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MECANICA DE SUELOS. 1. - GENERALIDADES

Introducción Durante años el arte de la Ingeniería de Suelos se basó únicamente en experiencias. Sin embargo con el crecimiento de la ciencia y la tecnología, la necesidad de mejores y más económicos diseños estructurales se volvió crítica. Esto condujo a un estudio detallado de la naturaleza y propiedades de los suelos en su relación con la Ingeniería. Para el caso de Mecánica de suelos, parece bastante justificado mencionar el nombre del hombre que ha hecho posible el nacimiento de esta parte de la Ingeniería, como fundador y guía, el Doctor Karl Von Terzaghi (1883-1963), ilustre geólogo y distinguido consultor e investigador de Ingeniería. La publicación de Erdbaumechanik por el Dr. Terzaghi en 1925, dio origen a la Mecánica de Suelos Moderna.

1.1. Formación de los Suelos. Definiciones MECANICA DE SUELOS.- Es la ciencia que aplica las leyes de la Mecánica y la Hidráulica, a los problemas de Ingeniaría que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente que tengan o no contenido de materia orgánica. En general se puede decir que la Mecánica de Suelos es la rama de la ciencia que trata el estudio de las propiedades físicas y el comportamiento de masas de suelos sometidas a varios tipos de fuerzas. La ingeniería de Suelos es la aplicación de los principios de la Mecánica de Suelos a problemas prácticos. GEOTECNIA: Se ocupa del estudio del comportamiento de los suelos y las rocas como materiales empleados en las obras de Ingeniería civil En sentido general, incluye la aplicación de los principios fundamentales de la Mecánica de Suelos y de la Mecánica de Rocas a los problemas de diseño de cimentaciones. La corteza terrestre está compuesta principalmente, por rocas cuya formación geológica ha tomado varios millones de años. Además durante el mismo período la superficie rocosa ha sufrido una desintegración y una descomposición continua, mediante procesos de meteorización. Como resultado de lo anterior, gran parte de la superficie actual de la tierra (el lecho rocoso relativamente alterado), está cubierto por la acumulación de materias sin cementación o muy poco cementados, a menudo de naturaleza y espesor altamente variables; este es el material que los ingenieros llaman “SUELO”. SUELO. Se define como el agregado no cementado de granos minerales y materia orgánica descompuesta (partículas sólidas) junto con el líquido y gas que ocupan los espacios vacíos entre las partículas sólidas. El suelo es producido por intemperismo, es decir, por la fractura y rompimiento de varios tipos de rocas en piezas más pequeñas mediante procesos mecánicos y químicos. En algunos lugares el estrato superficial de suelo ha llegado a ser altamente meteorizado, rico en humus y capaz de soportar el crecimiento de la vegetación. Este estrato se denomina “CAPA VEGETAL” (frontera “A”) y frecuentemente tiene un espesor inferior a 0.50 m. ha menudo se retira de la superficie antes de iniciar cualquier trabajo de construcción, y se coloca de nuevo durante los trabajos de paisajismo al finalizar la obra. El suelo que utilizan los ingenieros para soportar las estructuras, y en algunos casos para construirlas es el suelo ingenieril subyacente, y es éste el material cuyas propiedades y comportamiento deben conocer los ingenieros.

2 Todos los suelos tienen su origen, directa o indirectamente, en las rocas sólidas, que se clasifican de acuerdo con su proceso de formación de la siguiente manera

Roca Ígnea

Roca Sedimentaria

Roca Metamórfica

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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

TEXTURA: La textura de los suelos puede variar entre dos extremos:

TEXTURA GRANULAR: Formada por granos de tamaño variable, desde 0.002 mm (limos) hasta mayores de 150 mm (cantos de gran tamaño), incluyendo fragmentos de tamaño intermedio (arenas y gravas)

TEXTURA COLOIDAL. Formada por partículas menores de 0.002 mm, ultramicroscópicas, denominadas coloides, que exhiben gran plasticidad en presencia de agua. Ejemplos comunes de este tipo de textura son las distintas variedades de arcillas, entre las que destacan el caolín, empleado en la industria cerámica, y la bentonita, usada en la perforación de pozos para la construcción de pilas de cimentación.

FACTORES GEOLÓGICOS QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS AGENTES GENERADORES DE SUELOS.- La corteza terrestre es atacada principalmente por el aire y el agua, siendo los medios de acción de estas sustancias sumamente variados. Sin embargo, en último análisis, todos los mecanismos de ataque pueden incluirse en dos grupos: 1) DESINTEGRACIÓN MECÁNICA (meteorización física).- Se refiere a la intemperización de las rocas por agentes físicos tales como: Cambios periódicos de temperatura, acción de la congelación del agua en las juntas y grietas de las rocas, efectos de organismos, plantas, liberación de esfuerzos después de la remoción de una capa de material más superficial, etc. Por estos fenómenos, las rocas llegan a formar arenas o cuando mucho, limos, y sólo en casos especiales arcillas.

4 2) DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA (meteorización química). Se denomina así al proceso de descomposición química, debido a la acción de agentes que atacan a las rocas, modificando su constitución mineralógica o química. El principal agente es, desde luego, el agua y los mecanismos de ataque más importante son la OXIDACIÓN, la HIDRATACIÓN y la CARBONATACIÓN. Los efectos químicos de la vegetación juegan también un papel importante. Estos mecanismos generalmente producen arcilla como último producto de descomposición. TAMAÑO Y FORMA DE LAS PARTÍCULAS,- Los procesos de meteorización y los efectos de transporte y depósito, producen partículas individuales de suelo ampliamente variables en tamaño y forma. El tamaño de las partículas en un depósito de suelo, tiene una influencia fundamental en las propiedades y en el comportamiento ingenieril del depósito, por lo tanto las partículas de un suelo, se describen en función de su tamaño, utilizando términos como: GRAVA, ARENA, LIMO o ARCILLA. ORIGEN Y TIPOS DE DEPÓSITOS.- Los depósitos de suelos naturales se clasifican en: 1) SUELOS RESIDUALES.- Se han formado completamente por meteorización “in situ” y han permanecido en su posición original, directamente sobre la roca de la cual se derivan. Esto ha ocurrido en su mayor parte en las regiones tropicales y en otras que no han sido sometidas a las glaciaciones. 2) SUELOS TRANSPORTADOS.- Han sido desplazados de su posición original y depositados en otro sitio; los principales agentes de transporte son el agua, el hielo y el viento, ríos y corrientes de agua superficial, los mares y las fuerzas de gravedad; estos factores actúan a menudo combinándose. El tamaño y la forma de las partículas en un depósito de suelo transportado, con frecuencia están determinados por el agente de transporte y el modo como se forman los depósitos:

a) SUELOS DEPOSITADOS EN AGUA. Los ríos son agentes de erosión, transporte y formación de depósitos extremadamente fuertes, en particular durante las crecientes. El material que se deposita a lo largo del curso de los ríos se denomina ALUVIÓN, aunque con frecuencia se aplica también a los suelos más finos tales como arenas, limos y arcillas. El mar también es un agente importante en el ciclo de la erosión, transporte y formación de depósitos, debido principalmente al impacto de las olas y también a los residuos que ellas transportan (depósitos de playa)

b) DEPOSITOS GLACIALES.- Gran parte de la actual Topografía en varias regiones del Planeta son el

resultado de erosión glacial y de los procesos de transporte y formación de depósitos ocurridos en este periodo.

c) DEPÓSITOS DE SUELOS TRANSPORTADOS POR EL VIENTO.- Existen depósitos de arena

transportada por el viento, que cubren amplias extensiones de tierra en sitios de clima desértico, en cuyas superficie se aprecian DUNAS formadas por la acción del viento que transportan partículas de arena a lo largo del terreno.

d) SUELOS ORGÁNICOS.- Los depósitos de arcilla y limo, derivados de la sedimentación en lagos, estuarios o zonas de inundación de ríos, pueden contener cantidades apreciables de materia orgánica debido a cadáveres de animales o materia vegetal en descomposición. Cuando el contenido de materia orgánica es importante, estos depósitos pueden describirse como arcillas y limos orgánicos. La presencia de materia orgánica se identifica usualmente por un color que varía del gris oscuro al negro, y un olor característico producido por la vegetación en descomposición. Si la materia orgánica tiene un contenido mineral muy reducido, el material se denomina TURBA o TURBERA.

5 e) METERIALES DE RELLENO.- El material colocado por el hombre en los trabajos de ingeniería se

denomina RELLENO o TERRENO ARTIFICIAL. Proviene por lo general de excavaciones de Suelo o roca, pero también pueden ser desperdicios de canteras o minas de carbón, escombros de Construcción, cenizas e incluso desechos domésticos. Los rellenos se utilizan, por ejemplo: en la Construcción de terraplenes para carreteras, vías férreas, presas y rompeolas, en el aprovechamiento de terrenos costeros, estuarios y pantanos, y en el relleno de antiguas canteras y minas.

1.3 Tipos de Estructuras

Se refiere a la disposición que adoptan las partículas minerales para dar lugar al conjunto llamado

suelo. En los suelos formados por partículas relativamente grandes (gravas y arenas), las fuerzas que intervienen para formar la estructura son bien conocidas y sus efectos son relativamente simples de calificar. Por el contrario, en los suelos formados por partículas muy pequeñas (limos y arcillas), las fuerzas que intervienen en los procesos de estructuración son más complejas, y las estructuras resultantes son solo parcialmente verificables por métodos indirectos, relativamente complicados. La forma de las partículas minerales de un suelo es de importancia primordial en su comportamiento mecánico. En los suelos gruesos la forma característica es la equidimensional, en la que las tres dimensiones de la partícula son comparables. En los suelos finos, producto en general del ataque químico de las aguas a las rocas, la forma de los componentes tiende a ser aplastada, por lo que los minerales de arcilla adoptan en general la forma laminar. Como consecuencia de su forma y de su tamaño, en los suelos finos ejercen acción importantísima las fuerzas electromagnéticas, desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales. A) ESTRUCTURA SIMPLE.- Es aquella producida cuando las fuerzas de gravedad terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas y es por lo tanto típicas de los suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias) de masa comparativamente importante. Las partículas se disponen apoyándose directamente una sobre otra y cada partícula posee varios puntos de apoyo. El comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos características: LA COMPACIDAD DEL MANTO Y LA ORIENTACION DE SUS PARTICULAS. El termino compacidad se refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos espacios vacíos entre ellas. Terzaghi propuso el concepto de COMPACIDAD RELATIVA, para medir tal condición.

6 B) ESTRUCTURA PANALOIDE.- Se considera típica en granos de pequeño tamaño (0.0002 mm de diámetro o algo menores), que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y en ocasiones aire. En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, pero dada su pequeña masa, la fuerza de adherencia con otras partículas hace que se adhiera formando celdas, con una cantidad importante de vacíos, a modo de panal. C) ESTRUCTURA FLOCULENTA.- Cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores de 0.02 mm. Llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas; así otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo. Cuando los grumos llegan al fondo, forman a su vez panales, cuyas bóvedas no están ya formadas por partículas individuales, sino por los grumos mencionados. Este mecanismo produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada FLOCULENTA y, a veces PANALOIDE DE ORDEN SUPERIOR. D) ESTRUCTURAS COMPUESTAS.- Se considera que las estructuras anteriores rara vez se presentan puras en la naturaleza, pues la sedimentación comprende partículas de todos los tamaños y tipos. Lo común, sería encontrar en los suelos reales, estructuras constituidas por los granos gruesos y por masas coloidales de fóculos que proporcionan nexo entre ellos.

E) ESTRUCTURA EN “CASTILLO DE NAIPES“.- Se presentan en los suelos finos y es debida fundamentalmente a la forma laminar típica de los minerales de arcilla. Según algunas investigaciones, las partículas de suelo poseen carga negativa, pero además existe en sus aristas una concentración de carga positiva que hace que esa zona se atraiga con la superficie de cualquier partícula vecina.

CONTIENE VACIOS

ALTA POROSIDAD

ALTO CONTENIDO DE AGUA.

BAJA RESISTENCIA.

7 F) ESTRUCTURA DISPERSA.- Una estructura del tipo “castillo de naipes” en muchos casos no es muy estable, cualquier perturbación como deformación por esfuerzo cortante, tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas del material. Conforme esto sucede actúan entre las partículas presiones osmóticas que tienden a hacer que las partículas se separen y adopten una posición conocida como estructura dispersa. 1.4 Tipos de Arcillas Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados, presentando además en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales tienen casi siempre, una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variables de tales láminas: la SILÍCICA y la ALUMINICA. De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se clasifican, en tres grandes grupos: ARCILLAS CAOLINITAS (ESTABLES).- El término se deriva del chino Kao ling “Cerro Alto” nombre de la montaña de la que por primera vez se embarcó la caolinita a Europa para usos cerámicos. Las caolinitas están formadas por una lámina sílica y otra alumínica que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para NO permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia, las arcillas caoliníticas serán relativamente estables en presencia del agua. ARCILLAS ILLITAS (COLAPSABLES).- El nombre fue seleccionado por los geólogos del servicio geológico de Illinois en honor de su estado. Las illitas están formadas por una lámina aluminíca entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. Su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen. Por ello, su expansividad es menor que la de las montmorilonitas y, en general, las arcillas ilíticas, se comportan mecánicamente en forma más favorable para el ingeniero, aunque presentan mayor tendencia a la absorción del agua que las caolinitas, mayor susceptibilidad a la retracción y a la expansión. ARCILLAS MONTMORILLONITAS (EXPANSIVAS).- El mineral montmorillonita fue descrito por vez primera de muestras colectadas cerca del Montmorillon, pueblo situado en la porción centro-occidental de Francia. Están formadas por una lámina alumínica entre dos silícicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso la unión entre las retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con la relativa facilidad, a causa de las fuerzas generadas por su naturaleza bipolar. Lo anterior produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce macrofísicamente en una expansión. Las arcillas montmoriloníticas, especialmente en presencia de agua, presentarán fuerte tendencia a la inestabilidad.

8 EXPLORACION Y MUESTREO DE SUELOS El proceso de identificar los estratos de depósitos que subyacen a una estructura propuesta y sus características físicas se denomina generalmente exploración del subsuelo, cuyo propósito es obtener información que ayude al ingeniero en geotecnia en las siguientes tareas:

1. Seleccionar el tipo y profundidad de una cimentación adecuada para una estructura dada. 2. Evaluar la capacidad de carga del subsuelo. 3. Estimar el asentamiento probable de una estructura 4. Determinar problemas potenciales de la cimentación (suelo expansivo, suelo colapsable, rellenos

sanitarios, etc.) 5. Determinar la posición del nivel de aguas fréaticas. 6. Predecir la presión lateral de tierra en estructuras tales como muros de retención, tablaestacas y

cortes apuntalados. EXPLORACION DEL SUBSUELO. Por lo general se hace mediante pozos de inspección o sondeos (perforaciones). La localización y el espaciamiento entre los sondeos se deben escoger de tal manera que permitan destacar las condiciones geotécnicas de los puntos de dificultad o importancia ingenieril. Los tipos principales de sondeos que se usan en Mecánica de Suelos, para conocimiento del subsuelo son:

a) Pozos a cielo abierto, con muestreo alterado o inalterado. b) Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. c) Métodos de lavado. d) Método de penetración estándar. e) Método de penetración cónica.

Pozos a cielo abierto (PCA), con muestreo alterado e inalterado. Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para que un técnico pueda directamente bajar y examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural. Así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. Se recomienda que siempre que se haga un PCA se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación, hecho por un técnico conocedor.

Pozo a cielo abierto con muestras alteradas

Excavación de un Pozo a Cielo Abierto

9 MUESTREO Y CONSERVACION DE MUESTRAS

Los trabajos de muestreo de suelos tienen por objeto obtener la información necesaria para conocer:

Estratigrafía del terreno

Clasificación geotécnica de los suelos que forman cada estrato o lente.

Compacidad relativa de los estratos de material granular (gravas, arenas, limos)

Consistencia relativa de los estratos de material cohesivo (arcillas y limos plásticos) Las muestras ALTERADAS son aquellas en las cuales la macro estructura y la textura del suelo han sido seriamente distorsionadas o destruidas por completo, pero en las cuales la distribución del tamaño de las partículas sigue siendo representativa del suelo “in situ”. Estas muestras se protegerán contra pérdidas de humedad introduciéndolas en frascos o bolsas emparafinadas.

Muestra alterada obtenida en un penetrómetro std.

Muestras alteradas.

Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares. La muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de agua, por lo menos en suelos muy plástico. Barrenos helicoidales también llamada barreno manual, al igual que la posteadora es una herramienta de perforación ligera y portátil a la cual puede adaptársele diferentes cucharas del corte hasta un diámetro de 200 mm y puede utilizarse hasta una profundidad de 5.00 mts., en estratos que presentas paredes estables y no tienen gravas o partículas de mayor tamaño. Los barrenos helicoidales pueden ser de muy diferentes tipos. Un factor muy importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos. Cualquiera de estas barrenas desarrolla su acción cortadora al presionarla y rotarla dentro del suelo. Se inicia la perforación mediante el avance de la barrena por una distancia igual a su longitud. Se extrae a continuación con suelo adherido o suspendido de ella, el cual se remueve y se examina; si es necesario, se empaca parte del mismo como muestra. Se inserta de nueva la barrena en la cavidad y se repite la operación de atornillado y extracción para proseguir con la perforación, el examen y el muestreo, hasta la profundidad requerida. Sin embargo, no es por lo general práctico llevar manualmente las perforaciones hasta profundidades mayores que 6 a 10 m.

10 Las herramientas se conectan al extremo de una tubería de perforación, formada por secciones de igual longitud, que se van añadiendo según aumenta la profundidad del sondeo.

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Muestra Inalterada (MI): es aquella en la que se conserva la estructura, contenido de vacíos y el contenido de agua que tiene el suelo en el lugar de donde se obtenga. Esta puede ser obtenida mediante tubo muestreador de pared delgada o labrando una porción prismática extraída y transportada con los cuidados necesarios para conservar estas condiciones en todo momento

Pozo a Cielo Abierto con Muestreo Inalterado. Las muestras INALTERADAS deben conservar la macro estructura natural y tener la misma densidad y el mismo contenido de humedad que el suelo “in situ”; además deben ser representativas de la masa del suelo en el campo.

Estas muestras deberán obtenerse con precauciones, generalmente labrando la muestra en una oquedad que se practique al efecto en la pared del pozo; se protegerá contra pérdidas de humedad en volviéndola en una o más capas de manta debidamente impermeabilizada con brea y parafina

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Sondeo con tubo de pared delgada (Tubo Shelby), están hechos de acero sin costura y se usan comúnmente para obtener muestras de suelos arcillosos inalterados. Los muestreadores de tubos de pared delgada tienen diámetros exteriores de 2” y 3” (50.8 mm y 76.2 mm). El extremo del fondo del tubo es afilado. Los tubos se unen a barras de perforación y estas con el muestreador unido, es bajado al fondo de la perforación y el muestreador se hinca en el suelo. Se ha comprobado que si desea un grado de alteración mínimo aceptable, el hincado debe efectuarse ejerciendo presión continua y nunca a golpes, ni con algún otro método dinámico

La muestra de suelo dentro del tubo es entonces extraída. Los dos extremos del tubo Shelby son sellados y este se envía al laboratorio para su análisis. Las muestras obtenidas de esta manera se usan para pruebas de corte o de consolidación.