1. Generalidades - Conceptos Basicos
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MECÁNICA DE SUELOS IMECÁNICA DE SUELOS I
1. ORIGEN Y FORMACIÓN
CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE.
CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE.
Componente Espesor Densidad media Minerales Estado
Núcleo 3400 km Muy alta (9.9 a13.1 gr/cm3) Hierro y níquel Solido y Fluido
Corteza terrestre 30 a 40 km Menor (2.2 a2.9 gr/cm3) Silicatos Rígido (balance
isostático)
Suelo Muy pequeñoMucho menor(menos de 2
gr/cm3)Diversos Variable
1.1. DEFINICIÓN DE SUELOS
A pesar de que todas las estructuras civiles creadas por el hombre alo largo de la historia se apoyan o utilizan materiales provenientesde la superficie o el subsuelo terrestre, el estudio teórico y eldesarrollo práctico relacionado con suelos y rocas recién comenzósistemáticamente a comienzos del Siglo XX.
Terzaghi (1943) define la Mecánica de Suelos como:
“es la aplicación de las leyes de la Mecánica e Hidráulica a los
problemas de Ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones de
partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o descomposición
química de las rocas, independientemente de que tengan o no contenido de
materia orgánica .”
a) Mineral: Un mineral puede ser definido como una
sustancia inorgánica natural que tiene una composición
química en particular, o una variación de su
composición, y una estructura atómica regular que
guarda íntima relación con su forma cristalina. Los
minerales son los principales constituyentes sólidos de
todas las rocas, que dan a las rocas características
físicas, ópticas y químicas como el color, lustre, forma,
dureza y otros; generalmente los minerales dominantes
de los suelos son cuarzo y feldespatos.
1.2 CONCEPTOS BÁSICOS.
b) Suelo: Para propósitos ingenieriles, se define suelocomo un agregado no cementado formado porpartículas minerales y materia orgánica endescomposición (partículas sólidas) con algún líquido(generalmente agua) y gas (normalmente aire) en losespacios vacíos. (Das, 1998).
El suelo es producto de la meteorización de las rocas, esdecir, la desintegración de esta en pedazos de mineralescada vez más pequeños, que en contacto con el medio(agua, aire) se unen formando el suelo; lameteorización y otros procesos geológicos actúan en lasrocas que se encuentran cerca de la superficie terrestretransformándola en materia no consolidada o máscomúnmente llamada suelo.
c) Roca: Se define como un agregado natural sólido concontenido mineral, que tiene propiedades físicas comoquímicas.
Las rocas son materialescementados, usualmentetienen muy bajaporosidad, pueden serencontradas en procesosde descomposición consus propiedades físicas yquímicas alteradas,presentandiscontinuidades y sucomportamiento escomplejo cuando sesometen a esfuerzos.
1.3. CICLO DE LA ROCA.
Es un proceso geológico extremadamente
lento, queda lugar al origen de tres
categorías diferentes de rocas como ser:
Rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.
Son formadas por la solidificación del magma,
expulsado de las profundidades de la tierra.
a. Rocas Ígneas:
Granito
b. Rocas Sedimentarias.
Son formadas por la compactación de minerales sueltos comogravas, arenas, limos y arcillas por medio de sobrecargas quedespués son cementados por agentes como el óxido de hierro,calcita, dolomita, y cuarzo. Los agentes cementantes songeneralmente las aguas que llenan los espacios vacíos entre aspartículas y forman las rocas sedimentarias.
Roca sedimentaria Caliza sedimentaria
c. Rocas Metamórficas:
Son formadas a partir de otras rocas mediante el
proceso metamórfico presión y altas temperaturas sin
fundirse, que generan cambio de composición y
textura a la estructura inicial, a si mismo en esta
etapa se genera la nuevas sustancias.
Roca metamórfica (pizarra)
1.4. AGENTES GENERADORES DE SUELOS
El suelo se forma por meteorización de la roca.
1.4.1 FORMACIÓN DE SUELOS
SuelosTransportados
SuelosResiduales
SuelosArtificiales
Suelos Naturales
Meteorización ensitio de roca original
Meteorización ytransporte (viento,
agua, hielo)Material “suelo”
1.4.1.1 Horizontes – Capas – Estratos
En la medida que los procesos hipergénicos actúan, las
diferentes capas de clastos (detritos o sedimentos) se
van haciendo más espesas y diferenciadas.
1.4.1.2 Perfil de Suelo
Es la sección vertical de un terreno, constituido por una
secuencia de horizontes o capas separables por sus
características morfológicas, físicas, químicas y
mineralógicas.
El agua, al jugar un papel fundamental en el
comportamiento mecánico del suelo, debe considerarse
parte del mismo (Juárez, 2005).
a. Suelos colapsables
b. Suelos expansivos
c. Suelos licuables
1.4.1.3 El agua
a. Suelos colapsables
Son suelos en los que se tiene lugar a un rápido cambio
de la relación y las deformaciones sin que se alcance la
resistencia ultima del material.
A este grupo pertenecen los limos o arcillas cementadas,
loes, arcillas que contienen sulfato y las rocas de gran
porosidad.
Características comunes de suelos colapsables.
• Estructura macroscópica con índice de huecos (e),
entre relativamente alto a muy alto.
• Granulometría predominantemente fina, con
fracciones de limos y arcillas.
• Estructura mal acomodada, con partículas de mayor
tamaño separadas por espacios abiertos y unidas entre
si por acumulaciones o puentes de material
predominantemente arcilloso, con características de
cristales de sales insertados en tales puentes o uniones
arcillosos.
b. Suelos expansivos
Suelos parcial o totalmente saturados que aumentan su volumencuando aumenta su contenido de humedad, a carga constante
Los suelos expansivos son un tipo de arcillas que tienen la propiedadde incorporar moléculas de agua a su estructura. El cambio decontenido de humedad hace que estos materiales experimentenimportantes cambios de volumen.
Este fenómeno depende principalmente del contenido mineralógicode las arcillas, siendo la motmorillonita el mineral con mayorpotencial expansivo.
Un caso específico del fenómeno de colapso semanifiesta en suelos potencialmente licuables, es decir,susceptibles de sufrir un asiento súbito bajo una cargadinámica (por lo general de tipo sísmico) pormodificación de las presiones intersticiales. Estefenómeno afecta esencialmente a suelos granulares degrano medio a fino (arenas finas), de compacidadmedia a floja y saturadas.
c. Suelos licuables
1.4.2. DESINTEGRACIÓN MECÁNICA
Intemperismo de las rocas por Agentes Físicos (Meteorización
Física).
Roca
Acción delas plantas
TemperaturaCongelaciónde agua en
juntas ygrietas
Acción deanimales y
microorganismos
Deriva en: grava, arena, limo y ocasionalmentearcilla.
a) ACCION DE LAS PLANTAS (bioclasticidad)
Las raíces de las plantas son capaces de atravesar las rocas en
busca de agua.
b) TEMPERATURA
Variaciones de
temperatura
(termoclasticidad):
dilataciones
contracciones
b) Temperatura
Al calentarse las rocas y minerales se producen
diferencias de tensión en su estructura. Los
materiales oscuros absorben más calor que los
claros y están expuestos. Las altas variaciones de
temperatura entre el día y la noche imprimen a
las rocas fuertes contracciones y dilataciones, que
provocan fisuras y, con el tiempo, su
fragmentación.
c) CONGELAMIENTO DE AGUA EN JUNTAS Y GRIETAS
Acción del hielo
(gelifracción)
Agua:
El agua líquida influye en la meteorización mecánica de las rocas,
y aún más cuando se trata de hielo. En pocas horas el hielo puede
abrir fisuras en las rocas y exponerlas a una acción acelerada de
otros agentes. Las rocas de las capas más superficiales de la
corteza terrestre, presentan grietas o fisuras. Cuando el agua de
lluvia o procedente de los deshielos penetra en el interior de estas
grietas y la temperatura desciende por debajo de los 0° grados, se
expande. Si la roca es muy porosa, su disgregación puede llegar a
tener consistencia granular.
Realizan una labor complementaria a la de
otros agentes, excavan y construyen nidos y
madrigueras; producen secreciones y
excreciones de materiales que tienen un
alto poder corrosivo y pueden descomponer
las rocas.
e) Acción de los animales
La intervención de acciones humanas, a menudo
desencadena un potencial proceso de alteración y
erosión a si mismo es capaz de introducir
modificaciones en las combinaciones de procesos
que tienen lugar en la Naturaleza, favoreciendo
precisamente a los más agresivos, con lo que se
convierte en motor de aceleración de la erosión.
f). Erosión antrópica
1.4.4 DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA:
Acción de agentes (AGUA) que atacan las rocas modificando su
constitución mineralógica y química.
Roca
Oxidación
Hidratación
Carbonatación
Deriva en: arcilla.
a) Oxidación
a). Oxidación:
La oxidación es un proceso de meteorizaciónquímica mediante el cual los elementos metálicoso un mineral adicionan a su constituciónmolecular elementos de oxigeno o de ion oxidrilo.(-OH).
En la oxidación existe una reducción simultánea,ya que la sustancia oxidante se reduce aladueñarse de los electrones que pierde la que seoxida. Los sustratos rocosos de tonalidadesrojizas, ocres o parduzcas, tan abundantes, seproducen por la oxidación del hierro contenido enlas rocas.
b) Hidratación
•Asimilación del agua por los minerales de las rocas
modificando su estructura molecular y cambiando sus
propiedades físicas y químicas originales.
•La hidratación ocasiona en los minerales un incremento de su
volumen que en algunos casos puede llegar al 50%. Cuando
estos materiales transformados se secan se produce el efecto
contrario, se genera una contracción y se resquebrajan o se
produce una disminución de su densidad.
b). Hidratación:
c) Carbonatación
Proceso de alteración química que involucra una reacción
entre acido carbónico diluido y un mineral.
Ejemplo. La reacción entre la caliza y el agua
carbonatada (acido carbonico).
El agua carbonatada reacciona con rocas cuyos minerales
predominantes sean calcio, magnesio, sodio o potasio,
dando lugar a los carbonatos y bicarbonatos.
c). Carbonatación:
1.4.4.1 SUELOS RESIDUALES Y TRANSPORTADOS
SUELOS RESIDUALES
Agente deIntemperismo
1.4.5 TIPOS DE SUELOS TRANSPORTADOS
TIPO AGENTE DE TRANSPORTE
Aluvial Agua
Eólico Viento
Glacial Hielo
Coluvial Gravedad
SUELOS TRANSPORTADOS
a) Aluvial
b) Coluvial
Agente: GravedadAgente:
Deslizamiento
c) Eólico
Agente: Viento
d) Glacial
Resumen de suelos residuales y suelos transportados
2. MECÁNICA DE SUELOS
2.1 QUÉ ES LA MECÁNICA DE SUELOS?
La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física
y las ciencias naturales a los problemas que involucran las
cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre.
Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de
1925.
Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de
una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra
como elemento de construcción para terraplenes, diques y
rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su
estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán
determinados, entre otros factores, por el desempeño del
material de asiento situado.
2.2 QUÉ TIPOS DE PROBLEMAS TRATA LA MECÁNICADE SUELOS?
Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del
suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son
considerables, se pueden producir, fisuras, grietas, alabeo
o desplomes que pueden producir, en casos extremos, el
colapso de la obra o su inutilización y abandono.
En consecuencia, las condiciones del suelo como
elemento de sustentación y dispositivo de transición entre
el mismo y la superestructura, deben ser tomadas muy en
consideración.
2.3 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
Como consecuencia de la actividad humana desarrollada através de los años, surge la necesidad de introducir un nuevoconcepto, el suelo artificial o material de construcción. Laprocedencia de los materiales puede ser diversa, diferenciandoentre materiales naturales (arcillas, arenas y gravasheterométricas) y materiales artificiales (escombros deconstrucción, residuos de diversos procesos de fabricacióncomo el cemento, etc).
En el ámbito de la construcción los suelos se distinguenprincipalmente de acuerdo a su capacidad de soporte ocimentación.Los suelos rocosos poseen altas resistencias a acciones osolicitaciones de carga por eso lo convierte en el suelo porexcelencia para cimentación.
2.4 EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
Presas de TierraEstructura de PavimentosLagunas de OxidaciónEstructuras de adobe (Mezcla de suelos)Construcciones de Terraza
2.6 IMPORTANCIA DE UN ESTUDIO DE SUELO
Actualmente es cada vez más concluyente el hecho de que
ningún ingeniero que sienta la responsabilidad técnica y
moral de su profesión, deja de efectuar un estudio de las
condiciones del subsuelo cuando diseñan estructuras de
cierta importancia. Ya que ello conlleva dos características
que se conjugan: seguridad y economía.
No olvidemos: “Quien solo conoce la teoría de la Mecánica de
Suelos y carece de práctica, puede ser un peligro público”, Dr.
Karl V. Terzaghi (Fundador de la Mecánica de Suelos).
2.6 IMPORTANCIA DE UN ESTUDIO DE SUELO
Es por eso que en los proyectos de construcción se
desprende la necesidad de contar, tanto en la etapa de
proyecto, como durante la ejecución de la obra, con datos
firmes, seguros y abundantes respecto al suelo que se está
tratando. El conjunto de estos datos deben llevar al
proyectista a adquirir una concepción razonablemente
exacta de las propiedades físicas del suelo.
2.7 LABORATORIO DE SUELOS
Para llegar en el laboratorio a unos resultados
razonablemente dignos de crédito es preciso cubrir en forma
adecuada una etapa previa e imprescindible: la obtención de
muestras de suelo apropiadas para la realización de las
correspondientes pruebas.
Resultan así estrechamente ligados las dos importantes
actividades, el muestreo de los suelos y la realización de las
pruebas necesarias de laboratorio.
El muestreo debe estar regido ya anticipadamente por los
requerimientos impuestos a las muestras obtenidas por el
programa de pruebas de laboratorio.
2.7.1 EQUIPO DE LABORATORIO DE SUELOS
Es imprescindible contar con equipo necesarios y
básico y bien calibrados en laboratorio de suelos
para conocer con la mejor veracidad la propiedades
físicas y mecanizas de los materiales.
GRACIAS