniera; al mismo tiempo esta informacin estar a disposicin

en la pgina web de la UNEFM (http://edi2.unefm.edu.ve/jlm/Web/).

Lo anteriormente expuesto ha surgido con el claro propsito de emitir una

respuesta cnsona con las necesidades observadas en esta unidad curricular, ya que en

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esta casa de estudios (Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda),

la bibliografa de esta asignatura es escasa y dispersa.

OBJETIVOS

Objetivo General

Disear un Manual de Fundamentos Especficos de la Unidad Curricular

Mecnica de Suelos, para el Programa de Ingeniera Civil de la

Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda.

Objetivos Especficos

Recopilar informacin terico prctica en un slo tomo de Fundamentos

Especficos de la Unidad Curricular Mecnica de Suelos, para el Programa

de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional Experimental Francisco de

Miranda.

Transformar en formato PDF el contenido del tomo de Fundamentos

Especficos de la Unidad Curricular Mecnica de Suelos para enlazarlo en

la pgina web de la UNEFM (http://edi2.unefm.edu.ve/jlm/Web/ ).

Crear hojas de clculos con base en las especificaciones ASTM y

AASTHO para facilitar los clculos de las respectivas hojas de registro de

cada una de las prcticas de Laboratorio de Mecnica de Suelos.

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CAPTULO II

MARCO TERICO

Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes modernos

de la mecnica de suelos

La tierra, uno de los elementos ms abundantes en la Naturaleza, ya sealado

por los antiguos como uno de los cuatro (4) bsicos que componen nuestro

inmemoriales como material de construccin. En su manejo y utilizacin, el anlisis

cientfico ha ido reemplazando gradualmente a las reglas intuitivas, siendo el estado

actual del conocimiento la suma de los aportes de diversos cientficos, fsicos,

matemticos e ingenieros, que desde el pretrito fueron forjando, sin saberlo, una

nueva ciencia, nutrida por sus investigaciones. Entre estos pioneros cabe destacar los

nombres de:

Carlos A. de Coulomb (1736-1806)

Alexander Collin ( ) Toms Telford (1757-1834)

Juan V. Poncelet (1788-1867)

Guillermo Rankine (1820-1872)

Karl Culmann (1821-1881)

O. Mohr (1835-1918)

Jos V. Boussinesq (1842-1929)

Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el

anlisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar francs

Coulomb tienen todava vigencia, en friccin, electricidad y magnetismo. Poncelet

ofreci en 1840 un mtodo grfico para la determinacin directa de la superficie de

falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin public en 1846 su trabajo

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"Recherches Exprimentales sur les Glissements Spontans des Terrains Argileux".

Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y fsico escocs que se distingui, tambin,

por sus trabajos en termodinmica.

Culmann le dio una solucin grfica a la teora Coulomb - Poncelet,

permitiendo la resolucin de problemas complejos de presiones de tierras.

Toms Telford fue un ingeniero ingls, constructor de puentes, puertos y

canales, primer presidente de la Asociacin Britnica de Ingenieros Civiles, en 1820.

Sus investigaciones le llevaron a desarrollar una modalidad de pavimentos.

Mohr ide un mtodo grfico para representar esfuerzos normales y

tangenciales actuantes en planos inclinados, cuando el material se somete a esfuerzos

biaxiales, de til aplicacin en el campo de los suelos.

De Boussinesq hemos aprovechado sus ecuaciones para establecer los valores

de las componentes verticales de esfuerzos generados por la aplicacin de cargas.

Dos (2) nombres no incluidos en la relacin de precursores antiguos y que

merecen ser citados son los G. G. Stokes, quien enunci una ley que rige el descenso

de una esfera en un lquido, fundamento del ensayo granulomtrico por

sedimentacin y el del fsico francs H. Darcy autor, en 1856, de una ley bsica para

el estudio del flujo del agua en los suelos.

Entre los principales contribuyentes modernos tenemos a:

Karl Terzaghi (1883-1963)

A. Atterberg ( )

Wolmar Fellenius (1876-1957)

Arturo Casagrande (1902-1981)

Laurits Bjerrum (1918-1973)

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A. W. Skempton (1914- )

Karl Terzaghi, el padre indiscutible de la mecnica de suelos, naci en Praga,

Checoslovaquia, y muri en los Estados Unidos de Norteamrica, a los ochenta (80)

aos de edad. Trabaj en Austria, Hungra y Rusia, de 1915 a 1911. Fue profesor del

Robert College de Constantinopla, de 1915 a 1925. Ense ingeniera de fundaciones

en el Instituto Tecnolgico de Massachusetts, entre 1925 a 1929, dedicndose

simultneamente a la prctica consultiva en Norte y Centro Amrica. Catedrtico en

Viena, de 1929 a 1938, comenz a laborar a partir de este ltimo ao con la

Universidad de Harvard. Su obra "Erdbaumechanik", publicada en 1925, en Viena yen idioma alemn, marc el nacimiento de una nueva disciplina.

A. Atterberg, sueco, estableci una serie de ensayos para determinar el

comportamiento plstico de los suelos cohesivos, de amplia difusin mundial, hoy en

da, en cuyos resultados estn basados todos los sistema de clasificacin ideados.

Fellenius, trabajando para la Comisin Geotcnica de los Ferrocarriles del

Estado Sueco, cre un mtodo para analizar y disear taludes que se designa con suapellido o es denominado "Mtodo Sueco", el cual se ha convertido en el

procedimiento indispensable para el estudio de taludes de presas, carreteras o de

cualquier otro tipo.

Arturo Casagrande, alemn de origen, emigr a los EE.UU. en 1926. Alumno

sobresaliente y compaero de Terzaghi, es despus del maestro la figura ms

relevante en la mecnica de suelos; siendo notables sus contribuciones en equipos y

sistemas al estudio de la plasticidad, consolidacin y clasificacin de los suelos.Organiz junto al Dr. Terzaghi el Primer Congreso de Mecnica de Suelos y

Fundaciones, celebrado en la Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts, en

el ao de 1936, habiendo sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de

Suelos y Cimentaciones.

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Bjerrum naci y estudi en Dinamarca. Labor en Suiza y en su pas natal,

siendo el primer director, en 1951, del Instituto Geotcnico Noruego. De esa poca

son sus valiosas investigaciones en torno a la resistencia al corte de los suelos y de

modo especial sobre la sensibilidad de las arcillas.

Skempton, nacido en Inglaterra, es profesor del colegio Imperial de la

Universidad de Londres, donde introdujo la enseanza de la mecnica de suelos. Ha

sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos y Fundaciones.

Sus contribuciones han discurrido sobre presiones efectivas, capacidad de carga y

estabilidad de taludes.

Casos mundiales en los que hizo falta la aplicacin de la mecnica de suelos

Dos (2) de las obras de construccin de carcter monumental en el mbito

mundial donde se hizo pattica la ausencia de los postulados de la mecnica de

suelos moderna son la Torre de Pisa y el canal de Panam. La llamada Torre

Inclinada de Pisa fue comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la

segunda mitad del Siglo XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y unpeso total de 14,500 toneladas, su cimentacin anular transmite presiones al

subsuelo del orden de 5 Kg/cm. Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla,

su inclinacin comenz a producirse desde la poca de su construccin como

consecuencia de presiones diferenciales de los suelos afectados, observndose en la

actualidad una separacin entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m

en su parte ms alta.

Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, sedesplom en 1902 cuando su inclinacin era de apenas 0.8%. Una nueva torre,

existente, fue erigida en el lugar de la antigua, con una cimentacin ms grande.

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El primer intento por construir un canal artificial que uniese los ocanos

Atlntico y Pacfico fue realizado por el Ing. Francs Fernando de Lesseps, en el

1881, quien antes haba llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el ao

1914 que el canal de navegacin solucionado por los norteamericanos mediante un

sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, despus de lograr el saneamiento

de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380

millones de dlares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron

315 millones de metros cbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal,

de los cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construccin de

caracteriz por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y"cucaracha", estando constituida esta ltima por arenisca arcillosa estructuralmente

dbil. Las fallas se siguieron produciendo aos despus de la inauguracin del canal

provocando el cierre temporal por perodos ms o menos largos. La estabilidad

actual de las laderas del canal plantea un problema de resistencia a largo tiempo,

donde las respuestas hay que buscarlas en la asociacin de la geologa y la

mecnica de suelos.

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UNIDAD I

Problemas Planteados por el Terreno en la Ingeniera Civil.

En su trabajo prctico el Ingeniero Civil ha de enfrentarse con muy diversos e

importantes problemas planteados por el terreno. El terreno le sirve de cimentacin

para soportar estructuras y terraplenes; emplea el suelo como material de

construccin; debe proyectar estructuras para la retencin o sostenimiento del terreno

en excavaciones y cavidades subterrneas y el suelo interviene en gran nmero de

problemas particulares. El Ingeniero debe buscar y estudiar la manera de poder

resolver los problemas al trabajar con suelos.

Cimentaciones

Prcticamente todas las estructuras de ingeniera civil, edificios, puentes,

carreteras, tneles, 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 cimentacin adecuada.

Cuando el terreno firme est prximo a la superficie, una forma viable de

transmitir al terreno las cargas concentradas es mediantezapatas (Figura I-1).

Figura I-1. Edificio con cimentacin superficial por zapatas

Fuente: Lambe y Whitman, 1976.

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Cuando el terreno firme no est prximo a la superficie, un sistema habitual

para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales

como pilotes ((Figura I-2), cajones o pilas. Estos trminos no tienen una clara

definicin que los distinga unos de otros. En general los cajones y pilas son de mayor

dimetro que los pilotes y requieren una tcnica particular de excavacin, mientras

que los pilotes se suelen hincar por golpeo (Lambe y Whitman, 1976). El peso del

edificio se transmite a travs del suelo blando hasta una base firme que est debajo

sin que prcticamente ninguna parte de la carga del edificio descanse sobre el terreno

blando.

Figura I-2. Edificio cimentado sobre pilotes


El problema de proyectar con xito una cimentacin es mucho ms amplio quela simple fijacin de tamaos para las zapatas o la eleccin del nmero correcto y el

tamao de los pilotes.

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En muchos casos, el costo de la cimentacin de un edificio se puede reducir

mucho, aplicando al suelo ciertos tratamientos.

1. Qu es una cimentacin?

Una cimentacin es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero

con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y econmico a una estructura y se

puede referir tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que

sirva para transmitir las cargas. (Whitman. 1976)

2. Cmo se puede emplear la palabra cimentacin?

Segn Lambe y Whitman, 1976, la palabra cimentacin se emplea para

describir el material que soporta cualquier tipo de estructura como un edificio, presa,

terrapln de carretera o aeropista.

En la actualidad el trmino cimentacin superficial se emplea para describir un

sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente

al terreno situado bajo la misma, y el de cimentacin profunda se aplica a aquellos

casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un

terreno firme situado a cierta profundidad.

Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos de suelo o de roca

situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga,

con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. El hecho de llevar la

cimentacin hasta el primer estrato resistente que se encuentre no es suficiente,

aunque esta sea la decisin que a menudo se toma, pues la cimentacin profunda debe

analizarse de la misma manera que la que es poco profunda. Como la cimentacin

superficial, tambin la cimentacin profunda, incluyendo los estratos de suelo o roca

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situados debajo, deben ofrecer seguridad y no asentarse excesivamente por efecto de

las cargas de la estructura que soportan.

Hay dos formas de cimentaciones profundas generalmente aceptadas: pilotes y

pilares. Los pilotes son fustes relativamente largos y esbeltos que se introducen en el

terreno. Aunque algunas veces se hinca en el terreno pilotes hasta de 1.50m de

dimetro, por lo general sus dimetros son inferiores a 60 cms. Los pilares son de

mayor dimetro y se construyen excavando y, por lo general, permiten una inspeccin

ocular del suelo o roca donde se apoyaran. Los pilares son en realidad cimentaciones

por superficie o sobre placa a gran profundidad. No se puede hacer una distincinprecisa entre pilotes y pilares, porque hay cimentaciones que combinan las

caractersticas de ambas.

Desarrollo y uso de los pilotes

Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12000 aos los

habitantes neolticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de

lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos y a alturas suficiente paraprotegerlos de los animales que merodeaban y de los guerreros vecinos. Estructuras

similares estn actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de la Amrica

del Sur. Venecia fue construida sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del ro

Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al

mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia. Los

descubridores espaoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa pequea

Venecia, porque los indios vivan en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas

que rodean las costas del lago Maracaibo. En la actualidad las cimentaciones de

pilotes tienen el mismo propsito: hacer posible las construcciones de casas y

mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son

favorables.

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Uso de los pilotes

Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las

cimentaciones son los ms comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura

a travs de estratos blandos a suelos ms fuertes e incompresibles o a la roca que se

encuentre debajo o distribuyen la carga a travs de los estratos blandos que no son

capaces de resistir la concentracin de la carga de un cimiento poco profundo. Los

pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo

puedan ser socavados por la accin de las corrientes o las olas o en los muelles y

puentes que se construyen en el agua.

Los pilotes de traccin se usan para resistir fuerzas hacia arriba, como en las

estructuras sometidas a subpresion, tales son los edificios cuyos basamentos estn

situados por debajo del nivel fretico, las obras de proteccin de presas o los tanques

soterrados. Tambin se emplean para resistir el vuelco en muros y presas y como

anclaje de los cables que sirven de contravientos en las torres o retenidas en los muros

anclados y en las torres.

Los pilotes cargados lateralmente soportan las cargas aplicadas

perpendicularmente al eje del pilote y se usan en cimentaciones sometidas a fuerzas

horizontales, como son los muros de sostenimiento de tierras, los puentes, las presas y

los muelles y como defensas y duques de alba en las obras de los puertos. Si las

cargas laterales son grandes, los pilotes inclinados pueden resistirlas ms

eficazmente. Estos son pilotes que se hincan con un cierto ngulo. Frecuentemente se

usa una combinacin de pilotes verticales e inclinados (ver figura II.2.1.).

Los pilotes se usan algunas veces para compactar el suelo o como drenes

verticales en estratos de baja permeabilidad. Los pilotes colocados muy prximos

unos de otros y las tablescas anchas y delgadas unidas entre si, se usan como muros

de sostenimiento de tierras, presas temporales o mamparas contra filtraciones.

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Figura I-2.1. Edificio cimentado sobre combinacin de pilotes verticales e inclinados.

Fuente: Ivan F. 2003.

Mecnica de los suelos

En la actualidad el estudio de la Mecnica de los Suelos est orientado en dos

direcciones mundialmente conocidas como mecnica de suelos no-saturados y

mecnica de suelos saturados, con el propsito de conocer el comportamiento de cada

uno de ellos y buscar las mejores soluciones que resuelvan los problemas que

comnmente se presentan.

Mecnica de Suelos Saturados y No Saturados es usada en trminos, teoras y

formulaciones que son aplicadas a la gran mayora de las condiciones del sueloencontradas en las prcticas ingenieriles; las teoras y formulaciones que abarcan la

parte no saturada del perfil del suelo tienen a los suelos no saturados como un caso

especial.

El desarrollo de una aproximacin racional para la comprensin del

comportamiento de los Suelos No Saturados, tienen su principal basamento en

el hecho que en las ciudades de clima rido se presentan problemas asociados

con cambios de volumen en respuesta a cambios en el contenido de agua de

los mismos, que conducen a daos en las estructuras cimentadas sobre estos

suelos.

En regiones hmedas el nivel fretico puede estar cercano a la superficie del

terreno y en las regiones ridas el nivel fretico puede estar muy profundo.

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Bajo el nivel fretico, la presin poro agua es positiva y los suelos son

saturados mientras que sobre el nivel fretico la presin poro agua es

negativa y los suelos son no saturados. (ver figura I-3 y figura I-4).

La Mecnica de Suelos Saturados y No Saturados est categorizada segn el

tipo del problema ingenieril presentado pero siempre englobando las reas

tradicionalmente clsicas y de vital importancia como lo son el esfuerzo

cortante, las filtraciones y los cambios de volumen.

En la Mecnica de Suelos Saturados, el principio de esfuerzo efectivo ( - u w)

es un elemento clave para entender el comportamiento de estos suelos,

mientras que en los Suelos No Saturados, son la succin matricial (ua u w) y

el esfuerzo normal neto ( u a) las variables independientes de los cambios

volumtricos. Ellas en conjunto, para cada tipo de suelo, generan superficies

constitutivas que relacionan las propiedades del mismo (ver figura I-5)

Figura I-3. Visualizacin generalizada de la mecnica de suelos

Fuente: Chirinos y Garca (1999)

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Figura I-4. Comparacin de las condiciones de los suelos saturados y no saturados.

Fuente: Chirinos y Garca (1999)

Figura I-5. Categorizacin de la Mecnica de Suelos.

Fuente: Fredlund y Rahardjo (1993)

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Definicin de la Mecnica de Suelos Saturados o Tradicional.

Badillo y Rico, 1976, sealan la definicin segn Terzaghi, como la aplicacin

de las leyes de la mecnica y la hidrulica a los problemas de ingeniera que tratan

con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partculas slidas,

producidas por la desintegracin mecnica y descomposicin qumica de las rocas,

independientemente de que tengan o no contenido de materia orgnica.

Proceso de resolucin de los problemas de mecnica de suelos planteados

en ingeniera civil.


Aunque casi todos los problemas de suelos son, en alto grado, estticamente

indeterminados. Aun es ms importante el hecho de que los depsitos de suelos

naturales presentan cinco caractersticas que originan complicaciones:

1. Un suelo no posee una relacin lineal o nica de esfuerzo deformacin

2. El comportamiento del suelo depende de la presin, tiempo y del medio fsico

3. El suelo es diferente, prcticamente, en cada lugar.

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4. En casi todos los casos la masa del suelo que interviene en un problema esta

bajo la superficie y no puede observarse en su totalidad, sino que se debe

estudiar a partir de pequeas muestras obtenidas en puntos localizados

5. La mayora de los suelos son muy susceptibles a alterarse, debido a la toma de

muestras, por lo que el comportamiento medido en pruebas de laboratorio

puede ser diferente del suelo in situ.

Estos factores se combinan para hacer que cada problema de suelos sea

particular y, para todos los efectos prcticos, imposible de una solucin exacta.

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ANEXO I-1

Ejemplo de Problemas Planteados por el Terreno en la Ingeniera Civil.

Este podra ser uno de los casos ms clsico de malas condiciones de

cimentacin en la ciudad de Mxico. En sta, por ejemplo, el edificio de Bellas Artes

que aparece en la figura I-6, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 3.60 m.

respecto al terreno circundante. Los visitantes que antiguamente tenan que subir

escaleras hasta la planta baja, deben bajarlas ahora hasta la misma, debido a los

grandes asentamientos.

Figura I-6. Palacio de las Bellas Artes, Ciudad de Mxico.


ANEXO I-2

Ejemplo de cimentacin superficial.

La figura I-7, muestra el centro de Estudiantes del Massachussets Intitute

Tecnology (M.I.T.) que tiene una cimentacin superficial formada por una placa

continua bajo todo el edificio. Es lo que se denomina una cimentacin por placa o

por loza corrida.

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Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37.000 ton sobre la

superficie del terreno, se habra producido un asentamiento de aproximadamente 0.30

m debido a la consolidacin del terreno blando superior. Un asentamiento de esta

magnitud habra daado la estructura.

Figura I-7. Edificio con cimentacin superficial por placa


En estos casos particulares y antes de tomar una decisin sobre cual sistema de

cimentacin a emplear, el ingeniero proyectista deber de responder a cuestiones

como las siguientes:

1. A qu profundidad debera cimentarse el edificio en el terreno?

2. Habra que proteger la excavacin mediante un muro o pantalla durante la

construccin, para evitar la penetracin o desprendimiento del terreno?

3. Sera necesario abatir el nivel fretico (drenaje) para excavar y construir la

cimentacin? Y, en caso afirmativo, qu mtodos deberan emplearse paraello?

4. Habra peligro de daos a los edificios adyacentes?

5. Cunto se asentar el edificio terminado? Sera uniforme este asentamiento?

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6. Qu esfuerzo y distribucin de los mismos deberan considerarse para el

proyecto de la placa de cimentacin?

ANEXO I-3

Ejemplo de cimentacin por pilotes

La figura I-8, muestra el Centro de Materiales de M.I.T., con cimentacin

profunda sobre pilotes. El terreno de la zona es semejante al del Centro de

Estudiantes, con la importante excepcin de que, en este caso, existe muy poca o

ninguna arena y grava.

Figura I-8. Edificio con cimentacin profunda por pilotes


Las razones principales por las cuales el Centro de Materiales se ciment sobre

pilotes apoyados en el terreno firme, en lugar de recurrir a una cimentacin flotante,fueron:

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1. La funcin a que estaba destinado el Centro de Materiales era tal, que no

resultaba aconsejable que la planta baja quedara por debajo de la superficie

del terreno.

2. No exista prcticamente arena y grava sobre la cual colocar la placa.

3. Los mltiples servicios subterrneos, en especial un gran tnel de vapor que

atravesaba la zona, habran hecho la construccin de la placa cara y difcil.

Entre las cuestiones con que se enfrenta el ingeniero en el proyecto y

construccin de una cimentacin por pilotes estn:

1. Qu tipo de pilote debe utilizarse?

2. Cul es la carga mxima admisible por pilote?

3. Con qu separacin deben colocarse los pilotes?

4. Qu mtodo de colocacin debe utilizarse?

5. Qu variacin respecto a la vertical puede permitirse en un pilote?

6. Cul es la secuencia ptima en la colocacin de pilotes?

7. Tendra el hincado de pilotes alguna influencia sobre estructuras adyacentes?

ANEXO I-4

Ejemplo de un terrapln sobre terreno blando

La figura I-9, muestra un terrapln de 10 m de altura colocado sobre una capa

de suelo blando de 9.60 m de espesor, la idea original era colocar deposito de 15 m de

dimetro y 17 m de altura.

Si se hubiera colocado el depsito sobre el terreno blando, sin una cimentacin

especial, se habra producido un asentamiento superior a 1.50 m. Aunque un depsito

metlico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50 m es demasiado grande

para que sea admisible.

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Los estudios geotcnicos realizados mostraron que una solucin muy

econmica era con la tcnica de laprecarga osobrecarga previa.

Entre las cuestiones a tener en cuenta para esta obra pueden citarse:

1. Qu altura podra alcanzar el terrapln?

2. Con qu rapidez se podra construir el mismo?

3. Cules seran los taludes mnimos del terrapln?

4. Podra colocarse el terrapln sin emplear mtodos especiales para contener o

drenar el terreno blando?

5. Cunto se asentara el terrapln?

6. Durante cunto tiempo debera dejarse el terrapln con el objeto de que el

terreno se consolidara lo suficiente para permitir la construccin y buen

funcionamiento del depsito?

Figura I-9. Terrapln sobre un suelo blando


ANEXO I-5

Ejemplo de levantamiento de una cimentacin.

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El ingeniero no slo se enfrenta con problemas referentes a asentamientos sino

tambin con casos de movimiento ascensional (levantamiento) de estructuras. Los

problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande (suelos

expansivos), al disminuir la presin de las tierras que lo confinan superiormente y/o

cuando aumenta la humedad del suelo.

Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de

importancia econmica en aquellos pases que tienen regiones ridas, como por

ejemplo Egipto, Israel, frica del Sur, Espaa, el Suroeste de los Estados Unidos y

Venezuela. En tales zonas, los suelos se secan y contraen con el clima rido,hinchndose al existir nuevamente humedad.

La figura I-10, muestra una estructura ligera construida en Coro, Venezuela. En

la zona de Coro el terreno es muy expansivo, conteniendo el mineral denominado

montmorilonita.

Figura I-10. Edificio cimentado en un terreno expansivo


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ANEXO I-6

Aplicaciones de la Mecnica de Suelos

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REFERENCIAS

Badillo J. y Rodrguez R. 1976. Mecnica de Suelos. Tomo I Fundamentos de laMecnica de Suelos. 3 Edicin. Editorial Limusa. Mxico

Chirinos E. y Garca J. 1999. Prediccin de Cambios Volumtricos en los SuelosArcillosos de Coro. Bajo el Parmetro de Succin, Trabajo Especial de Gradopara Ingeniero Civil, Universidad Nacional Experimental Francisco deMiranda, Coro, Venezuela.

Fredlund, D.G and Rahardjo. 1993. Soil Mechanics for Unsaturated Soils. John Wiley

& Sons, Inc.

Ivan F. 2003. Ingeniera Civil y Arquitectura. Pilotaje. Cimentaciones Profundas.Construaprende. (Documento en lnea). Disponible en:http://www.construaprende.com/Trabajos/T3/Pilotajecim.html. (23 de marzode 2004).

Lambe, T.W y Whitman, R.V. 1976. Mecnica de Suelos. Editorial. Limusa.Mxico.

Manual de Trabajo de Grado de Especializacin, Maestra y Tesis Doctorales. 1998.

Universidad Pedaggica Experimental Libertador. Venezuela.

Terzaghi, K. 1943. Theoretical Soil Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. New York,U.S.A

Terzaghi K. y Peck R. 1955. Mecnica de Suelos en la Ingeniera Prctica. EditorialEl Ateneo S.A. Barcelona, Espaa.

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UNIDAD II

Origen, naturaleza de los suelos y las rocas

Origen de los suelos

El globo terrestre esta constituido por un ncleo de una densidad media muy

alta, este ncleo se encuentra rodeado por un manto fluido, el magma. Envolviendo

este manto se encuentra la corteza terrestre. Suprayaciendo a la corteza terrestre

existe una pequea capa formada por la desintegracin mecnica y descomposicin

qumica de las rocas, lo que constituye lo que se conoce como suelo, del cual se trata

en la Mecnica de Suelos.

El ingeniero civil clasifica los materiales que constituyen la corteza terrestre

en dos categoras: sueloy roca.

Suelo

Es la cubierta superficial de la mayora de la superficie continental de la Tierra. Es unagregado de minerales no consolidados y de partculas orgnicas producidas por la

accin combinada del viento, el agua y los procesos de desintegracin orgnica; es

fcilmente removible por medios manuales o mecnicos de poca intensidad y que se

encuentra sobre roca fija.

Los suelos cambian mucho de un lugar a otro. La composicin qumica y la estructura

fsica del suelo en un lugar dado, estn determinadas por el tipo de material geolgico

del que se origina, por la cubierta vegetal, por la cantidad de tiempo en que ha

actuado la meteorizacin, por la topografa y por los cambios artificiales resultantes

de las actividades humanas. Las variaciones del suelo en la naturaleza son graduales,

excepto las derivadas de desastres naturales.

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Roca

Es un agregado de minerales unidos por fuerzas cohesivas poderosas y permanentes,

que solo puede ser excavado mediante el uso de taladros, explosivos u otro mtodo de

fuerza bruta.

Todos los suelos tienen su origen, directa o indirectamente, en las rocas

slidas, que se clasifican de acuerdo con su proceso de formacin en tres grandes

grupos: gneas (o eruptivas), sedimentarias y metamrficas.

Rocas, origen y clasificacin

Las rocas pueden estar constituidas por partculas minerales agregadas del

mismo gnero, o de distinta estructura cristalina y composicin qumica. En general,

las rocas estn formadas por varias especies minerales o rocas compuestas. Cuando

las rocas estn formadas por una sola especie mineral se llaman rocas simples. Los

minerales que constituyen las rocas se dividen en esenciales, accesorios y

secundarios. Los esenciales definen el tipo de roca de que se trata; los accesorios son

materias que pueden o no estar presentes; y los secundarios son aquellos minerales

que aparecen en escasa cantidad. La informacin sobre la petrognesis de las rocas, se

obtiene mayormente atendiendo a la estructura y textura, adems de la que

complementariamente proporcionan la composicin qumica y mineralgica.

Clasificacin de las Rocas

Segn sus orgenes, las rocas se clasifican en gneas o magmticas (rocas

gneas intrusitas y rocas volcnicas o gneas extrusivas), metamrficas y

sedimentarias.

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Rocas gneas

Se originan a partir de un magma (rocas fundidas a muy alta temperatura). El

trmino gneo deriva del latn igneus, es decir, ardiente. Las rocas gneas se

solidifican cuando se enfra el magma, sea bajo tierra o en la superficie. Las ms

antiguas tienen al menos 3.960 millones de aos, mientras que las ms jvenes

apenas se estn formando en estos momentos. El granito es la roca gnea ms

corriente, aunque existen ms de 600 tipos. Hay dos tipos de rocas gneas que se

distinguen porque en un caso el magma alcanza la superficie terrestre antes de

enfriarse y endurecerse, y en el otro no. El magma que cristaliza bajo tierra formarocas gneas intrusivas. El que alcanza la superficie antes de solidificarse forma las

rocas gneas extrusivas.

Rocas gneas intrusitas

Las rocas gneas que se forman en profundidad se enfran ms lentamente que

las formadas en superficie, por lo que tienden a ser de grano ms grueso y no

contienen inclusiones gaseosas o de vidrio. Los grandes cristales normalmente se

empaquetan de forma compacta, confiriendo un aspecto granuloso a la roca. Hay dos

tipos de rocas gneas intrusivas. Las hipoabisales se forman justo debajo de la

superficie, normalmente en diques y sills. Las rocas plutnicas se forman a mayor

profundidad y se emplazan en forma de plutones y batolitos. Las rocas gneas

intrusivas quedan expuestas a la superficie si las rocas que las cubren desaparecen por

efecto de la erosin.

Rocas gneas extrusivasSi el magma alcanza la superficie terrestre antes de enfriarse, forma rocas

gneas extrusivas de grano fino, tambin llamadas rocas volcnicas, ya que el magma

surge por los volcanes. Las rocas gneas extrusivas tienen formas fluidas y cristales

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de poco tamao que crecen rpidamente, y suelen contener inclusiones de vidrio y de

gas.

Composicin

Las rocas gneas estn compuestas esencialmente por silicatos, generalmente

ortosa, plagioclasa, cuarzo, mica biotita, olivino, anfboles y piroxenos. Cada tipo de

roca gnea contiene distintas proporciones de estos minerales.

Clasificacin

Las rocas gneas se clasifican segn la cantidad de slice que contienen.

Tambin se pueden agrupar por el tamao de los cristales. El tipo de magma, la forma

en que viaja hasta la superficie y la velocidad de enfriamiento determinan la

composicin y caractersticas como el tamao del grano, la forma de los cristales y el

color. El tamao del grano indica si una roca gnea es intrusiva (de grano grueso) o

extrusiva (de grano fino). Las primeras, como el gabro, tienen cristales de ms de 5

mm de dimetro; las rocas de grano medio, como la dolerita, tienen cristales de entre

0,5 y 5 mm de tamao; por ltimo, las de grano fino, como el basalto, tienen cristalesde menos de 0,5 mm. La forma de los cristales es otro indicador del origen de la roca.

Un enfriamiento lento permite que los minerales tengan tiempo de desarrollar

cristales bien formados (idiomrficos). Un enfriamiento rpido slo permite la

aparicin de cristales mal formados (alotriomrficos). El color puede ayudar a

establecer la composicin qumica de una roca. Las cidas de color claro contienen

ms del 65 por ciento de slice. Las bsicas son oscuras, tienen un bajo contenido en

slice y una mayor proporcin de minerales ferromagnesianos oscuros y densos como

la augita. Las intermedias se sitan entre las dos anteriores en cuanto a composicin

y, por lo tanto, tambin en color.

La figura II-1, muestra algunos tipos de rocas gneas y la Figura II-1.1

muestra la intemperizacin del granito

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Figura II-1. Tipos de Rocas gneas

Fuente: Grupo Geotecnia, 2003.

Figura II-1.1 La intemperizacion del granito

Fuente: Witlow, 1994.

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Rocas sedimentarias

Se forman en la superficie terrestre o cerca de ella. Normalmente, la roca sefragmenta y se disuelve por accin de la meteorizacin y la erosin, las partculas se

sedimentan y los minerales disueltos cristalizan a partir del agua y forman

sedimentos. Los componentes de la roca fragmentada son transportados por el agua y

el hielo y, enterrados a poca profundidad, se convierten en nuevas rocas. Las rocas

sedimentarias se disponen en capas, las ms recientes situadas sobre las ms antiguas,

lo que permite a los gelogos conocer la edad relativa de cada capa. Las rocas

sedimentarias suelen contener fsiles, que pueden ser de utilidad tanto para datar las

rocas como para determinar su origen. Existen tres grupos principales: orgnicas,

detrticas y qumicas.

Rocas sedimentarias orgnicas

Las rocas sedimentarias orgnicas se forman a partir de restos vegetales o

animales. Por lo general contienen fsiles, y algunas estn compuestas casi

ntegramente de restos de seres vivos. Por ejemplo, el carbn se forma a partir de

capas de material vegetal comprimido. La mayor parte de la piedra caliza procede de

restos de criaturas marinas.

Rocas sedimentarias detrticas

Las rocas sedimentarias detrticas estn constituidas por partculas de rocas

ms antiguas que pueden estar situadas a cientos de kilmetros. Las rocas de origen

se fragmentan debido a la lluvia, la nieve o el hielo, y las partculas resultantes son

arrastradas y depositadas como sedimentos en desiertos, en playas o en los lechos de

ocanos, lagos y ros. Las rocas detrticas se clasifican de acuerdo con el tamao de

las partculas que contienen. La arenisca es un ejemplo de roca sedimentaria detrtica.

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Rocas sedimentarias qumicas

Las rocas sedimentarias qumicas se forman a partir de minerales disueltos en

el agua. Cuando el agua se evapora o se enfra, los minerales disueltos pueden

precipitar y formar depsitos que pueden acumularse con otros sedimentos o formar

rocas por su cuenta. Las sales son un ejemplo habitual de rocas sedimentarias

qumicas.

Formacin de rocas sedimentarias

El proceso que convierte los sedimentos no consolidados en roca se denomina

litificacin. A diferencia de las rocas metamrficas, las sedimentarias se forman cerca

de la superficie terrestre, bajo presiones y temperaturas relativamente bajas. Los

sedimentos ms antiguos quedan enterrados bajo las nuevas capas y se van

endureciendo gradualmente por la compactacin y la cementacin. La compresin

que sufren esos sedimentos para formar rocas se denomina compactacin. A medida

que se van amontonando las capas de sedimentos, las ms inferiores van quedando

aplastadas por el peso de las superiores. El grado de compresin que pueden soportardepende del tipo de sedimento. El sedimento de grano fino se puede reducir a una

dcima parte de su grosor original en un proceso del que se obtiene la argilita (roca

constituida por arcillas), mientras que la arena se puede comprimir muy poco. Los

sedimentos suelen contener una gran cantidad de agua entre las partculas que se

expulsan durante la compactacin. Los componentes minerales disueltos pueden

cristalizar a partir de esa agua y cementar los sedimentos. Los cementos minerales

ms comunes son la calcita y el cuarzo.

Clasificacin de las rocas sedimentarias

La apariencia de una roca sedimentaria queda determinada por las partculas

que contiene. Caractersticas como el tamao y la forma del grano o la presencia de

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fsiles pueden ayudar a clasificar este tipo de rocas. El tamao de los granos de las

rocas sedimentarias vara mucho, desde grandes cantos hasta las minsculas

partculas de arcilla. Los conglomerados y las brechas, compuestos de guijarros y

cantos rodados, son las rocas sedimentarias de grano ms grueso; la arenisca est

formada por partculas del tamao de granos de arena y el esquisto es la roca

sedimentaria de grano ms fino. La forma de los granos que integran las rocas

sedimentarias depende de cmo stos se han transportado. La erosin del viento crea

partculas de arena esfricas y guijarros angulosos. La del agua origina partculas de

arena angulosas y guijarros esfricos. Los fsiles son restos animales o vegetales

conservados en capas de sedimentos. El tipo de fsil que contiene una roca indica suorigen. Por ejemplo, un fsil marino sugiere que la roca se form a partir de

sedimentos depositados en el lecho ocenico. Los fsiles suelen aparecer

principalmente en rocas sedimentarias, nunca en las gneas y raramente en las

metamrficas.

La figura II-2, muestra algunos tipos de rocas sedimentarias.

Rocas metamrficas

En la profundidad de la corteza terrestre, las temperaturas y las presiones son

altsimas. Dentro de nuestro planeta, el grupo de minerales que compone una roca se

puede transformar en otro que sea estable a presiones y temperaturas superiores. Las

rocas situadas cerca de un cuerpo de magma caliente se pueden transformar por la

accin del calor. Las rocas que han sido enterradas a gran profundidad por la accin

de placas tectnicas convergentes pueden transformarse por el aumento de la presin

y de la temperatura. Ese cambio se denomina metamorfismo, un proceso que puedemodificar cualquier tipo de roca, sea sedimentaria, gnea o incluso metamrfica. Por

ejemplo, la piedra caliza, que es sedimentaria, puede convertirse en mrmol, y el

basalto, que es gneo, en una roca verde, anfibolita o eclogita.

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Figura II-2. Tipos de Rocas Sedimentarias


Temperatura y presin

Cuanto mayor sea la profundidad a la que est enterrada una roca, ms calor y

mayor temperatura soportar. Con cada kilmetro de profundidad la temperatura

aumenta unos 25C y la presin, unas 250 atmsferas. El aumento de la temperatura y

de la presin puede transformar las rocas en dos aspectos: pueden cambiar el conjunto

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de los minerales presentes en la roca preexistente (la paragnesis) y formar un

conjunto nuevo, y tambin pueden cambiar el tamao, la forma y la disposicin de los

cristales en la roca. Ambos procesos pueden causar la destruccin de los cristales

preexistentes y generar cristales nuevos por recristalizacin. El metamorfismo tiene

lugar con temperaturas de 250 a 800C; con temperaturas superiores a 650C, las

rocas se pueden fundir para formar magma y una roca "mixta" denominada

migmatita.

Metamorfismo regional

A medida que se forman las montaas, grandes cantidades de roca se

deforman y se transforman debido a un proceso llamado metamorfismo regional. Las

rocas enterradas a poca profundidad descienden a mayores profundidades, donde a

temperaturas y presiones superiores se pueden formar nuevos minerales. Una zona

que ha sufrido el proceso de metamorfismo regional puede ocupar miles de

kilmetros cuadrados. Este tipo de metamorfismo se clasifica en grado bajo, medio y

alto en funcin de las temperaturas alcanzadas. La pizarra, el esquisto y el gneis son

ejemplos de rocas afectadas por el metamorfismo regional.

Metamorfismo de contacto

El metamorfismo de contacto se da cuando las rocas son calentadas por un

cuerpo de magma. Los fluidos liberados por ese proceso pueden atravesar las rocas y

seguir transformndolas. La zona afectada situada en torno a una intrusin gnea o un

flujo de lava se denomina aureola. Su tamao depende del de la intrusin y de la

temperatura del magma. Los minerales de la roca original pueden transformarse demodo que la roca metamrfica resultante sea ms cristalina, y en el proceso pueden

desaparecer componentes, como los fsiles. Las corneanas son el resultado habitual

del metamorfismo de contacto.

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Metamorfismo dinmico

El metamorfismo dinmico es una forma secundaria de metamorfismo que se

da cuando las rocas son comprimidas a causa de los grandes movimientos de la

corteza terrestre, en especial a lo largo de sistemas de fallas. Grandes masas de roca

se superponen a otras rocas y, en los puntos donde entran en contacto, se forman unas

rocas metamrficas denominadas milonitas.

La clasificacin de las rocas metamrficas

Las rocas metamrficas presentan una serie de caractersticas comunes. El

anlisis de la estructura, el tamao del grano y el contenido mineral puede ayudar a

clasificar estas rocas. El trmino textura hace referencia a cmo se orientan los

minerales en el seno de una roca metamrfica. La orientacin de los cristales indica si

la roca se ha formado como consecuencia de un aumento de presin y de temperatura,

o bien, slo por un incremento de esta ltima. En las rocas metamrficas de contacto,

los minerales suelen estar ordenados al azar. En las de metamorfismo regional, la

presin a la que se ha visto sometida la roca suele provocar que determinadosminerales se alineen. El tamao de los cristales refleja el grado de calor y presin al

que se ha expuesto la roca. En general, cuantas ms altas hayan sido la presin y la

temperatura, mayores sern los cristales. Por ejemplo, la pizarra, que se forma bajo

poca presin, es de grano fino; el esquisto, que se forma a temperaturas y presiones

moderadas, es de grano medio; y el gneis, formado a altas temperaturas y presiones,

es de grano grueso. La presencia de determinados minerales en las rocas

metamrficas puede ayudar en el proceso de identificacin. El granate y la cianita se

dan en el gneis y el esquisto, mientras que en la pizarra suelen encontrarse cristales de

pirita.

La figura II-3, muestra algunos tipos de rocas metamrficas.

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Figura II-3. Tipos de Rocas Metamrficas


Agentes generadores del suelo

Los agentes generadores de suelos que actan sobre la corteza terrestre, por la

naturaleza de su ataque producen desintegracin mecnica y descomposicin qumica

(Badillo y Rodrguez, 1976).

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La figura II-4, muestra el esquema de origen de los suelos.

Figura II-4. Esquema indicativo del origen y formacin de los suelos.

La desintegracin mecnica

Se refiere a la intemperizacin de las rocas por agentes fsicos: movimientos

tectnicos, agua, viento, hielo, vegetacin, temperatura y el hombre. Este proceso

genera los llamados suelos residuos: fragmentos de roca, gravas, arenas y limos.

La descomposicin qumica

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Se produce por la accin de agentes que atacan las rocas modificando su

constitucin mineralgica o qumica, siendo el principal agente el agua y los

mecanismos de ataque la hidratacin, la oxidacin, la carbonatacin, la solucin, los

efectos qumicos de la vegetacin. Produciendo arcilla como ltimo proceso de la

descomposicin.

Suelos Residuales y Transportados

Suelos residuales

Los suelos residuales son el producto de la meteorizacin de las rocas y su

comportamiento depende de las propiedades de la roca original y del grado de

descomposicin.

Los deslizamientos de tierra son muy comnes en suelos residuales, especialmente en

los periodos de lluvias intensas.

Como caractersticas de los suelos residuales pueden mencionarse las

siguientes (Brand, 1985):

1. Son generalmente muy heterogneos y difciles de muestrear y ensayar.

2. Comnmente, se encuentran en estado hmedo no saturado, lo cual

representa una dificultad para evaluar su resistencia al corte.

3. No pueden considerarse aislados del perfil de meteorizacin, del cual

son solamente una parte componente. Para definir su comportamiento y

la posibilidad de ocurrencia de deslizamientos, pueden ser ms

importantes las caractersticas del perfil que las propiedades del material

en s.

4. Generalmente, poseen zonas de alta permeabilidad, lo que los hace muy

susceptibles a cambios rpidos de humedad y saturacin.

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Suelos transportados

Son los que han sido trasladados de su lugar de origen, redepositados en otras

zonas, son suelos que sobreyacen a otros estratos sin relacin directa con ellos. Entre

los agentes de transporte se pueden mencionar: agua, viento, hielo, explosiones

volcnicas, la fuerza de gravedad.

Conforman los denominados depsitos naturales que, por el agente de

transporte, se denominan: aluviales, elicos, lacustre, marinos, volcnicos,

piedemonte.

Depsitos de Suelos

Depsitos aluvionales, son aquellos arrastrados y depositados por el agua en

movimiento. El tamao de sus granos vara desde grandes fragmentos de roca, como

los encontrados en los lechos del ro, a grava, arena, limo y algo de arcilla. Son, por

lo general bien gradados y pueden encontrarse de estado medio a compacto.

La compresibilidad de estos depsitos varia de acuerdo al tipo de sedimentos, es

decir, los sedimentos finos son de mediana compresibilidad en cambio los sedimentos

ms gruesos son de baja a muy baja compresibilidad

Depsitos lacustres, son aquellos depositados por los lagos; donde stos actan

como depsitos de sedimentacin en los que deposita la mayor parte de los materiales

que llevan en suspensin las corrientes que los alimentan.

En la zona en que la corriente entra al lago se depositan partculas de mayor

tamao en suspensin como las arenas (grano uniforme) conformando los deltas. Las

partculas en suspensin mas finas pasan a las aguas mas profundas, depositndose en

estratos horizontales de poco espesor alternndose con partculas mas gruesas que

pueden ser llevados mas all del delta en periodo de arrastre.

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Estos depsitos pueden presentar alta a muy alta compresibilidad debido a su

alto contenido de materia orgnica coloidal, pudiendo estar compuestos totalmente

por material orgnico.

Depsitos marinos, estos tienen su origen en la accin erosiva del mar sobre el

terreno.

Los depsitos a poca distancia de la costa tienen condiciones semejantes a los

lacustres, la disposicin ocurre en aguas tranquilas. Estos depsitos consisten en

estratos horizontales de materiales finos: limos y arcilla. Pueden presentarse

acumulaciones de arena calcrea.

Los depsitos de costa son muy variados debido a la mezcla y transporte que

producen en forma encontrada las corrientes de la costa y las olas. Los materiales

llevados al mar por los ros y sacados del mar por las olas, son arrastrados a lo largo

de la costa, depositndose en forma de bancos, se mueven continuamente a lo largo

de las costas como un cordn litoral. Las arenas y gravas marinas y los estratos

cementados son un excelente apoyo para fundaciones.

Depsitos elicos, son los formados por la accin del viento que al arrastrar

partculas de tamao variable puede hacer que las partculas se depositen en lugares

muy distantes de su sitio de origen. Los suelos aerotransportados comprenden dos

tipos de depsitos:

Los Loess que son depsitos constituidos por una mezcla uniforme de arena fina

cuarzosa con ciertos contenidos de feldespatos y limos, estructurados en formaabierta.

Los mdanos que son aglomeraciones de arena suelta que ha sido arrastrada por el

viento a poca altura y que se acumulan al chocar con algn obstculo natural en la

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superficie del terreno. Estn formados por arena cuarzosa uniformes con algo de

mica.

Los depsitos elicos son caractersticos de regiones ridas con nivel de agua

libre a gran profundidad. La compresibilidad de estos depsitos es de media a alta,

con baja densidad relativa.

Los depsitos elicos tienen la particularidad de cambiar las propiedades

mecnicas bajo saturacin debido a cambios de nivel de agua libre o condiciones de

flujo de agua. Por tanto, cuando sus condiciones de humedad natural son cambiadas,

sufren compactacin sbita, denominada hidroconsolidacin. Razn por la que se les

conoce igualmente como suelos colapsibles.

Depsitos pie de monte, son aquellos que se acumulan al pie de los taludes de las

montaas debido a avalanchas, deslizamientos o inestabilidad de los materiales

superficiales de los taludes. Estos depsitos contienen materiales de toda clase y

tamao de grano que va desde grandes fragmentos hasta fina materia orgnica. Dada

la caracterstica heterognea de estos depsitos, la compresin y la resistencia alesfuerzo cortante son muy variables.

Depsitos orgnicos, son depsitos de materiales orgnicos, los depsitos de turba o

material orgnico que no se ha descompuesto totalmente, debido a su alto contenido

de agua. Los depsitos orgnicos en ocasiones se encuentran estratificados con otros

elementos tales como limos o arenas o entremezclados con arcilla. Estos materiales

son muy problemticos para la ejecucin de excavaciones por su muy baja resistencia

al cortante. Es comn, que los materiales orgnicos fluyan al realizar excavaciones ose licuen en los eventos ssmicos.

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Minerales Constitutivo de los suelos gruesos

Un mineral es una sustancia inorgnica y natural, que tiene una estructura

interna caracterstica determinada por un cierto arreglo especfico de sus tomos e

iones. Su composicin qumica y sus propiedades fsicas o son fijas o varan dentro

de limites definidos. Sus propiedades fsicas ms interesantes, desde el punto de vista

de identificacin son: el color, el lustre, la tonalidad de sus raspaduras, la forma de

cristalizacin, la dureza, la forma de su fractura y disposicin de sus planos cruceros,

la tenacidad, la capacidad para permitir el de ondas y radiaciones (o luz) y la densidad

relativa.

La estructura atmico-molecular del mineral es el factor ms importante para

condicionar sus propiedades fsicas.

En los suelos gruesos el comportamiento mecnico e hidrulico esta

principalmente condicionado por su compacidad y por la orientacin de sus

partculas, por lo que la constitucin mineralgica es hasta cierto punto, secundaria.

Suelos formados por partculas gruesas

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Minerales constitutivos de las arcillas

Los minerales de arcilla se producen de manera primordial por el

intemperismo sobre feldespatos y micas. Estos minerales arcillosos estn constituidos

bsicamente por silicatos de aluminio hidratados y en algunas ocasiones silicatos de

magnesio, hierro u otros metales tambin hidratados.

Estos minerales tienen, casi siempre, una estructura cristalina definida, cuyos

tomos se disponen en lminas, como lo son: la silcica y la alumnica.

La primera esta formada por tomo de silicio rodeada de cuatro de oxigeno,

disponindose el conjunto en forma de tetraedro (tal como se muestra en la figura II-

5.1) estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un tomo de

oxigeno de nexo entre cada dos (02) tetraedros.

Figura II-5.1. Esquema de la estructura de la tetradrica.

Whitlow, 1994

Capa tetradrica

Esta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla

considerndola como un conjunto de tomos dispuestos en planos paralelos, que podemos

suponer horizontales (Figura II-5.2.). En estos planos los tomos tendrn siempre simetra

hexagonal, o ms precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia

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arriba): (Edafologa, 2001)

Plano 1. Plano basal de los

tetraedros. Est formado por un

conjunto de tomos de O.

En la red hexagonal (seguiremos

llamndola hexagonal, parasimplificar, aunque ya sabemos que

en realidad es ditrigonal) aparecern

huecos (posiciones no ocupadas por

O) por exceso de cargas negativas

(gobernadas por los cationes que se

siten en el plano inmediatamente

superior).

Plano 2. Plano de los cationes de

Si del centro de los tetraedros. Se

colocan en el hueco que dejan cada

tres O. Se disponen formando

tambin una malla de anillos

hexagonales.

Figura II-5.2. Capas tetradricas (Plano 1)

Figura II-5.3. Capas tetradricas (Plano 2)

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Plano 3. Plano de O y de OH

compartidos por tetraedros y

octaedros. Los O se sitan justo

encima de los Si, del plano 2,

terminando de ocupar el hueco que

dejan los O del plano basal (plano 1).

Estos tres planos forman la capa

tetradrica. Los O del plano 3 ocupan

el vrtice superior de los tetraedros y

se unen a un Mg y/o Al octadrico

formando parte del plano inferior de

los octaedros. Algunos de los vrtices

de este plano basal de los octaedros

no tienen debajo ningn Si tetradrico

por lo que para compensar su carga se

une a un H formando un grupo OH.

Por tanto los iones que componeneste plano se comparten entre los

tetraedros y los octaedros (es a su vez

el plano superior de los tetraedros y el

inferior de los octaedros). Los O de

este plano quedan coordinados por

abajo al Si de la capa tetradrica y por

arriba al Mg/Al de la capa octadrica.

En este plano se encuentran ocupados

todos los nudos de la red hexagonal.

Figura II-5.4. Capas tetradricas y octadricas(Plano 3)

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Figura II-5.5. Unidades Hexagonales.

Los tetraedros de este plano 3 son

elctricamente neutros.

Efectivamente, en el interior el Si

aporta 4 cargas positivas y los

oxgenos, al compartirse con otros

tetraedros (plano basal) y octaedros

(plano superior), aportan slo una de

sus dos cargas, con lo que tendremos

en los vrtices 4 cargas negativas.

Las unidades hexagonales repitindose indefinidamente, constituyen una

retcula laminar.

Las laminas aluminicas,estn formadas por retculas de octaedros, dispuestas

con un tomo de aluminio o magnesio al centro y seis de oxidrilo alrededor (tal como

muestra la figura II-6) ahora es el oxidrilo el nexo entre cada dos octaedros vecinos,

para constituir la retcula. (Ver figura II-10)

Figura II-6. Esquema de la estructura de la Unidad Octadrica

Fuente: Whitlow, 1994

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Capas octadricas

Plano 4. Plano central de losoctaedros (que en estas estructuras seconsideran apoyados sobre una de suscaras, con su eje principal, ejecuaternario, inclinado). Estconstituido por los Mg o Al que sesitan en los huecos que dejan cadatres O y/o OH del plano 3. Si se tratade Mg se ocupan todas las posiciones,pero si el catin octadrico es el Al,por su mayor carga (+++ frente a las

++ del Mg) quedan posiciones vacasen la red. Se ocupan, concretamentedos de cada tres posibles y a esa capase le llama dioctadrica. A la capamagnsica se le llama trioctadrica, alocuparse tres nudos de cada tresposibles. Al igual que en el resto de losplanos de estas estructuras los Mg y Alse distribuyen en redes hexagonales.

Plano 5. Plano superior de losoctaedros. Constituido por O y OHformando la cara superior de losoctaedros. Plano compacto, con todoslos nudos de la red hexagonalocupados.

Como ocurra con las capastetradricas, las octadricas tambinson elctricamente neutras. De las dos

cargas de los oxgenos de los vrticesslo una se comparte con el catinoctadrico (Mg o Al), la otra carga secomparte con el silicio tetradrico de lacapa inferior y si no se une a estecatin en ese vrtice en vez de haberun oxgeno hay un grupo OH (por

Figura II-6.1. Capas octadricas (Plano 4)

Figura II-6.2. Capas octadricas (Plano 5)

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Fuente: Edafologa, 2001

tanto con slo una carga negativa). Siel catin octadrico es el Mg (++) los

vrtices del octaedro debenproporcionar un total de dos cargasnegativas y para ello cada vrtice secomparte entre tres Mg (pertenece atres octaedros), de esta manera cadavrtice aporta un tercio de carga ycomo hay seis vrtices tendremos untotal de dos cargas negativas poroctaedro. En el caso del Al (+++) senecesitan tres cargas negativas en eloctaedro y para ello ahora los vrtices

se comparten entre slo dos octaedros(cada vrtice aporta 1/2 de carga ycomo hay seis, pues 6 x 1/2 = 3).

Capas tetradricas frente a las octadricas

La disposicin de los iones entetraedros y octaedros parece algocomplicado, pero en la realidad es el

simple resultado de unempaquetamiento de esferas iguales entres planos ocupando el mnimoespacio.

La distribucin de tomos en redeshexagonales es simplemente elresultado del empaquetamiento detomos iguales para ocupar el mnimoespacio. Por tanto para obtener unplano de simetra hexagonal basta conintroducir bolas iguales en unrecipiente plano y apretarlas (almoverlas ellas mismas se acoplandando una simetra hexagonal).

Figura II-7. Capas tetradrica frente a lasoctadricas.

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Para construir este apilamiento separte de una esfera y se va repitiendo

formando una hilera. Luego se acoplanhileras paralelas y equidistantes demanera que se ajusten entre los huecos(desplazadas media esfera). De estemodo se forma un plano de simetrahexagonal.

Apilando planos de esferas de simetrahexagonal se origina la estructura. Alplano basal (con huecos, formandoanillos hexagonales) se le acopla otro

plano compacto (con todos los nudosde red ocupados). Ambos planos seencuentran ligeramente desplazados ygirados 60 grados, para que los tomosse acoplen en los huecos. Estos planosestn constituidos por aniones de O yOH y se unen por los cationescoordinantes que se sitan en un planointermedio y segn donde se coloquenaparece la coordinacin tetradrica o laoctadrica.

En la Naturaleza es frecuente que losdos primeros planos de aniones O y/oOH queden unidos por un catintetradrico, como es el caso del Si, yencima se site otro plano de OH conun plano intermedio de cationesoctadricos (de Mg o de Al) que losune.

De lo anteriormente se deduce que losfilosilicatos pueden ser considerados

como un empaquetamiento de iones Oque engloban a diversos cationes (Si,Al, Mg y H), concepto que puede seraplicado a la Tierra en su conjunto.

En resumen, a estructura se origina porun apilamiento de planos paralelos con

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Fuente: Edafologa, 2001

simetras hexagonales, alternando losplanos de aniones (O y OH) y los de

cationes (Si, Al y Mg).

Minerales de Arcillas

Dependiendo de la distribucin de apilacin de las lminas, as como del tipo

de iones que proveen la unin de las mismas, se pueden identificar cuatro grupos de

minerales de arcillas que son: caolinita, ilita, montmorilonita y vermiculita.

Grupo de caolinitas, (Al2O3. 2SiO2. 2 H2O) estn formadas por una lamina silcica y

otra alumnica, que se superponen indefinidamente, la unin entre todas las retculases lo suficientemente firme para no permitir la penetracin de molculas de agua

entre ellas (adsorcin). En consecuencia, las arcillas caolinitas sern relativamente

estables en presencia de agua.

Grupo de montmorilonitas, [(OH) 4.Si8Al4 O20. n H2O] estn formadas por una

lamina alumnica entre dos silcicas, superponindose indefinidamente. En este caso

la unin entre las retculas del mineral es dbil, por lo que las molculas de agua

pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad, a causa de las fuerzas

elctricas generadas por su naturaleza dipolar. Lo anterior produce un incremento en

el volumen de los cristales, lo que traduce, macrofisicamente, en una expansin. Las

arcillas montmorilonticas, especialmente en presencia de agua, presentarn fuerte

tendencia a la inestabilidad.

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Grupo de ilitas, [(OH)4.Ky(Si8-y.Aly) (Al4.Fe4.Mg4.Mg6)O20, con y, por lo

genera, igual a 1.5] estn estructuradas anlogamente que las montmorilonitas, pero

su constitucin interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen

el rea expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su expansividad es menor

que las de las montmorilonitas y, en general, las arcillas ilticas, se comportan

mecnicamente es forma mas favorable para el ingeniero.

Grupo de Vermiculita, este grupo contiene productos del intemperismo de la biotita y

la clorita. La estructura de la vermiculitica es similar a la montmorilonita, excepto

que los cationes que proporcionan los enlaces entre las lminas sonpredominantemente de Mg, acompaados por algunas molculas de agua. Por tanto,

tienen propiedades de contraccin/expansin similares a los de la montmorilonita

pero en menor magnitud.

De las propiedades de las arcillas, la capacidad de intercambio catinico

generalmente, controla su comportamiento frente al agua y su inestabilidad (ver

figura II-8). A mayor capacidad de intercambio catinico la arcilla es ms inestable.

De las motmorillonitas, la motmorillonita sdica o Bentonita es muy conocida

en el mbito de la ingeniera, la cual posee la capacidad de absorber grandes

cantidades de agua. El tipo de mineral de arcilla presente y el porcentaje, en

proporcin con el total de minerales afecta en forma considerable el comportamiento

del suelo. Una forma de poder analizar este comportamiento son los Lmites de

Atterberg o Lmites de Plasticidad (Tabla II-2). En general, las otras propiedades de

las arcillas, como son sus caractersticas de expansin y contraccin siguen un mismo

patrn ante las propiedades de plasticidad, entre ms plstico el material mayor su

potencial de expansin y menor su resistencia al cortante.

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Propiedades importantes de los minerales de arcilla

Desde el punto de vista de la ingeniera, la caracterstica ms importante de

cualquier mineral arcilloso natural es su forma laminar tpica. Varias propiedades

ingenieriles importantes son directamente atribuidas a este factor, combinados con

otros, tales como lo pequeo de sus partculas y su carga elctrica negativa

superficial. Las principales propiedades que deben considerarse en el contexto de

ingeniera son: rea superficial, carga superficial y adsorcin, capacidad de

intercambio bsico, floculacin y dispersin, expansin y contraccin, plasticidad y

cohesin.

rea superficial. Cuanto mas pequea y mas laminar sea una partcula, mayor ser su

rea superficial, la relacin del rea superficial por gramo de masa recibe el nombre

de superficie especifica (Se) del suelo. Considrese un cubo slido de d mm de

lado y un peso especifico relativo Gs.

rea superficial = 6d2mm

2Masa = d3Gs x 10-3g (II.01)

Entonces, superficie especifica, Ss g/mmGs)*(d

)(6x10S 2

-3

s= (II.02)

Carga superficial y adsorcin. Los iones que forman la superficie laminar de los

minerales de arcilla son O2- u (OH) - , por lo que dichas superficies presentan una

carga elctrica negativa. Puesto que las molculas de agua son dipolares , esto es,

tienen un extremo negativo y otro positivo, se forma una capa de agua que queda

unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrogeno (H3O)+. En lazona inmediatamente adyacente a la superficie, las molculas de agua son retenidas

en una capa fuertemente enlazada, pero al aumentar la distancia, los enlaces se

debilitan y el agua resulta ms fluida.

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Capacidad de intercambio bsico. La carga superficial negativa total exhibida por

todos los minerales de arcilla se puede neutralizar de varias maneras: parte por los

cationes internos, parte por los enlaces de hidrogeno en la capa acuosa adsorbida y

parte debida a los cationes en la capa adsorbida. El remanente de la carga superficial

negativa que no se neutraliza internamente recibe el nombre de capacidad de

intercambio del mineral, y sus unidades se hacen miliequivalentes por 100 g (me/100

g). En la figura II-8, se muestran algunos valores aproximados.

Se estima que el espesor de la capa acuosa adsorbida es del orden de 50 nm.

Con esta informacin es posible calcular el contenido aproximado de humedadadsorbida (wAD) en la siguiente forma.

swsAD StSw *05.0** == (II.03)

donde:

t = espesor de la capa = 50 x 10-9m

w= densidad del agua = 1x106g/m 3

Los valores de la tabla II-1 muestran la gran diversidad de contenidos de agua

adsorbida. Adems, ciertos minerales como la haloisita y la vermiculita inmovilizan

al agua entre las lminas apiladas, y debido a ello, pueden retener densidades bajas

con altos contenidos de humedad.

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Figura II-8 Estructura y tamaos de los principales minerales de arcilla


Tabla II-1. Contenidos de agua adsorbida

40800Montmorilonita

480Ilita

120Caolinita

1x10-3

0.02Arena de cuarzo (0.1 mm)

Contenido aproximado

de agua adsorbida (%)

Superficie especifica

Ss(m2/g)Mineral

Fuente: Whitlow, 1994

Floculacin y dispersin. Las interacciones que se desarrollan entre dos partculas

prximas entre s en su solucin acuosa, sern afectadas por dos tipos de fuerzas:

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a) Atraccin entre partculas debida a las fuerzas de enlaces secundarios o de

Van der Waals.

b) Fuerzas de repulsin debidas a la naturaleza de cargas negativas de la

superficie de la partcula y de la capa adsorbida.

Las fuerzas de atraccin de Van der Waals se incrementan si las partculas se

acerca, por ejemplo, esto sucede cuando el espesor de la capa adsorbida disminuye

por el proceso de intercambio bsico. En los suelos cuya capa adsorbida es gruesa, la

repulsin ser de mayor magnitud y las partculas permanecern libres y dispersas.

Cuando la capa adsorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzasde atraccin, se forman grupos de partculas, en los que se presentan contactos de

superficies con aristas (positivo-negativo); en una suspensin, estos grupos se

sedimentan en conjunto. A este proceso se le llama floculados (Figura II-9.a). En las

arcillas marinas que contienen altas concentraciones de cationes, las capas adsorbidas

son delgadas, por lo que resultan estructuras floculadas, en tanto que las arcillas

lacustres (agua dulce) tienden a presentar estructuras dispersas (Figura II-9.b)

Figura II-9. Estructuras de las partculas de arcillas

(a) Floculadas, y (b) dispersas


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Expansin y contraccin. Las fuerzas entre partculas y de las capas adsorbidas

pueden alcanzar equilibrio en condiciones de presin y temperaturas ambientales

constantes, debido al movimiento de las molculas de agua que salen o entran de la

capa adsorbida. Al contenido de humedad del suelo correspondiente a este estado se

le llama contenido de humedad de equilibrio (emc). Cualquier alteracin de las

condiciones ambientales producir cambios en el contenido de humedad. Si el agua es

integrada a la estructura laminar y el aumento de volumen est confinado, se

desarrollar una presin de expansin. Cuando la capa adsorbida se comprime, se

produce una contraccin y lo mismo sucede cuando un efecto de succin reduce el

contenido de humedad (por ejemplo, por medio de una evaporacin climtica).

La capacidad de expansin de los suelos de montmorilonita es muy elevada. Los que

contienen una proporcin sustancial de Ilita, en especial los de origen marino, tienen

caractersticas de expansin bastante altas; los suelos de menor capacidad de

expansin son os caoliniticos. En las masas de suelo, la contraccin debida al secado

se manifiesta como una serie de cuarteaduras poligonales que se prolongan hacia

debajo de superficie.

Plasticidad y cohesin.La propiedad mas caracterstica de los suelos de arcilla es su

plasticidad, esto, es, su capacidad para adquirir y retener una nueva forma cuando se

moldean. Nuevamente, son el tamao y la forma de las partculas, en combinacin

con la naturaleza de la capa adsorbida, las que controlan esta propiedad. Los suelos

con superficies especficas altos, como los de la montmorilonitas, son los ms

plsticos y los ms compresibles.

La consistencia plstica de una mezcla de arcilla/agua, es decir, de un suelo

arcilloso, depende en alto grado del contenido de humedad, que es la relacin de

masa de agua a masa slida. Con contenidos de humedad bajos, el agua presente es

predominantemente la que se sita en las capas adsorbidas, por lo que las partculas

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de arcilla desarrollan considerables fuerzas de atraccin mutua. El efecto enlazante de

esta succin produce un cierto tipo de tensin interna que se llama cohesin. A

medida que se incrementa el contenido de humedad, el efecto de atraccin

interparticular se reduce y la cohesin disminuye. Cuando el agua presente es

suficiente como para permitir que las partculas resbalen unas sobre otras sin producir

grietas de tensin interna (esto es, sin desmoronarse), se dice que el suelo alcanza su

lmite plstico. Cuando el contenido de humedad se eleva hasta un punto tal que las

fuerzas interpartculas/agua estn en equilibrio, la mezcla se comporta como un

lquido y se dice que est en su lmite lquido.

Tabla II-2.

Fundamentos de Mecánica de Suelos

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