MECANICA DE SUELOS.

UNIDAD I

GENERALIDADES.

1.1. FORMACIÓN DE LOS SUELOS. DEFINICIONES

Suelos

Es una capa de la corteza terrestre, formada por elementos de origen mineral y orgánico. Esto se debe a la alteración (o meteorización) de las rocas de la litosfera (denominada roca madre) y al aporte de los restos de materia orgánica de las plantas y de los animales.

La naturaleza del suelo es dinámica, esto significa que no siempre es igual. Es decir, que su origen se debe al ataque erosivo de las rocas, pero su nacimiento propiamente dicho se produce cuando los restos orgánicos se incorporan a los restos minerales. Comenzando, entonces, a formarse un suelo joven que luego evoluciona hasta contar con varios estratos superpuestos en horizontes.

LA FORMACIÓN DE UN SUELO DEPENDE DE FACTORES TAN DIVERSOS COMO SON:

La roca madre: Es la roca que genera el suelo. Cuanto más dura sea esta roca, más tardará en meteorizarse y transformarse en suelo.

El clima: En climas húmedos las rocas se meteorizan antes debido a la acción del agua. Esto permitirá que se forme mejor que en un clima seco.

El relieve: Cuando el relieve es suave los productos de la meteorización quedan donde se encontraba la roca madre, generando un suelo. Si el relieve es abrupto los fragmentos de roca meteorizada son arrastrados rápidamente hacia otros lugares. Por eso en estas zonas es más difícil que se forme un suelo con todos los horizontes, es decir, un suelo evolucionado.

Los suelos son heterogéneos. Aparecen horizontes que se diferencian por el color, la textura, la estructura, etc.

La ordenación vertical de los horizontes de un suelo se denomina perfil del suelo, comenzando desde la superficie has llegar a la roca madre, más profunda.

En un suelo maduro, es decir, bien formado, se pueden observar cuatro horizontes:

Proceso de formación de los suelos:

1-Roca madre

2-Acción mecánica (cambios de temperatura, hielo, etc.)

3-Acción química del agua y de sus sales minerales

4-Acción de los seres vivos

5-Acción conjunta de todos las materias orgánicas e inorgánicas.

MECÁNICA DE SUELOS

La mecánica de suelos es una parte del área de la ingeniería que esta dedicada a estudiar las fuerzas o cargas que son establecidas en la superficie terrestre.

Es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería relacionados a la consolidación de partículas subatómicas y de los sedimentos.

La ingeniería civil se desarrolla en este ámbito, donde las construcciones y el comportamiento de las mismas estarán determinadas por el material aplicado y sobre todo por el suelo que es utilizado en el relleno.

Antes de realizar cualquier tipo de construcción se realizar un estudio característico del suelo, con el objetivo de conocer las propiedades del mismo y como se puede aprovechar para el uso que deseamos realizar. Si la capacidad del suelo se ve minimizada en relación a la aplicación de fuerzas, es probable que el mismo se deforme y que tenga como consecuencia que se generen algunos acontecimientos secundarios no determinados durante la fase del diseño del proyecto. Estas deformaciones secundarias pueden traer como consecuencia la proliferación de grietas, fisuras, y en los casos verdaderamente extremos, hasta el colapso de toda la obra.

INGENIERÍA DE SUELOS La Ingeniería de Suelos, es una corriente de la Ingeniería Geotécnica, que trata

exclusivamente de la comprensión de las características y la mecánica de suelos. La Ingeniería de Suelos ayuda a analizar la estructura y composición del suelo de la obra propuesta, también se ocupa de proporcionar conceptos optimizados de diseño y técnicas de construcción de acuerdo con la composición y las propiedades físicas del suelo.

Analiza la densidad y el contenido de humedad en el suelo. Sin embargo, las cualidades de los suelos tales como la composición, características, propiedades físicas, contenido de humedad y el drenaje también se analizan. La capacidad portante del suelo se comprueba, para asegurarse si el edificio va a permanecer horizontal o a inclinarse con el tiempo. Este análisis se hace generalmente mediante la toma de muestras del suelo y envío al laboratorio para la realización de diversas pruebas.

GEOTECNIA La Geotecnia es la rama de la Ingeniería que se ocupa del estudio de la interacción de

las construcciones con el terreno. Se trata por tanto de una disciplina no sólo de la Ingeniería Civil, sino también de otras actividades, como la Arquitectura y la Ingeniería Minera, que guardan relación directa con el terreno.

Los problemas geotécnicos básicos son:

El terreno como cimiento: todas las obras deben apoyarse en el terreno; debe por tanto definirse la forma de este apoyo, y la transmisión de cargas de la estructura al terreno, para lo que debe estudiarse la deformabilidad y resistencia de éste.

El terreno como productor de cargas: en ocasiones, para crear un desnivel, o con otro motivo, se construyen estructuras cuyo fin es contener el terreno; para su dimensionamiento, debe calcularse la magnitud y distribución de los empujes ejercidos por el terreno.

El terreno como propia estructura: otras veces, para crear un desnivel no se construye una estructura de contención, sino que se deja al propio terreno en talud; debe en este caso estudiarse la inclinación que debe darse a este talud para garantizar su estabilidad.

El terreno como material: en obras de tierra (rellenos, terraplenes, presas de materiales sueltos), el terreno es el material de construcción, por lo que deben conocerse sus propiedades, y la influencia que en ellas tiene el método de colocación (compactación).

1.2 IMPORTANCIA DE LA MECÁNICA DE SUELOS EN LA INGENIERÍA CIVIL

DEFINICIÓN

Es la aplicación de conocimientos físicos y químicos que sirven para estudiar y obtener datos confiables sobre las condiciones del suelo para la realización de obras civiles.

Estudiar el comportamiento del suelo para usar como material de construcción

IMPORTANCIA

Tiene gran importancia

porque todas las obras

civiles se construyen

sobre un suelo. Si no se

toma en cuenta puede

haber deformaciones,

fisuras, grietas o hasta el

colapso de la obra Te

define los materiales y

procedimientos que vas a

utilizar para la obra el tipo

de suelo encontrado

El ingeniero civil en el transcurso de su formación y desarrollo profesional se enfrenta a una gran variedad de dificultades, en los que el conocimiento del estudio de suelos es necesario. Indudablemente se aprenderá más en el campo y en la práctica, que la que puede enseñarse en las aulas o en el laboratorio de la escuela.

Pero este aprendizaje será más fácil y más rápido y su aplicación más eficaz, si en sus cursos de ingeniería se incluyen los principios básico de la geología. Algunas ventajas específicas que se desarrollan con más pausa a través del trabajo, son:

• Conocimiento sistematizados de los materiales.

• Los problemas de cimentación son esencialmente geológico. Los

edificios, puentes, presas, y otras construcciones, se establecen sobre

algún material natural.

• El conocimiento de la existencia de aguas subterráneas, y los elementos

de la hidrología subterránea, son excelentes auxiliares en muchas ramas

de la ingeniería práctica.

• La capacidad para leer e interpretar informes geológicos, mapas, planos

geológicos y topográficos y fotografía, es de gran utilidad para la

planeación de muchas obras.

USOS

Se tiene que tomar en cuenta para puentes, carreteras, edificaciones, obras hidráulicas, vías férreas, túneles, canales, puertos y todo tipo de obra civil.Define el tipo de cimentación que vas a utilizarLos problemas pueden ser por fuerzas exteriores si no se tiene un suelo confiable como por agua y fenómenos naturales.

MECÁNICA DE SUELOS EN OBRA HIDRÁULICAS

Los estudios de suelos se utilizan de diversas formas en obras hidráulicas entre las cuales podemos mencionar las siguientes: Pozos de punta captación, Centrales hidroeléctricas subterráneas, Cimentación de presas, Obras de control fluvial.

MECÁNICA DE SUELOS EN OBRAS VIALES

Los estudios de suelos en obra viales juegan un papel muy importante pues la mayoría de las carreteras, túneles, y demás obras viales utilizan los resultados para diseñar los proyectos en dichas obras:Perforación de Lumbreras, Cimentación de Puentes, Campos de Aviación, Carreteras

MECÁNICA DE SUELOS EN EDIFICACIONES Los estudios de suelos en edificaciones constituyen las

cimentaciones (zapatas, plateas, etc.) en la cual se apoyan todas las edificaciones existentes en la actualidad, pues, se debe realizar siempre un estudio del suelo sobre la cual nosotros los ingenieros civiles debemos construir.En caso que no se realizaran los estudios de suelos debido que la mayoría de las edificaciones con el tiempo pueden tener problemas los cuales son muy difíciles de reparar estando ya la edificación terminada.

1.3 TIPOS DE ESTRUCCTURAS

• Simple

• Panaloide

• Floculenta

• Compuesta

• Castillo de naipes

• Dispersa

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS

SUELOS

ESTRUCTURA SIMPLE

1. La estructura granular o simple es propia de los suelos gruesos como las arenas y gravas, estando regida mayormente por las fuerzas de gravitación, sin que existan fuerzas de adherencia entre las partículas. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas sobre otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo.

Desde el punto de vista ingenieril el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelos de estructura simple queda definido principalmente por dos características : La compacidad del manto y la orientación de sus partículas

Compacidad es el grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo dejando menos o mas vacíos entre ellas.

Las estructuras simples pueden ser sueltas y compactas según sea el grado de acomodo de sus partículas.

Los suelos sueltos tienen mayor capacidad de deformación que los suelos de estructura simple compacta.

La orientación de las partículas produce en los suelos distintas permeabilidades según que el flujo del agua sea normal o paralelo a la dirección de la orientación.

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS SUELOS ESTRUCTURA PANALOIDE

2. La estructura apanalada o panaloide es típica de las partículas de grano pequeño (0.002 mm o algo menores ) que se sedimentan en un medio continuo que normalmente es agua y en ocasiones aire; recuerda los panales de miel .

En estas partículas las fuerzas de gravedad ejercen un efecto que hace que tiendan a sedimentarse , pero como tienen una masa pequeña en su camino antes de llegar al fondo toca a otra partícula ya depositada y se desarrolla entre ellas una fuerza de adherencia que neutraliza el peso haciendo que la partícula quede detenida antes de concluir su camino ; otra partícula se le puede añadir antes de completar su carrera y el conjunto de ellas forma una celda con una cantidad importante de vacíos a modo de un panal.

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS

SUELOS ESTRUCTURA FLOCULENTA 3. La estructura floculenta es observada

en suelos menores de 0.02 mm, donde las partículas al tocarse se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas, en su proceso de sedimentación otras partículas se unen al grupo y forman un grumo, con estructura similar a un panal .

Cuando los grumos llegan al fondo forman a su vez un panal cuyas bóvedas no están formadas por partículas individuales sino por grumos y este mecanismo produce una estructura blanda y suelta con un gran volumen de vacíos llamada estructura floculenta o panaloide de orden superior .Floculos

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS SUELOS

ESTRUCTURA CASTILLO DE NAIPES 4. Castillo de naipes. Esta estructura es

típica de suelos finos ( arcillas) . Las partículas finas que constituyen los suelos tienen forma laminar, donde la longitud y su ancho son de la misma magnitud pero su espesor es mucho menor ; además la partícula tiene carga negativa en un extremo y positiva en el otro lo que ocasiona que se atraiga o repele con otras partículas vecinas.

Tomando en cuenta lo anterior las partículas de arcilla al sedimentarse por la acción eléctrica entre ellas se disponen en una forma denominada castillo de naipes.

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS SUELOS ESTRUCTURA DISPERSA

5. Estructura Dispersa. Estructura de suelos finos como las arcillas , que algunos veces al sedimentarse tienden a formar una estructura de castillo de naipes, pero que tienen puntos de contacto mutuos y no llegan a formar los castillos porque se deforman y sus ángulos entre laminillas cambian .

En los puntos de contacto existen presiones llamadas osmóticas generadas por las deformaciones que son inversamente proporcionales a su espaciamiento.

Las presiones osmóticas hacen que las partículas se separen y adopten una posición como la de la figura.

CARACTERISTICAS Y ESTRUCCTURACION DE LOS SUELOS ESTRUCTURA COMPUESTA

6. Estructura compuesta. En la naturaleza las estructuras anteriores se encuentran rara vez en forma pura, pues al sedimentarse las partículas estas pueden ser de varios tamaños y tipos , para las que las leyes de la naturaleza rigen de modo diferente.

Este tipo de estructuración es el mas común y se define como un esqueleto mineral constituido por granos gruesos y por masas pequeñas llamadas coloides (0.0002 mm) de floculos que se unen entre ellos.

En este tipo de estructura las partículas gruesas y finas se sedimentan de manera simultanea y puede ser en agua de mar o lagos con contenido de sales apreciable , donde el efecto floculante de las sales coexiste con el arrastre de los vientos , corrientes de agua , etc.

MINERALES DE LOS SUELOS

Los minerales que poseen los suelos son:

sustancias inorgánicas y naturales que tienen una estructura interna que se caracteriza por cierto arreglo de átomos o iones.

La composición química y sus propiedades físicas pueden ser fijas o variar dentro de ciertos limites.

Las propiedades físicas son : color , lustre, la tonalidad de sus raspaduras , la forma de su cristalización, la dureza, la tenacidad, densidad, etc.

La estructura atómico molecular del mineral es el factor mas importante para condicionar sus propiedades físicas.

MINERALES QUE CONSTITUYEN LOS SUELOS

Suelos Gruesos.

Silicatos

Feldespatos de potasio, sodio calcio, micas, olivinos, serpentina. Óxidos

Cuarzo, limonita, magnetita Carbonatos

Calcita, dolomita, sulfatos como la anhidrita y el yeso

Suelos Finos

Los suelos finos tienen minerales (silicatos) que se encuentran en las rocas ígneas y metamórficas.

Silicatos de aluminio

Silicatos de Magnesio

Estructura cristalina cuyos átomos se disponen en laminas

Las laminas pueden ser de silicio o de aluminio.

ESTRUCCTURAS DE LAS ARCILLAS

LAMINA DE SILICIO LAMINA DE ALUMINIO Lamina de silicio. Un átomo de silicio entre cuatro de oxigeno.( tetraedro).

Lamina de aluminio . Un átomo de aluminio entre seis de 0xigeno.(Octaedros)

CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS

En Base A Su Estabilidad

La arcilla está constituida principalmente por silicatos de aluminio hidratado. Estos suelos cuando están húmedos o mojados resultan pegajosos. Pero cuando está seco es muy fino y suave, además de moldeable. Cabe mencionar que este tipo de suelos presentan una textura fina, con un alto predominio de arcillas (45 % de arcillas, 30% de limo y 25%de arena).

Las arcillas son, probablemente, los materiales geológicos más contradictorios desde el punto de vista de su utilidad en Ingeniería Civil. Son fuente inagotable de problemas de estabilidad en buen número de obras.

Para la mayor parte de actuaciones sobre el terreno, las propiedades que determinan el comportamiento de un suelo pueden determinarse a partir de ensayos estandarizados de laboratorio más o menos laboriosos. La mayor parte de estos ensayos se ocupan de la evaluación de parámetros tales como el contenido de humedad, permeabilidad, porosidad, densidad, forma y tamaño delas partículas (granulometría), estructura, plasticidad, capacidad de hinchamiento, etc.

ARCILLAS ESTABLES (CAOLINITAS)

Es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas y de aprestos para almidonar. También es utilizada en ciertos medicamentos y como agente adsorbente. Conserva su color blanco durante la cocción. Su fórmula es Al2Si2O5(OH)4 ó Al2O32SiO22H2O (disilicato alumínico dihidratado). Es silicato de aluminio hidratado formado por la descomposición de feldespato y otros silicatos de aluminio.

APLICACIONES DE LAS ARCILLAS ESTABLES

ARCILLAS COLAPSABLES (ILLITAS) La illita es un mineral del grupo de los silicatos. La illita

es un filosilicato o silicato laminar. La fórmula química es (K,H3O)(Al, Mg, Fe)2(Si, Al)4O10[(OH)2,(H2O.

El grupo de las ilitas está constituido por diversos minerales parecidos a la mica muscovita. La ilita es, posiblemente, el grupo más abundante en los depósitos arcillosos marinos modernos. Es también la arcilla más abundante en los depósitos sedimentarios antiguos y es el material arcilloso predominante en las lutitas. 

CARACTERÍSTICAS

Medianamente inestables, medianamente inexpansibles, mediana plasticidad, ángulo de fricción interna media

La illita es un producto de la alteración o meteorización de la moscovita y el feldespato en ambiente de meteorización hídrica y térmica. Es común en sedimentos, suelos, rocas arcillosas sedimentarias, y en roca metamórfica.

 ARCILLAS EXPANSIVAS (MOTMORILLONITAS)

 

Una arcilla expansiva es aquella arcilla susceptible de producir grandes cambios de volumen, en directa relación con los cambios en la humedad del suelo.

La mitigación de los efectos de una arcilla expansiva en las estructuras realizadas en las áreas con arcillas expansivas es un desafío en la ingeniería geotécnica.

Las arcillas se expanden con la humedad y se contraen al secarse, formando profundas grietas. Este proceso favorece la mezcla de materiales desde horizontes más profundos, ya que al rellenarse las grietas con material externo, cuando la arcilla vuelve a hidratarse, expulsa parte del material más profundo por la falta de espacio. 

 Una arcilla expansiva es aquella arcilla susceptible de producir grandes cambios de volumen, en directa relación con los cambios en la humedad del suelo. La mitigación de los efectos de una arcilla expansiva en las estructuras realizadas en las áreas con arcillas expansivas es un desafío en la ingeniería geotécnica. Las arcillas se expanden con la humedad y se contraen al secarse, formando profundas grietas.