Estudios de Suelos

Definicin, formacin.- El trmino suelo se usa en ms de un sentido. Para el ingeniero es sinnimo de regolita, o sea, el agregado suelto de todos los materiales que se encuentran por encima de la roca. Las rocas que estn en la superficie de la tierra, o cerca de ella estn expuestas a desintegracin y descomposicin. Los productos disgregados se acumulan formando "suelos". El proceso de la destruccin de las rocas y las propiedades de los materiales resultantes, merecen ser estudiados cuidadosamente por los ingenieros civiles pues muchos problemas de ingeniera se presentan precisamente en estos materiales. Estos materiales no consolidados o semiconsolidados constituyen lo que se ha llamado regolita o cubierta de las rocas. La regolita puede tener varios cientos de metros de espesor o puede faltar por completo. Las partes superiores de la regolita, a las que se han incorporado sustancias orgnicas y que estn ms o menos modificadas biolgicamente constituyen el suelo. Sin embargo, los ingenieros extienden la denominacin de suelo a todo el material de la regolita. Suelo se puede definir como el material no consolidado o semiconsolidado compuesto de la mezcla de partculas de diferentes tamaos, diferentes minerales y compuestos litolgicos, y con diferentes cantidades y clases de materias orgnicas. Los cuales se encuentran sobre la corteza terrestre como ser: quijarros, arenas, limos, arcillas, materiales turbosos, etc. La capa superficial de la tierra rica en material orgnico, se designa con el nombre de capa vegetal. Los suelos derivan de las rocas que por los procesos geolgicos (tectonismo) originan que la roca sea fracturada o plegada luego por los procesos de alteracin originan los suelos. Esta mutacin no alcanza un estado de equilibrio permanente pues continuamente intervienen agentes o factores de formacin que van modificando o cambiando las caractersticas fsicas y qumicas del suelo. La roca madre, que se convierte en suelo puede ser de origen gneo, sedimentario o metamrfico. Los procesos geolgicos como el tectonismo origina que la roca sea fracturada y/o plegada actuando posteriormente los procesos de meteorizacin (alteracin o intemperismo o erosin). Meteorizacin.- Bajo el ttulo general de intemperizacin, existen dos tipos de transformaciones Meteorizacin fsica. Significa desintegracin de una roca en partculas menores sin alteracin qumica. Hay dos tipos principales de esta intemperizacin mecnica. El primero de ellos desintegracin en bloque, resulta de la formacin de grietas, que rompen la masa de roca en gran nmero de bloques o fragmentos individuales. El segundo tipo, llamado desintegracin granular, resulta de una prdida de cohesin entre las partculas individuales de los minerales, que hace que la roca se convierta en una masa granular incoherente. Algunas causas para la intemperizacin o meteorizacin fsica son: Variacin de la temperatura. Los cambios de temperatura determinan modificaciones en el volumen de las masa de roca. Al calentarse la parte exterior de una masa de roca, se dilata y se producen esfuerzos de tensin y cortantes entre las partes externa e interna. Accin de plantas y animales. Accin de las races de los rboles al expandirse provocan presin en el interior de la roca. Expansiones trmicas de los minerales. Congelacin. Cuando los cambios de temperatura son tales que hay hielo y deshielo alternativamente, pueden ser eficaces los efectos desintegradores debidos a la fuerza de dilatacin del agua confinada en la roca. La absorcin de la mayor parte de las rocas gneas es tan lenta, que este proceso suele producir ms frecuentemente una desintegracin en bloque, que una desintegracin granular. Desgaste, impacto y trituracin. Las rocas pueden romperse tambin mecnicamente por diversos procesos, en los que interviene el movimiento, especialmente de una masa de roca sobre otra o contra otra. Exfoliacin esferoidal. Es el proceso de intemperismo mecnico en el que por accin de las fuerzas fsicas internas, se separan de una roca grandes fragmentos curvados a manera de costras, dando lugar a la formacin de colinas abovedadas llamados tambin domos de exfoliacin y otras estructuras menores como peascos redondeados y bloques intemperizados. Mezclado mecnico. Es el que realizan las hormigas, roedores y gusanos sobre todo de la clase platelmintos, removiendo materiales que sacan a la superficie y como su actividad es constante hacen con que las partculas removidas sean ms susceptibles de sufrir intemperismo. Agentes fsicos. Entre estos se pueden citar al agua que corre por la superficie del hielo de un glaciar o por el curso de un ro de montaa, al viento y las olas del ocano, que tambin pueden contribuir a la reduccin del material rocoso a fragmentos cada vez menores. Las condiciones que favorecen a la intemperizacin mecnica son los grandes cambios de temperatura, la aridez y las pendientes fuertes. Los grandes cambios de temperatura se registran en las latitudes ms altas y en las zonas desrticas. Estos procesos dan origen a los suelos de grano grueso generalmente dependiendo del tipo de roca. Actan en climas fros. Meteorizacin qumica. La meteorizacin o intemperizacin qumica, es la alteracin de las rocas a causa de modificaciones mineralgicas o qumicas, inducidas por agentes superficiales. Los ingredientes activos, en lo que se refiere a la intemperizacin de las rocas, son el oxgeno, el anhdrido carbnico, el vapor de agua y los cidos. Estos se disuelven en el agua que cae como precipitacin y pueden llegar al interior de la roca pues siempre penetra una cierta cantidad de agua en la parte superficial de la tierra. Estos son suelos de consistencia fina y disminuyen segn el clima. Se obtiene suelo de grano fino (arcilla, limo). Actan en climas hmedos y calientes produciendo suelos de baja resistencia. Sus agentes son los siguientes: Oxidacin. Implica la adicin de iones de oxigeno, como ocurre en las rocas que contienen Fe , manifestndose como cambios de coloracin y a veces hasta de consistencia. Hidratacin. Significa la adicin de agua a los minerales o absorcin, pero dentro de su propia estructura atmica o molecular. Carbonatacin. Es la disolucin de algunos materiales por medio de aguas con elevado contenido de CO2, (el potasio, el calcio, el sodio y el magnesio, suelen unirse con el anhdrido carbnico y el oxgeno para formar carbonatos). Efectos qumicos de la vegetacin. Los cidos orgnicos que se forman donde hay vegetales en descomposicin tienden a aumentar el poder de disolucin de las aguas que los contienen. Como resultado de estos procesos, puede separarse la slice de los silicatos minerales, llamndose a este fenmeno de separacin de la slice, deslizacin. Todos los procesos mencionados anteriormente intervienen en la transformacin de la roca en suelo. Factores de formacin de los suelos.- La materia de origen, de la cual se ha originado el suelo, puede ser una roca gnea, sedimentaria o metamrfica que se ha transformado lentamente. El agua, al atravesar las distintas capas produciendo en su contacto con los elementos qumicos y materia orgnica una serie de reacciones fisico-qumicas, que hacen que este vaya transformando lentamente. La topografa del lugar, el agua tambin acta en el relieve o topografa del terreno ya si el terreno es llano, o hay colinas esta se distribuir segn su relieve. El clima de la regin, determina el color de un suelo. La temperatura, est asociada ntimamente al clima, pues a mayor temperatura existe mayor cantidad de arcilla en un suelo. Adems, el espesor de los estratos o capas depende de la temperatura. As en zonas fras el espesor de las capas de un suelo es pequeo. En climas clidos, el lecho rocoso se encuentra a mayor profundidad que en climas fros. Los organismos existentes, particularmente los microorganismos, plantas y animales intervienen en la formacin del suelo. El ser humano y sus obras, la construccin de represas, autopistas, carreteras, etc. alteran las condiciones naturales existentes. Movimientos ssmicos, ciclones y maremotos, estos producen grandes deformaciones en la corteza terrestre. Explosiones nucleares, ocasionan violentos cambios en la corteza terrestre y alteran las condiciones climticas atmosfricas y ambientales existentes. Propiedades fsicas de los suelos.- Composicin mineralgica y composicin qumica. Granulometra (Forma, tamao influencia en la composicin mineralgica (redondeada, sub-redondeada, angulosa)). Peso especfico. Estructura. Densidad. Absorcin. Porosidad y permeabilidad se confunden generalmente. La porosidad es el espacio vaco en la unidad de volumen del material, expresado en porcentaje. Por lo tanto, la porosidad es el volumen de vacos dividido por el volumen total. Expresado de otra manera es la capacidad de un suelo de absorber agua. Permeabilidad en lo que se refiere a los suelos y a las rocas, se define como aquella propiedad que permite el paso o la penetracin de fluidos a travs de la masa. Expresado de otra manera: es la capacidad de un suelo de dejar pasar agua. Formas de suelos.- Los suelos pueden quedar en el lugar, directamente de la roca de la cual derivan, dando as origen a los suelos llamados residuales o suelos no transportados. Pero estos productos pueden ser movidos del lugar de formacin, por los mismos agentes geolgicos y re-depositados sobre otros estratos sin relacin directa con ellos, a estos suelos se los denomina suelos transportados. No transportados o residuales.- Es aquel tipo de suelo que se forma en el mismo lugar donde se encuentra por meteorizacin de la roca del lugar. 4.1.1. Caractersticas.- Suelo heterogneo. Tienen asentamiento. No sufren transporte (suelto no compacto). No aptos para fundaciones. Son difciles de reconocer en el campo. Son de granulometra heterognea. Las formas de los granos son angulosas. Son permeables Porosos Difciles de reconocer en campo por la vegetacin que crece en ellos. Transportados.- Se formaron por meteorizacin de la roca en un lugar y posterior transporte a otro lugar por agentes externos que podran ser: agua, glaciares, viento y gravedad. Los depsitos transportados por el viento, glaciares y agua estn ampliamente repartidos, aunque en el sentido estricto de la palabra estos son depsitos transportados hace tanto tiempo, que se ha producido algunos o bastantes modificaciones en las condiciones presentes, el suelo endurecido est sometido a meteorizacin produciendo un material que es ms residual que transportado. Suelos aluviales.- Son suelos transportados por el agua. El tamao de sus granos es de fino a muy grueso, su forma es sub-redondeada. La combinacin del escurrimiento de aguas en las laderas de las colinas y montes y de las fuerzas del campo gravitatorio forman los depsitos de talud, en las faldas de las elevaciones, estos depsitos suelen ser heterogneos, sueltos y predominantemente formados por materiales gruesos. El escurrimiento de torrentes produce arrastres de materiales de gran tamao (mayores a velocidades crecientes del agua), que se depositan en forma graduada a lo largo de su curso, correspondiendo los materiales ms finos que las zonas planas de los valles. Los ros acarrean materiales de muy diversas graduaciones, depositndolos a lo largo de su perfil, segn varia la velocidad de su curso al ir disminuyendo esta, la capacidad de acarreo de la corriente se hace menor depositndose los materiales ms gruesos. De esta manera el ro transporta y deposita suelos segn sus tamaos decrecientes, correspondiendo las partculas ms finas (limos arcillas) a depsitos prximos a su desembocadura. Otra caracterstica importante es que se depositan en capas de espesores pequeos. Perforar en ellos es ms fcil, entre ellos tenemos: Torrenciales.- Presenta granos desde muy grueso hasta muy fino. Grano grueso Pendiente fuerte Terrazas.- Los depsitos aluviales de terrazas se caracterizan por tener granulometra heterognea. Cuando en una terraza observamos una erosin de 90 tenemos una terraza formada de grava gruesa muy compacta. Grano mediano a fino. Lacustres.- Los depsitos lacustres son generalmente de grano fino a causa de la pequea velocidad con que las aguas fluyen en los lagos. Los depsitos marinos (formados por el mar) suelen ser estratificados reflejando muchas veces las caractersticas de las costas que los mares baan. Granulometra fina y muy fina Suelos elicos.- Son suelos transportados por el viento. El viento transporta sus materiales de tres maneras, por suspencin, saltacin, y rodamiento, segn sea el tamao de material y la velocidad del viento. Para que se produzca deposicin vasta que el viento disminuya su velocidad hasta que las partculas de limo o los granos de arena no puedan mantenerse en el aire. Esta disminucin de la velocidad puede deberse a los obstculos que existen en el suelo como rboles, edificios, altos topogrficos naturales, etc., o tambin el hecho de haber cesado las causas que provocan el movimiento de aire. El viento da lugar a la formacin de dos tipos de depsitos cuyas caractersticas estn en funcin del tamao de los materiales que los componen. Las acumulaciones de arcillas, limos y arenas muy finas reciben el nombre de Loes, mientras que los de arenas medianas a gruesas se llaman Mdanos o Dunas. De dunas.- Poseen las siguientes caractersticas: Suelo suelto. No son aptos para fundacin. Son de granulometra fina (redondeada). Forma de deposicin en forma longitudinal o media luna. Nivel fretico bajo. Permeabilidad media o baja. Angulo de friccin nulo. Color gris claro. No es plstica. Transversal. Se desarrollan en direccin perpendicular a la del viento dominante. Dunas costeras. Son acumulaciones de arena que se presentan en las costas o prximas a ellas. De loes.- Poseen las siguientes caractersticas: Compactados ligeramente. No son aptos para fundacin. Son de granulometra muy fina. Forma de deposicin en mantos. No tiene nivel fretico. Permeabilidad baja o nula (impermeable). Angulo de friccin interna nula. Color gris oscuro. Es plstica. Suelos glaciares.- Son suelos transportados por el hielo y el agua. Son los mejores acuferos por su permeabilidad y porosidad. El escombro arrastrado por un glaciar se deposita generalmente porque la masa de hielo que lo transportaba se funde. Los depsitos glaciales estn formados por suelos heterogneos que van desde grandes bloques, hasta materiales muy finamente granulados a causa de las grandes presiones desarrolladas y de la abrasin producida por el movimiento de las masas de hielo. Tamao de los granos de grueso a fino. Forma de los granos de sub-redondeados a redondeados. Alta permeabilidad. Alta porosidad. Morrnicos.- aptos para las construcciones de puentes, vas, fundaciones, etc. Generalmente estn compuestos de till y tillita. Granulometra heterognea. Granos angulosos a sub-angulosos. Tamao irregular. Alta permeabilidad. Alta porosidad. Alta resistencia. Sirve para todo tipo de hormign, canteras y vas camineras. De deslave.- Granulometra heterognea. Granos sub-redondeados a redondeados. Tamao de los granos de arena gruesa y arena fina. Permeabilidad mediana alta. Porosidad media. Resistencia media a alta. Suelos coluviales.- Son suelos transportados por la gravedad. Granulometra heterognea. El tamao de sus granos es de muy fino a grueso. La forma de sus granos es angulosa. Forma de depsitos completamente irregular. No sufre desgaste por transporte. No hay nivel fretico. No apto para fundacin. ESTUDIO DEL SUBSUELO Objetivo.- Conocer la secuencia litolgica del subsuelo. Obtencin muestra de las diferentes capas del subsuelo. Conocer el espesor de cada capa o estrato. Conocer y determinar la profundidad del nivel del agua subterrnea Obtener muestras de agua para determinar su calidad. Determinacin de la capacidad de resistencia de un suelo o una roca. Ver si sirven de material de prstamo para obras civiles. Ver si es apto para fundacin. Se conocen dos mtodos de investigacin del subsuelo los cuales son: Mtodos directos.- Se conocen directamente las muestras del suelo. Se conocen directamente los problemas del suelo o de la roca. Se perfora el suelo o roca con un equipo o maquinaria de pendiendo del tipo de material a perforar y luego se elige el tipo de estructura a necesitar. Tiene un costo elevado. Informaciones que se obtienen.- Muestras alteradas. Muestras no alteradas. La profundidad de las capas. El espesor de las capas. La profundidad del agua subterrnea (nivel fretico). El grado de saturacin de una roca o un suelo. Se determina la porosidad. Se determina la permeabilidad. El fracturamiento del subsuelo. Tipos de mtodos.- Mtodo a cielo abierto. Mtodo a percusin a cable. Mtodo a rotacin con circulacin de lodos. Mtodo a rotacin con circulacin de agua. Mtodo con gusano helicoidal o care barril. Mtodo con rotacin a diamantina. Mtodo de muestras lavadas. Mtodo de penetracin cnica. Mtodo estndar (STP). Pozo a cielo abierto. Barrenos helicoidales Mtodos indirectos.- No se perfora el suelo. Tiene un costo econmico. No se obtienen muestras. Informaciones que se obtienen.- La profundidad de las capas. El espesor de las capas. La profundidad del agua subterrnea (nivel fretico). El fracturamiento del subsuelo. Tipos de mtodos.- Mtodo de resistividad. Mtodo ssmico a fraccin. Mtodo ssmico a reflexin. Mtodo georadar. Mtodo gravimtrico. Para obras de envergadura se utilizan los dos mtodos. Estudios preliminares.- con ellos se conocen: Profundidad de los estratos atravesados o capas. Espesor de los estratos. Tipo de litologa del mineral. Con estos estudios preliminares se pueden definir: El tipo de mtodo a utilizar. El tipo de equipo a utilizar. El costo del trabajo a realizarse (costo de la perforacin). El tiempo de duracin del trabajo, etc. HIDROLOGA SUBTERRNEA Objetivos.- Para fines de exploracin. Para fines de abastecimiento de agua potable (humano, industrial, riego). Para la construccin de obras civiles (vas camineras, portuarias, fundaciones, etc.). Para estudio de reservas de aguas subterrneas. Definicin.- El agua subterrnea es aquella que se encuentra por debajo de la superficie del terreno se encuentra en la zona de saturacin. El agua subterrnea est siempre en movimiento. Es el agua que se encuentra por debajo de la superficie del terreno que puede estar a 100 metros o ms, el agua subterrnea ocupa el rea de saturacin. Origen.- Las aguas subterrneas proceden de diversas fuentes; las impurezas que contienen suelen indicar su origen o su historia. Zonas de saturacin y de aereacin.- El agua que penetra hacia el interior por efecto de la gravedad, ocupa parte de los espacios porosos de las rocas o sedimentos, mientras que otra parte es ocupada por el aire retenido que no pudo escapar. De manera que todos los espacios porosos o cualquier otro espacio libre son compartidos por el agua o el aire, por lo que esta zona se la denomina ZONA DE AEREACIN. Pero a partir de cierta profundidad variable, aunque generalmente no muy grande, todos los espacios libres y porosos se encuentran ocupados por agua en su totalidad, denominndose a esta ZONA DE SATURACIN. Aguas metericas.- la fuente ms importante de agua subterrnea es aquella porcin de la precipitacin que se infiltra en el terreno. Esta agua que forma la mayor parte de las aguas subterrneas se llama agua meterica. El agua pasa a la atmsfera por evaporacin y es distribuida por los vientos a todas partes de la atmsfera. Cuando tiene lugar la condensacin, el agua puede llegar de nuevo a la superficie de la tierra en forma de lluvia, nieve, granizo, escarcha o roco. Una parte del agua atmosfrica que cae sobre la superficie de la tierra se vuelve a evaporar; otra parte se escurre sobre la superficie en forma de lminas de inundacin, arroyos y corrientes y encuentra su camino directamente hacia alguna masa de agua situada a menor altitud; otra parte por ltimo se infiltra en el suelo. Las aguas metericas por infiltracin de precipitaciones tenemos la zona vadosa y la zona profunda. Zona vadosa es la que se encuentra cerca de la superficie en la cual el espacio de poros est solo parcialmente lleno con agua y circulando horizontalmente. Infiltracin es la penetracin del agua en la zona porosa del suelo, dependiendo del tipo de suelo o superficie. Zona profunda representa la reserva de agua subterrnea y no corren mucho, debido a que estn hidrostticamente aprisionadas. Movimiento del agua subterrnea. El movimiento de un lquido puede ser laminar o turbulento. En el escurrimiento laminar, el movimiento del agua es ordenado y uniforme; en el escurrimiento turbulento, tienen lugar remolinos y movimientos irregulares. En el movimiento del agua subterrnea prevalece el escurrimiento laminar, que se verifica a velocidades reducidas. El escurrimiento laminar del agua subterrnea a travs de la roca se llama percolacin. Propiedades del agua subterrnea. Temperatura. En general la temperatura es muy constante hasta cerca de 100 m de profundidad, estando aproximadamente desde 1 C a 1,5 C por encima de la temperatura media del aire de la localidad. A mayores profundidades el incremento de la temperatura acompaa al gradiente geotrmico. Salinidad. En general las aguas subterrneas con dulces y aptas para el consumo humano. Pero las aguas subterrneas prximas a las costas son literalmente invadidas por aguas saladas que en algunos casos logran contaminarlas, sin embargo, en otros casos logran rechazar y hasta dominar a las aguas saladas invasoras. Caractersticas de la zona de saturacin.- Geologa del lugar. Presencia de poros (suelo) o intersticios o fisuras (rocas). Recarga o alimentacin de las aguas. Desplazamiento o movimiento de las aguas subterrneas debido a la porosidad. Acufero.- Es una formacin geolgica capaz de almacenar y transmitir agua. La presin esta en funcin al espesor de la arcilla. Para definir si un acufero es pobre o rico mediante su perfil litolgico, se observa la forma del cono que se forma en el nivel esttico del acufero. Nivel esttico es la distancia comprendida desde la superficie del terreno hasta la zona de saturacin. Nivel dinmico es tambin llamado de bombeo. Cada punto sobre la superficie de la zona de saturacin se llama nivel fretico. La unin de todos los niveles freticos de los posos se llama napa fretica. Tipos de acuferos.- Los principales tipos de acuferos de la zona de AEREACIN son: Acufero del suelo. Que virtualmente se encuentra restringida al espesor de las capas hasta donde alcanzan las races de plantas y rboles. Acufero pelicular. Es el agua adherida a los clastos integrantes o participantes del suelo (agua absorbida) y que no esta afectada por los movimientos gravitacionales. Acufero gravitacional o vadosa. Es la que es afectada por la gravedad y tiende a fluir hasta niveles muy inferiores de la zona de aereacin. Acufero capilar. Es el agua que a modo de flecos se eleva desde el nivel fretico o lmite inferior de la zona de aereacin. Acufero colgada. Es aquella agua gravitacional que en su descenso queda atrapada por un estado impermeable, quedando virtualmente como colgada. Dentro de la zona de SATURACIN, podemos diferenciar cuatro tipos de acuferos que son: Acufero de movimiento libre. Es el agua que fluye libremente controlada por la pendiente del nivel fretico. Acufero confinada. Es la situada entre dos capas impermeables pero as como tiene entrada tambin puede contar con salida, estando su movimiento controlado por la diferencia de altura entre la entrada y la salida, o sea, su altura hidrosttica. Acufero aprisionada o congnita. Es el agua que qued soterrada, cuando los sedimentos se formaron, como por ejemplo el agua de los yacimientos petrolferos. Acuferos juveniles. El agua subterrnea es en parte una contribucin directa de la actividad magmtica o volcnica. Durante la cristalizacin, se desprende agua, que puede pasar a la roca adyacente y formar parte del caudal subterrneo. El agua desprendida en la cristalizacin de las rocas gneas se llama agua joven. Acufero connata. Cuando se depositan sedimentos bajo los mares, parte del agua del mar es retenida en los intersticios. Al depositarse encima sedimentos impermeables, parte de esta agua puede quedar aprisionada y retenida en el sedimento, hasta que sea descubierta en forma accidental o intencionada. El agua atrapada en los sedimentos en el momento de su depsito se llama agua connata. Formas de reconocer un acufero.- Pruebas de acuferos mediante los valores de almacenamiento y transmisibilidad. Mediante una forma prctica de un perfil litolgico. Propiedades.- Porosidad.- es la capacidad de un suelo de absorber agua. Permeabilidad.- es la capacidad de un suelo de dejar pasar agua. Transmisibilidad.- Capacidad que tiene un suelo de dejar pasar agua. Coeficiente de almacenamiento.- Capacidad que tiene un suelo de almacenar agua. Pasos para la perforacin de un pozo de agua.- La pendiente del nivel fretico determinada por el bombeo del pozo, se va haciendo menos pronunciada al alejarse de ste. La distancia del pozo a la que es descenso del manto fretico causado por el bombeo, deja de ser apreciable, se llama radio de influencia. Perforacin del pozo piloto.- Muestreo. Viscosidad y densidad. Tiempo de penetracin. Registro elctrico.- Registro elctrico de potencial espontneo (porosidad, permeabilidad de los estratos). Registro de resistividad (calidad del agua). Delimitacin de capas de arcilla. Ensanche del pozo piloto.- Este ensanche est en funcin del dimetro del entubado. Entubado del pozo.- Se hace previamente un diseo del pozo. Engravado del pozo.- l engrave se debe usar por gravedad para evitar los puentes o vacos. Primeramente en la capa superior se pone la grava muy fina, fina, mediana y por ltimo la grava gruesa. Desarrollo del pozo por.- Pistoneo. Bombeo. Aire comprimido. Hielo seco. Prueba de bombeo.- Nos permite disear el tipo de bomba que se va ha utilizar en el pozo.