MECANICA DE SUELOS La mecánica de suelos es una parte del área de la ingeniería que está dedi de dica cada da a es estu tudi diar ar la lass fu fuer era ass o ca carg rgas as qu que e so son n es esta ta!l !lec ecid idas as en la superficie terrestre" La mecánica de suelos es la aplicaci#n de las le$es de la mecánica $ la %idráulica a los pro!lemas de ingeniería que tratan pro!lemas relacionados a la consolidaci#n de partículas su!at#micas $ de los sedimentos" La ingeniería ci&il se desarrolla en este ám!ito' donde las construcciones $ el comportamiento de las mismas estarán determinadas por el material aplicado $ so!re todo por el suelo que es utiliado en el relleno" Esta parte de la ingeniería fue in&entada en el a(o )*+, por -arl &on .erag%i" Antes de realiar cualquier tipo de construcci#n uno de los pasos fundamentales es realiar un estudio característico del suelo' con el o!/eti&o de conocer las propiedades del mismo $ como se puede apro&ec%ar para el uso que deseamos realiar" Si la capacidad del suelo se &e minimiada en relaci#n a la aplicaci#n a la aplicaci#n de fueras' es pro!a!le que el mismo se deforme $ que tenga como consecuencia que se generen algunos acontecimientos secundarios no determinados durante la fase del dise(o del pro$ecto" Estas deformaciones secundarias pueden traer como co mo co cons nsec ecue uenc ncia ia la pr prol olififer erac aci# i#n n de gr grie ieta tas' s' fis fisur uras as'' $ en lo loss ca caso soss &erdaderamente e0tremos' %asta el colapso de toda la o!ra" Siempre %a$ que o!ser&ar detenidamente mediante un estudio pertinente tanto las condiciones del suelo como la del cimiento que tra!a/a como un medio de contacto entre el suel su elo o $ la es estru truct ctur ura" a" Un Una a di dife fere renc ncia ia mu mu$$ pa palp lpa! a!le le en entr tre e do doss ma mate teri rial ales es distintos es la que e0iste entre la roca $ el suelo' a pesar de su definici#n en la parte natural de la cortea terrestre" La diferencia más significati&a entre la roca $ el suelo es la resistencia' en ingeniería se conoce como roca un material altamente resistente' el mismo está formado por partículas minerales unidas medi me dian ante te fu fuer era ass co co%e %esi si&a &ass so sorp rpre rend nden ente tes' s' si sin n em em!a !arg rgo o de dent ntro ro de la lass principales características del suelo es la forma en la cual se encuentran sus partículas' estas están separadas ligeramente con medios mecánicos de poca fuera" Si no se conoce a simple &ista la diferencia de am!os materiales se procede a realiar una prue!a en un &aso precipitado' la prue!a consiste en
introducir los materiales en un &aso con agua' si el material se desintegra entonces este corresponde al suelo' en la parte contraria se estaría %a!lando de una roca" Sin em!argo' un dato mu$ importante es que con el paso del tiempo las rocas pueden ir con&irti1ndose en suelo de!ido a los fen#menos de meteo met eoria riaci# ci#n' n' est esto o pro pro&o &oca ca que la mis misma ma &a$ &a$a a per perdie diendo ndo la res resist istenc encia ia mecánica $ por lo tanto que sus partículas se &a$an desintegrando de manera tal que llegue a ser totalmente suelo" La mecánica de los suelos inclu$e temas importantes como la in&estigaci#n de las propiedades físicas $ químicas del suel su elo' o' la te teor oría ía de dell co comp mpor orta tami mien ento to de lo loss su suel elos os su su/e /eto toss a ca carg rgas as $ la aplicaci#n de dic%os conocimientos empíricos a la práctica" El comportamiento est1tico de la estructura tam!i1n estará determinado por la funcionalidad del material aplicado' quien en todo momento interact2a con el medio del soporte" Equipo arquitectura $ construcci#n"
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O!tenido
de
introducir los materiales en un &aso con agua' si el material se desintegra entonces este corresponde al suelo' en la parte contraria se estaría %a!lando de una roca" Sin em!argo' un dato mu$ importante es que con el paso del tiempo las rocas pueden ir con&irti1ndose en suelo de!ido a los fen#menos de meteo met eoria riaci# ci#n' n' est esto o pro pro&o &oca ca que la mis misma ma &a$ &a$a a per perdie diendo ndo la res resist istenc encia ia mecánica $ por lo tanto que sus partículas se &a$an desintegrando de manera tal que llegue a ser totalmente suelo" La mecánica de los suelos inclu$e temas importantes como la in&estigaci#n de las propiedades físicas $ químicas del suel su elo' o' la te teor oría ía de dell co comp mpor orta tami mien ento to de lo loss su suel elos os su su/e /eto toss a ca carg rgas as $ la aplicaci#n de dic%os conocimientos empíricos a la práctica" El comportamiento est1tico de la estructura tam!i1n estará determinado por la funcionalidad del material aplicado' quien en todo momento interact2a con el medio del soporte" Equipo arquitectura $ construcci#n"
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O!tenido
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EOLUCIBN DE SUS CONS.I.U7EN.ES •
Constitu$entes minerales
Los sue uelo loss emp mpie iean a fo forrma mars rse e cu cua and ndo o las par artí tícu cula lass de ro rocca so son n transf tra nsform ormada adass por acc acci#n i#n quí químic mica a $ !io !iol#g l#gica ica"" Dic Dic%os %os fra fragme gmento ntoss de roc roca a pueden %a!erse acumulado por di&ersas causas" 6a$ suelos que retienen muc%os fragmentos resistentes a las alteraciones químicas' lo que contri!u$e a formar suelos %2medos $ a sustentar las plantas" Estas partículas disminu$en a tra&1s de fen#menos físicos' aumentando la ona superficial e incrementando la &ulnera!ilidad a los procesos químicos" Los minerales arcillosos poseen cargas el1ctricas que les permite retener los nutrientes de las plantas $ cuando la planta lo necesita' las raíces pueden e0trae e0t raerlos rlos a tra& tra&1s 1s del agu agua" a" Al Algun gunos os min minera erales les arc arcill illoso ososs aum aument entan an en &olumen con la %umedad $ &uel&en a disminuir al secarse' que!ra/ándose el suelo" Las arcillas son lo suficientemente finas como para ser desplaadas por el agua a %oriontes más po!res en arcillas" Las partículas minerales confieren al suelo su te0tura" •
Materia orgánica
Loss ma Lo mate teri rial ales es or orgá gáni nico coss so son n tra trans nsfo form rmad ados os po porr la ac acci ci#n #n de %o %ong ngos os $ !acterias" Los minerales insolu!les quedan como un duro esqueleto en la superficie' mientras el resto se con&ierte en %umus" ste es importante $a que puede contener los nutrientes para las plantas $ el aire es necesario para realiar sus funciones &itales" Además suministra nitr#geno a las plantas $ puede ganar de ellas o0ígeno" El agua del suelo disuel&e parte del di#0ido e car!ono' adquiriendo ma$or acide que a$uda a desintegrar la roca originaria" •
El agua del suelo
Los suelos !ien estructurados suelen contener suficiente agua disponi!le para alimentar a las plantas" Estos suelos son resultados de una cantidad e0cesi&a de agua !ien drenada" En cam!io' en los suelos de estructura deficiente $ los
de climas secos las plantas pueden a!sor!er toda el agua' e0cepto la que retienen los poros microsc#picos' llegando al punto de marc%itamiento' característico en los suelos arcillosos" En los suelos !ien drenados el %ierro li!erado por la disgregaci#n es o0igenado $ enro/ece el suelo por ser casi insolu!le" En los suelos permanentemente %2medos el %ierro es reducido $ da un color gris &erdoso 3gle$:" En condiciones de %umedad' los desec%os orgánicos se descomponen con gran lentitud $ pueden acumularse en la superficie tur!as en &e de nitratos' posi!ilitando la formaci#n de metano" •
Equili!rio en el proceso de formaci#n de los suelos
En los suelos con !uena &egetaci#n' los ingredientes adicionales son disgregados $ despu1s eliminados por di&ersos procesos geom#rficos" Feneralmente' a!andonan el suelo en forma de soluci#n o erosi#n superficial" En muc%os suelos un ligero aumento en el límite de eliminaci#n conduce a un incremento en la tasa de producci#n del suelo' $a que al %acerse 1ste más delgado' la roca inalterada queda más e0puesta a los procesos erosi&os" Al %acerse el suelo más profundo' aísla a la roca de estos fen#menos" Así' el suelo $ el ecosistema que 1ste soporta act2an como almo%adilla protectora entre la atm#sfera $ la roca" El suelo se forma a partir de la alteraci#n de la roca madre $ el aporte de los restos orgánicos de las plantas $ animales" Es dinámico" Su nacimiento se produce cuando los restos orgánicos se incorporan a los restos minerales" Luego e&oluciona con &arios su!stratos superpuestos en %oriontes" Es la resultante de un proceso mu$ dilatado del tiempo' cu$a amplitud &aría entre cientos $ miles de a(os en condiciones naturales' aunque con la inter&enci#n del %om!re' mediante el empleo de fertiliantes' a!onos &erdes' prácticas de la!rana $ riego' etc"' puede acelerarse nota!lemente su creaci#n"
CLASES DE SUELOS •
Clase)= no presenta limitaciones" Son aptos para la producci#n de una gran &ariedad de culti&os' pudiendo ser usados con mínimo riesgo de degradaci#n para los culti&os de la!rana $ pasturas'
como
campos
de
pastoreo
$
forestaci#n $ recreo" Son suelos de tierras llanas'
con
reducido
peligro
de
erosi#n'
profundos' !ien drenados $ de fácil la!oreo" Gresentan una !uena retenci#n de agua $ contienen muc%os elementos nutriti&os" Se adaptan al culti&o intensi&o" El clima que soportan es fa&ora!le para los culti&os comunes a la ona climática" Gara mantener su producti&idad s#lo requieren prácticas corrientes de mane/o" Es nuestro país por el mal mane/o sufrieron procesos degradatorios' disminu$endo así su capacidad producti&a' por lo que pasan a formar parte de otra clase" •
Clase += ligeras a moderadas limitaciones en cuanto a la elecci#n de plantas o requieren modestas prácticas de conser&aci#n" Gueden
ser usados para culti&os la!rados' pasturas forestaci#n' etc" Guede presentar pendientes sua&es' suscepti!ilidad moderada a la erosi#n e#lica o %ídrica' condiciones algo desfa&ora!les de estructura o la!rana' salinidad $ alcalinidad ligeras $ de fácil correcci#n' ocasionales inundaciones' peque(o e0ceso de %umedad" Las limitaciones son pocas $ las prácticas culturales de fácil aplicaci#n" •
Clase 9= limitaciones moderadas o requieren la aplicaci#n
de
prácticas
especiales
de
conser&aci#n" Guede utiliarse para culti&os la!rados' pasturas' como campos naturales de pastoreo' para forestaci#n' etc" pero se %allan restringidos en la cantidad $ proporci#n de culti&os' en la duraci#n del tiempo adecuado para la plantaci#n o siem!ra' el la!oreo del suelo $ la cosec%a' $ tam!i1n en la elecci#n de los
culti&os"
moderadamente
Limitaciones=
pendientes
pronunciadas'
alta
suscepti!ilidad a la erosi#n %ídrica $ e#lica' inundaciones frecuentes' permea!ilidad mu$
lenta' e0ceso de %umedad' escasa profundidad del suelo 2til o pro!lemas de estructura' !a/a capacidad de retenci#n de agua' !a/a fertilidad difícil de corregir' le&e salinidad $ alcalinidad' condiciones
climáticas
moderadamente
ad&ersas" 4equieren prácticas de conser&aci#n más difíciles de aplicar $ mantener que las anteriores" Gresentan una o más alternati&as de uso $ mane/o para su apro&ec%amiento li!re de todo riesgo' el n2mero de alternati&as facti!les es menor" •
Clase H= suelos con limitaciones mu$ se&eras que restringen= la elecci#n de los culti&os' la producci#n de las pasturas $ ár!oles forestales" 4equieren un mane/o cuidadoso" Gueden ser usad usados os como como camp campos os natu natura rale less de past pastor oreo eo'' forestaci#n o para la conser&aci#n de la fauna sil&estre' pero la elecci#n de plantas se %alla más limitada a dos o tres de los culti&os comunes"
Limitacion iones=
pendien ientes
pronunciadas'
gran
suscepti!ilidad a la erosi#n %ídrica o e#lica' escasa
profundidad del suelo' !a/a capacidad de retenci#n de
agua'
inundaciones
frecuentes'
%umedad
e0c e0cesi& esi&a' a' fuer fuerte te salin alinid idad ad o alca alcalilini nida dad d s#dic #dica' a' factores climáticos moderadamente ad&ersos" Son pedregosos" Clima árido $ semiárido con !osques" 4equieren un mane/o más cuidadoso $ prácticas de conser&aci#n más difíciles de aplicar $ mantener" .iende .iende a la desertiaci#n" •
Clase
,= tienen
o!stáculos
mu$
se&eros
perm perman anen ente tess no corr correg egi! i!le les= s= pend pendie ient ntes es mu$ mu$ fuertes'
muc%a
erosi#n'
pedregosidad'
profundidad somera' %umedad e0cesi&a o frec frecue uent ntes es inun inunda daci cion ones es'' !a/a !a/a capa capaci cida dad d de retenci#n de %umedad' salinidad o alcalinidad s#dica' se&eras limitaciones climáticas" Solamente
pueden
dedicarse
a
!osques
de
prot protec ecci ci#n #n'' past pastur uras as o cons conser er&a &aci ci#n #n de la faun fauna a sil&estre" S#lo unos pocos pueden ser culti&ados con la aplicaci#n de t1cnicas de mane/o mu$ intensi&as" Gueden resultar no apropiados para culti&os forestales"
4esulta con&enien iente introducir me/or /oras en las pasturas $ campos naturales de pastoreo" •
Clase Clase = poseen poseen limita limitacio ciones nes e0trem e0tremada adamen mente te se&eras en cantidad e intensidad' por lo que son áreas improducti&as" Esta es la ra#n por la cual son transformados en áreas de recreaci#n o turismo' en las que se de!e aplicar una rigurosa reglam lamentaci#n de protecci#n del paisa/e" /e" Incl Inclu$ u$en en las las tier tierra rass $ema $emas' s' terr terren enos os roco rocoso sos' s' pla$as arenosas' em!arques de los ríos' etc"
Dic% Dic%as as limit limitac acio ione ness son son incor incorre regi gi!le !les= s= pend pendie ient ntes es mu$ mu$ pron pronun unci ciad adas as'' eros erosi#n i#n'' prof profun undi dida dad d some somera ra'' pied piedra ras' s' e0ce e0ceso so de %ume %umeda dad' d' sale saless o alca alcalilini nida dad d s#dica' clima desfa&ora!le" COMGOSICIBN DEL SUELO MINE4ALOFJA DEL SUELO Limos' arenas $ gra&as se clasifican por su tama(o' $ por lo tanto pueden consistir en una &ariedad de minerales" De!ido a la esta!ilidad de cuaro en comparaci#n con otros minerales de la roca' el cuaro es el componente más com2n de la arena $ el limo" Mica' feldespato $ otros minerales comunes presentes en las arenas $ limos" Los componentes minerales de gra&a pueden ser más similar a la de la roca madre"
Los minerales de arcilla comunes son montmorillonita o esmectita' illita' caolinita $ o caolín" Estos minerales tienden a formar en la %o/a o placa como las estructuras' con una longitud que oscila típicamente entre )8@K m $ H0)8@ m $ el espesor que &aría típicamente entre )8@* M $ +0)8@ m' $ tienen un área de superficie específica relati&amente grande " El área superficial específica se define como la relaci#n entre el área superficial de las partículas de la masa de las partículas" Los minerales de arcilla generalmente tienen superficies específicas en el inter&alo de )8 a )888 metros cuadrados por gramo de s#lido" De!ido a la gran superficie disponi!le para la química' electrostática' $ la interacci#n de &an der aals' el comportamiento mecánico de los minerales de arcilla es mu$ sensi!le a la cantidad de fluido de los poros disponi!le $ el tipo $ la cantidad de iones disueltos en el fluido de los poros" Los minerales de los suelos son predominantemente formados por átomos de o0ígeno' silicio' %idr#geno' $ el aluminio' en sus di&ersas formas cristalinas" Estos elementos a lo largo con el calcio' sodio' potasio' magnesio' $ de car!ono constitu$en más del ** por ciento de la masa s#lida de los suelos" Los suelos están formados por una mecla de partículas de diferente tama(o' forma $ mineralogía" De!ido a que el tama(o de las partículas' o!&iamente' tiene un efecto significati&o en el comportamiento de los suelos' el tama(o de grano $ la distri!uci#n del tama(o de grano se utilian para clasificar los suelos" La distri!uci#n del tama(o de grano descri!e las proporciones relati&as de partículas de di&ersos tama(os" El tama(o de grano es a menudo &isualian en un gráfico de distri!uci#n acumulati&a que' por e/emplo' muestra el porcenta/e de partículas más fino que un tama(o dado como una funci#n del tama(o" El tama(o de grano medio' es el tama(o para el cual ,8 de la masa de las partículas se compone de partículas más finas" El comportamiento del suelo' especialmente la conducti&idad %idráulica' tiende a ser dominado por las partículas más peque(as' por lo tanto' el t1rmino tama(o efecti&o' denotado por' se define como el tama(o para el cual )8 de la masa de las partículas se compone de partículas más finas" Arenas $ gra&as que poseen una amplia gama de tama(os de partículas con una distri!uci#n uniforme de tama(os de partículas se denominan suelos !ien graduados" Si las partículas de suelo en una muestra son predominantemente en una gama relati&amente estrec%a de tama(os' el suelo se llama suelos uniformemente graduadas" Si %a$ %uecos distintos en la cur&a de gradaci#n' por
e/emplo' una mecla de arena $ gra&a fina' sin arena gruesa' los suelos pueden ser llamados !rec%a clasificado" Suelos calificados uniformemente graduados $ la !rec%a de am!os se consideran mal clasificado" 6a$ muc%os m1todos para medir la distri!uci#n del tama(o de partícula" Los dos m1todos tradicionales son el análisis granulom1trico $ análisis %idr#metro" F4ANULOME.4JA La distri!uci#n del tama(o de las partículas de arena $ gra&a se miden típicamente usando análisis granulom1trico" El procedimiento formal se descri!e en la norma AS.M D*)9@8H" Una pila de tamices con agu/eros dimensionados con precisi#n entre una malla de ca!les se utilian para separar las partículas en contenedores de tama(o" Un &olumen conocido de suelo seco' con terrones desglosados de partículas indi&iduales' se pone en la parte superior de una pila de tamices dispuestos de grueso a fino" La pila de tamices se agita durante un período estándar de tiempo para que las partículas se clasifican en !arras de tama(o" Este m1todo funciona raona!lemente !ien para partículas en el inter&alo de tama(o de arena $ gra&a" Las partículas finas tienden a pegarse entre sí' $ por lo tanto el proceso de tamiado no es un m1todo efica" Si %a$ una gran cantidad de finos presentes en el suelo puede ser necesario de/ar correr el agua a tra&1s de los tamices para la&ar las partículas gruesas $ terrones por medio" Una &ariedad de tama(os de los tamices están disponi!les" El límite entre la arena $ el limo es ar!itraria" De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificaci#n de Suelos' un tami H que tiene H"K,mm tama(o de la a!ertura separa la arena de gra&a $ un tami +88 con una a!ertura de 8'8K, mm separa la arena de limo $ arcilla" De acuerdo con la norma !ritánica' 8"89 mm es el l ímite entre la arena $ el limo' $ + mm es el límite entre la arena $ la gra&a" ANPLISIS 6ID4BME.4O La clasificaci#n de los suelos de grano fino' es decir' los suelos que son más finos que la arena' está determinada principalmente por sus límites de Atter!erg' no por su tama(o de grano" Si es importante para determinar la distri!uci#n del tama(o de grano de suelos de grano fino' se puede realiar la prue!a de %idr#metro" En las prue!as con el densímetro' las partículas de suelo se meclan con agua $ se agitan para producir una suspensi#n diluida en un cilindro de &idrio' $ a continuaci#n' el cilindro se de/a para sentarse" Un %idr#metro se utilia para medir
la densidad de la suspensi#n como una funci#n del tiempo" Las partículas de arcilla pueden tardar &arias %oras para resol&er más allá de la profundidad de la medici#n del %idr#metro" Las partículas de arena pueden tener menos de un segundo" La le$ de StoQe proporciona la !ase te#rica para el cálculo de la relaci#n entre la &elocidad de sedimentaci#n $ tama(o de partícula" AS.M proporciona los procedimientos detallados para la realiaci#n de la prue!a del %idr#metro" Las partículas de arcilla pueden ser lo suficientemente peque(o que nunca se asientan' $a que se mantienen en suspensi#n por el mo&imiento ;ro?niano' en cu$o caso pueden ser clasificados como coloides" 4elaciones masa@&olumen 6a$ una &ariedad de parámetros utiliados para descri!ir las proporciones relati&as de aire' agua $ s#lidos en un suelo" Esta secci#n define los parámetros $ algunos de sus interrelaciones" La notaci#n !ásica es la siguiente= ' 7 representar los &ol2menes de aire' agua $ s#lidos en una mecla de tierraR ' 7 representan los pesos de aire' agua $ s#lidos en una mecla de tierraR ' 7 representar a las masas de aire' agua $ s#lidos en una mecla de tierraR ' 7 representan las densidades de los componentes de una mecla de sueloR .enga en cuenta que los pesos' ' se pueden o!tener multiplicando la masa' M' por la aceleraci#n de la gra&edad' g' por e/emplo' La gra&edad específica es la relaci#n de la densidad de un material en comparaci#n con la densidad del agua pura" La gra&edad específica de los s#lidos' .enga en cuenta que los pesos unitarios' denotadas con&encionalmente por el sím!olo pueden o!tenerse multiplicando la densidad de un material por la aceleraci#n de!ida a la gra&edad" Densidad' o densidad %2meda' son diferentes nom!res para la densidad de la mecla' es decir' la masa total de la atm#sfera' el agua' los s#lidos di&idido por el &olumen total de agua del aire $ s#lidos= Densidad en seco' es la masa de s#lidos di&idido por el &olumen total de agua del aire $ s#lidos=
Densidad de flotaci#n' se define como la densidad de la mecla menos la densidad del agua es 2til si el suelo está sumergido !a/o el agua= Donde es la densidad del agua Contenido de agua' es la relaci#n de la masa de agua a la masa de s#lido" Se mide fácilmente pesando una muestra del suelo' secado a ca!o en un %orno $ &ol&iendo a pesar" Los procedimientos estándar se descri!en por la norma AS.M" 4elaci#n de &acíos' es la relaci#n entre el &olumen de %uecos para el &olumen de s#lidos= Gorosidad' es la relaci#n del &olumen de &acíos $ el &olumen total' $ se relaciona con la relaci#n de &acíos= Frado de saturaci#n' es la relaci#n entre el &olumen de agua para el &olumen de %uecos= A partir de las definiciones anteriores' algunas relaciones 2tiles se pueden deri&ar por
el
uso
de
álge!ra
!ásico
LA .ENSIBN EEC.IA 7 CAGILA4IDAD= CONDICIONES 6ID4OS.P.ICAS Gara comprender la mecánica de suelos' es necesario entender c#mo tensiones normales $ las tensiones de ciallamiento son compartidas por las diferentes fases" Ni gas ni líquido proporcionan una resistencia significati&a al esfuero cortante" La resistencia al corte del suelo es proporcionada por la fricci#n $ el encla&amiento de las partículas" La fricci#n depende de los esfueros de contacto intergranulares entre partículas s#lidas" Las tensiones normales' por otra parte' son compartidas por el fluido $ las partículas" Aunque el aire de poro es relati&amente compresi!le' $ por lo tanto' necesita poco esfuero normal en la ma$oría de los pro!lemas geot1cnicos' agua en estado líquido es relati&amente incompresi!le $ si los %uecos están saturados con agua' el agua de los poros de!e ser e0primida con el fin de lle&ar las partículas más cerca /untos"
El principio de la tensi#n efecti&a' introducido por -arl .erag%i' esta!lece que el esfuero efecti&o s Tse puede calcular mediante una simple sustracci#n de la presi#n de poro de la tensi#n total= Donde s es la tensi#n total $ u es la presi#n de poro" No es práctico para medir s Tdirectamente' por lo que en la práctica la tensi#n efecti&a &ertical se calcula a partir de la presi#n de poro $ la tensi#n &ertical total" La distinci#n entre la presi#n $ el estr1s t1rminos tam!i1n es importante" Gor definici#n' la presi#n en un punto es igual en todas las direcciones' pero las tensiones en un punto pueden ser diferente en diferentes direcciones" En la mecánica del suelo' las tensiones de compresi#n $ las presiones son consideradas como positi&os $ tensiones a la tracci#n se consideran negati&os' que es diferente de la con&enci#n de signos mecánica de s#lidos para el estr1s" El estr1s total
Gara las condiciones del ni&el del suelo' la tensi#n &ertical total en un punto' en promedio' es el peso de todo por encima de ese punto por unidad de área" El esfuero &ertical de!a/o de una capa uniforme de la superficie con la densidad' $ el grosor es' por e/emplo= Donde es la aceleraci#n de!ida a la gra&edad' $ es la unidad de peso de la capa superpuesta" Si %a$ &arias capas de suelo o el agua por encima del punto de inter1s' el esfuero &ertical se puede calcular sumando el producto de la unidad de peso $ el espesor de todas las capas supra$acentes" El estr1s total aumenta al aumentar la profundidad en proporci#n a la densidad del suelo supra$acente" No es posi!le calcular la tensi#n total %oriontal de esta manera" Empu/es laterales se tratan en otro lugar" Gresi#n de poros
Si no %a$ flu/o de agua de los poros se producen en el suelo' las presiones de agua de poro serán %idrostática" La ta!la de agua se encuentra en la profundidad en la que la presi#n del agua es igual a la presi#n atmosf1rica" Gara condiciones %idrostáticas' la presi#n del agua se incrementa linealmente con la profundidad por de!a/o del ni&el freático=
Donde es la densidad del agua' $ es la profundidad por de!a/o del ni&el freático" La acci#n capilar De!ido a la tensi#n superficial del agua se le&antará en un peque(o tu!o capilar por encima de una superficie li!re de agua" Del mismo modo' el agua se ele&ará por encima de la capa freática en los peque(os espacios de los poros alrededor de las partículas del suelo" De %ec%o' el suelo puede ser completamente saturado por alguna distancia por encima de la ta!la de agua" Gor encima de la altura de la saturaci#n capilar' el suelo puede estar %2medo' pero el contenido de agua disminu$e con la ele&aci#n" Si el agua en la ona capilar no se está mo&iendo' la presi#n del agua o!edece a la ecuaci#n de equili!rio %idrostático' pero tenga en cuenta que' es negati&o por encima de la ta!la de agua" Gor lo tanto' las presiones %idrostáticas son negati&os por encima del ni&el freático" El espesor de la ona de saturaci#n capilar depende del tama(o de los poros' pero típicamente' las alturas &arían entre un centímetro o así para la arena gruesa a decenas de metros para un limo o arcilla" De %ec%o' el espacio de los poros del suelo es un e/emplo fractal uniforme se %a encontrado un con/unto de fractales distri!uidos uniformemente D@ dimensionales promedio de tama(o lineal L" Gara el suelo arcilloso que L 8'), mm $ D +'K" La tensi#n superficial del agua e0plica por qu1 el agua no drena fuera de un castillo de arena %2meda o una !ola de arcilla %2meda" Gresiones de agua negati&os %acen que el palo de agua a las partículas $ tiran de las partículas entre sí' la fricci#n en los contactos de partículas %acer un castillo de arena esta!le" Gero tan pronto como un castillo de arena %2meda se sumerge por de!a/o de una superficie de agua li!re' las presiones negati&as se pierden $ el castillo se derrum!a" .eniendo en cuenta la ecuaci#n de la tensi#n efecti&a' si la presi#n del agua es negati&o' el esfuero efecti&o puede ser positi&o' incluso en una superficie li!re" La presi#n de poro negati&a atrae las partículas entre sí $ %ace que las partículas de compresi#n a las fueras de contacto de partículas" Gresiones intersticiales negati&os en suelos arcillosos pueden ser muc%o más potente que los de arena" Gresiones de poros negati&as e0plican por qu1 los suelos arcillosos se encogen cuando se secan $ se %inc%an cuando se
%umedecen" La %inc%a#n $ la contracci#n pueden causar una angustia ma$or' especialmente para estructuras ligeras $ carreteras" En secciones posteriores de este artículo a!ordar las presiones de poros para pro!lemas de filtraci#n $ consolidaci#n
Clasificaci#n de suelos Los ingenieros geot1cnicos clasifican los tipos de partículas del suelo mediante la realiaci#n de prue!as so!re muestras alteradas del suelo" Esto proporciona informaci#n acerca de las características de los propios granos de suelo" Ca!e se(alar que la clasificaci#n de los tipos de granos presentes en un suelo no tiene en cuenta los efectos importantes de la estructura o te/ido del suelo' t1rminos que descri!en compacidad de las partículas $ los patrones en la disposici#n de las partículas en un marco de transporte de carga como así como el tama(o de poro $ las distri!uciones de fluido de los poros" Ingenieros ge#logos tam!i1n clasifican los suelos en funci#n de su g1nesis $ la %istoria de deposici#n" )" Clasificaci#n de los granos del suelo
En los EE"UU" $ otros países' el Sistema Unificado de Clasificaci#n de Suelos se utilia a menudo para la clasificaci#n del suelo" Otros sistemas de clasificaci#n son la norma !ritánica ;S,9*8 $ el sistema de clasificaci#n de suelos AAS6.O" )")CLASIICACIBN DE LAS A4ENAS 7 F4AAS En los USCS' gra&as $ arenas se clasifican en funci#n de su granulometría" Gara los USCS' gra&as pueden darse el sím!olo de clasificaci#n F' FG' FM' o FC" Asimismo arenas pueden clasificarse como S' SG' SM o SC" Arenas $ gra&as con un peque(o pero no desprecia!le cantidad de multas pueden dar una clasificaci#n dual como S@SC" )"+ LJMI.ES DE A..E4;E4F
Las arcillas $ limos' a menudo llamados suelos de grano finoV' se clasifican en funci#n de sus límites de Atter!erg' los límites de Atter!erg más utiliados son el límite líquido' límite plástico' $ el límite de contracci#n" El límite de contracci#n corresponde a un contenido de agua por de!a/o del cual el suelo no se encogerá cuando se seca" El límite líquido $ límite plástico son límites ar!itrarios determinados por la tradici#n $ la con&enci#n" El límite líquido se determina mediante la medici#n del contenido de agua para que una ranura se cierra despu1s de +, golpes en una prue!a estándar" Alternati&amente' un aparato de ensa$o de cono caída puede ser utiliado para medir el límite líquido" La resistencia al corte sin drena/e del suelo remolded en el límite líquido es de apro0imadamente + QGa" El límite plástico es el contenido de agua por de!a/o del cual no es posi!le para rodar por la mano del suelo en cilindros de diámetro 9 mm" El suelo se agrieta o se rompe' $a que se !a/# de este diámetro" 4emolded suelo en el límite plástico es !astante rígido' que tiene una resistencia al corte sin drena/e del orden de apro0imadamente +88 QGa" El índice de plasticidad de una muestra de suelo en particular se define como la diferencia entre el límite líquido $ el límite plástico de la muestra' es un indicador de la cantidad de agua las partículas de suelo en el esp1cimen pueden a!sor!er" El índice de plasticidad es la diferencia en el contenido de agua entre estados cuando el suelo es relati&amente !lando $ el suelo es relati&amente que!radia cuando se moldea a mano" )"9 CLASIICACIBN DE LOS LIMOS 7 A4CILLAS
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificaci#n de Suelos' limos $ arcillas se clasifican por el traado de los &alores de su índice de plasticidad $ el límite líquido en un gráfico de plasticidad" El A@Line en la ta!la separa arcillas de sedimentos" LL ,8 separa los suelos de alta plasticidad de los suelos de !a/a plasticidad" Un suelo que las parcelas so!re el A@line $ %a LLW ,8 serían' por e/emplo' se clasifica como C6" Otras posi!les clasificaciones de limos $ arcillas son ML' CL $ M6" Si el Atter!erg limita parcela en la regi#n tramado en el gráfico cerca del origen' los suelos tienen la clasificaci#n dual TCL@ML"
JNDICES 4ELA.IOS A LA 4ESIS.ENCIA DEL SUELO @JNDICE DE LI5UIDE
Los efectos del contenido del agua en la resistencia de los suelos saturados pueden ser cuantificados por el uso del índice de liquide olec%e=
@DENSIDAD 4ELA.IA La densidad de arenas 3suelos sin co%esi#n: está caracteriada a &eces por su densidad relati&a'
@@@@@GE4MEA;ILIDAD
EN
SUELOS
3A4ENA'
A4ILLA 7 LIMO: COEICIEN.E DE GE4MEA;ILIDAD El coeficiente de permea!ilidad es una característica de los suelos' específicamente está ligado a la Le$ de Darc$ que se refiere al flu/o de fluidos a tra&1s de los suelos" El coeficiente de permea!ilidad' generalmente representado por la letra Q' es e0tremadamente &aria!le' seg2n el tipo de suelo" Clasificaci#n de los suelos seg2n su coeficiente de permea!ilidad=
Frado de permea!ilidad Ele&ada Media ;a/a Mu$ !a/a Grácticamente impermea!le
alor de Q 3cm>s: Superior a )8 @) )8 @) a )8 @9 )8 @9 a )8 @, )8 @, a )8 @K Menor de )8 @K
En la ta!la siguiente se dan algunos &alores orientati&os"
.ipo de formaci#n o suelo Dep#sitos flu&iales 4#dano' en Fenissiat Geque(os ríos
alor de Q 3cm>s: @ 6asta 8"H8 de
8"8+ @ 8") los Alpes orientales río Missouri 8"8+ @ 8"+8 río Misisipi 8"8+ @ 8")+ Dep#sitos glaciares @ Llanura de alu&i#n 8"8, @ +"88 EsQer ' estfield' Mass" 8"8) @ 8")9 Delta' C%icopee' Mass" 8"888) @ 8"8), .ill morr1nico Menor de 8"888) Dep#sitos e#licos @ Arena de m1dano 8") @ 8"9 Loes) 3X # @: 8"88) .ierra lo1sicas 3X # @: 8"888) Dep#sitos lacustres $ marinos 3no @ costeros: Arena mu$ fina uniforme 3Ua , @ +:+ 8"888) @ 8"88H 6ígado de .oro9 8"888) @ 8"88,8 6ígado de .oroH 8"8888) @ 8"888) Menor de Arcilla 8"888888)
GE4MEA;ILIDAD EN A4ENAS
La partícula más grande del suelo es un grano de arena' que tiene un tama(o de 8', a + mm" De!ido a que las partículas de arena son grandes $ de forma irregular' encastran %olgadamente' lo que de/a grandes espacios entre las partes integrantesR estos espacios permiten que el agua $ otros fluidos atra&iesen el suelo sin o!strucciones" Los nutrientes que se disuel&en en el agua tam!i1n drenan rápidamente $' como resultado' los suelos arenosos tienden a ser ligeros' secos $ poco f1rtiles" GE4MEA;ILIDAD EN LIMOS
Una 2nica partícula de limo tiene un diámetro apro0imado de 8'8, a 8'88+ mm' por lo tanto' es )8 &eces más peque(a que una partícula de arena" Aunque son muc%o más peque(as que la arena' las partículas de limo tiene una forma similarR no o!stante' tienden a estar recu!iertas de arcilla" En consecuencia' los suelos limosos se comportan como los arenosos $ los arcillosos' permiten el paso de una poca cantidad de agua' pero retienen la suficiente %umedad como para e&itar que el suelo se seque" El limo tiene un tama(o de partícula ligeramente más grande en comparaci#n con la arcilla' lo que le confiere una ma$or capacidad de drenar" Aun así es un tipo de suelo poco permea!le $ tomará +88 días para drenar H8 pulgadas 3)8)' cm: de líquido"
GE4MEA;ILIDAD EN F4AAS
Si la permea!ilidad de las gra&as es mu$ ele&ada' las perdidas de las cargas en este ni&el seran despreciados $ por lo tanto' el potencial %idraulico sera el mismo en cualquier punto e igual al ni&el pieometrico que coincide con el ni&el freatico En geología $ en construcci#n' se denomina gra&a a las rocas de tama(o comprendido entre + $ H milímetros" Gueden ser producidas por el ser %umano' en cu$o caso suele denominarse Ypiedra partidaV o YcaliaV' o
resultado de procesos naturales" En este caso' además' suele suceder que el desgaste natural producido por el mo&imiento en los lec%os de ríos %a$a generado formas redondeadas' en cu$o caso se conoce como canto rodado" E0isten tam!i1n casos de gra&as naturales que no son cantos rodados"
GLAS.ICIDAD DE LOS SUELOS
)"@ DEINICIBN" Se define a la plasticidad' como la propiedad de un material por la cual es capa de soportar deformaciones rápidas sin re!ote elástico' sin &ariaci#n &olum1trica aprecia!le $ sin demorarse ni agrietarse" +"@ JNDICE GLAS.ICO 3IG:"
Ip L"L Z L"G"
L" L" Límite Líquido' frontera con&encional entre los estados semilíquido $ plásticoR es el contenido de %umedad' en porcenta/e en porcenta/e de peso del suelo seco" L= G" Límite Glástico' frontera con&encional entre los estados plástico $ semis#lidoR es el contenido de %umedad más !a/o' para el cual el suelo comiena a fracturarse' cuando es amasado en rollitos de 9mm de diámetro" 9"@ ECUACIBN DE LA CU4A DE LUIDE[" Z Log N X C Contenido de agua' porcenta/e del peso seco" Jndice de luide' pendiente de la cur&a de fluide' igual a la &ariaci#n del contenido de agua' correspondiente a un ciclo de la escala logarítmica" N N2mero de golpes"
C Constante que representa la ordenada en la a!scisa de ) golpeR se calcula prolongando el traado de la cur&a de fluide"
H"@ JNDICE DE .ENACIDAD S) +, gr>cm9R resistencia al esfuero cortante de los suelos plásticos' en el Límite Líquido" S+ 4esistencia al esfuero cortante correspondiente al límite plástico' cu$o &alor puede usarse para medir la tenacidad de una arcilla" El índice de tenacidad &aría entre el rango siguiente= ) \ . \ 9
,"@ LIMI.E DE CON.4ACCIBN 3Lc:" Es la temperatura a partir de la cual el &olumen de la muestra cesa de disminuir cuando su contenido de %umedad decreceR es decir al llegar a un cierto contenido' el fen#meno de reatracci#n cesa $ aunque el suelo siga perdiendo agua' su &olumen permanece constanteR al contenido de %umedad en este momento' e0presado en porcenta/e de suelo seco se llama Límite de Contracci#n"
CONSOLIDACIBN DE SUELOS Se denomina consolidaci#n de un suelo a un proceso de reducci#n de &olumen de los suelos finos co%esi&os 3arcillas $ limos plásticos:' pro&ocado por la actuaci#n de solicitaciones 3cargas: so!re su masa $ que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo" Groducen asientos' es decir' %undimientos &erticales' en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud"
DESC4IGCIBN Al o!ser&ar los dep#sitos de material mu$ sua&es situados en el fondo de una masa de agua' por e/emplo un lago' se nota que el suelo reduce su &olumen conforme pasa el tiempo $ aumentan las cargas so!re el suelo' se les llama proceso de consolidaci#n"
recuentemente ocurre que durante el proceso de consolidaci#n permanece esencialmente igual la posici#n relati&a de las partículas s#lidas so!re un mismo plano %oriontal" Así' el mo&imiento de las partículas de suelo puede ocurrir
s#lo
en
la
direcci#n
&ertical'
proceso
denominado
consolidaci#n unidimensional" La consolidaci#n de un suelo es un proceso lento' puede durar meses $ %asta a(os" Es un proceso asint#tico' es decir' que al comieno es más &elo' $ se &a %aciendo cada &e más lento' %asta que el suelo llega a una nue&a situaci#n de equili!ro en la que $a no se mue&e" El no tomar en cuenta este posi!le mo&imiento del suelo al pro$ectar una estructura so!re 1l puede lle&ar a consecuencias catastr#ficas tales como la inclinaci#n' fisuraci#n e incluso el colapso de la misma" En muc%os casos es necesario pre@consolidar el suelo antes de proceder a la construcci#n de una o!ra importante' como puede ser' por e/emplo' un edificio o una carretera" La pre consolidaci#n se %ace el terreno con un peso seme/ante o ma$or que el que de!erá soportar una &e construida la o!ra' para esto se deposita en la ona interesada una cantidad de tierra con el peso equi&alente de la o!ra"
ELOCIDAD DE CONSOLIDACION @ CONSOLIDACION
DE SUELOS La consolidaci#n es un proceso que se produce en los suelos $ consiste en la reducci#n del &olumen total del suelo pro&ocado por la colocaci#n de una carga o el drena/e del terreno" Dependiendo del material la consolidaci#n puede &ariar entre un proceso en segundos 3como la arena: o un proceso que dure d1cadas como la arcilla de!ido a la diferencia de conducti&idad %idráulica" A partir de la diferencia en el tiempo de la consolidaci#n' podemos %a!lar de consolidaci#n primaria 3duraci#n de meses o unos pocos a(os: $ consolidaci#n secundaria 3d1cadas o cientos de a(os:" ANE]O K
G4OCESO DE CONSOLIDACION= Cuando el suelo se somete a una so!recarga' los esfueros totales se incrementan en esa misma cuantía" En suelos saturados' esto conduce al incremento de la presi#n de porosR pero dado que el agua no resiste esfueros cortantes' sin que se modifique el nue&o esfuero total' el e0ceso de presi#n intersticial se disipa a una &elocidad controlada por la permea!ilidad Q del suelo' con lo que el esfuero efecti&o se &a incrementando a medida que el agua flu$e" ANE]O ^
CONSECUENCIAS DE LA CONSOLIDACIBN • • • • •
Incremento en el esfuero efecti&o 4educci#n en el &olumen de &acíos 4educci#n en el &olumen total Asentamientos en el terreno Asentamientos en la estructura
GE4MEA;ILIDAD 7 CONSOLIDACIBN
@
@
SUELOS A4ENOSOS 5u1 alta= el asentamiento ocurre rápidamente' generalmente al final de la construcci#n" SUELOS A4CILLOSOS 5ue !a/a= el asentamiento ocurre lentamente' estructura sique asentándose durante anos despu1s de la construcci#n"
4ELACIONES DE GESOS 7 OL_MENES Geso específico del suelo= Es la relaci#n entre el peso del suelo $ su &olumen" .am!i1n se denomina peso &olum1tricoR es decir peso de dic%o suelo contenido en la unidad de &olumen" o Geso específico del agua destilada R a una temperatura de H`C $ 8) atm#sfera de presi#n 3a ni&el del mar:' es igual a )"8 gr>cm9" En Mecánica de Suelos relacionamos el peso de las distintas fases con sus &ol2menes correspondientes= En el suelo se distinguen los siguientes pesos específicos o pesos &olum1tricos= GESOS ESGECIICOS A;SOLU.OS )"@ Geso específico de s#lidos s = .am!i1n se denomina= Geso específico real s 3gr>cm9: Geso específico &erdadero +"@ Geso especifico del aga contenida en el suelo ? ? 3gr>cm9: Su &alor &aría con la temperatura $ difiere mu$ poco del o A temperatura 8`C ? 8"*,gr>cm9R a temperatura )88`C ? 8"**gr>cm9 En pro!lemas prácticos am!os se toman como iguales= ? o ) gr>cm9 9"@ Geso específico total de la muestra de suelo= m 3gr>cm9: .am!i1n se denomina= Geso específico %2medo' peso específico aparente Geso &olum1trico del suelo' peso &olum1trico %2medo del suelo GESOS ESGECIICOS 4ELA.IOS 3S:= Geso específico relati&o= Se define como la relaci#n entre el peso específico de una sustancia $ el peso específico del agua"
S
SIN UNIDADES )"@ Geso específico relati&o de s#lidos= .am!i1n se llama= Fra&edad específica
Ss
? densidad del agua )888Qg>mm9 +"@ Geso específico relati&o de masa del suelo= Se conoce como peso &olum1trico relati&o
Sm de la masa de suelo"
4ELACIONES OLUM.4ICAS Son de gran importancia' para el mane/o comprensi!le de las propiedades mecánicas de los suelos $ un completo dominio de su significado $ sentido físico" )"@ 4elaci#n de &acíos 3e:= Se llama tam!i1n proporci#n de &acíos # índice de poros e Es la relaci#n entre el &olumen de &acíos $ el &olumen de s#lidos .e#ricamente e puede &ariar desde 8 %asta el
En la práctica' seg2n
F?3: Los &alores de F? pueden &ariar de= 8 F? )88 Si F? 8' es un suelo seco Si F? )88' Es un suelo totalmente saturado H"@ Contenido de %umedad # agua de un suelo 3?: = E0presa la proporci#n de agua presente en el suelo" Es la relaci#n entre el peso de agua del suelo $ el peso de su fase s#lida" Feneralmente se e0presa en porcenta/e"
3: ' tam!i1n .e#ricamente los &alores &arían de= 8 ? En la naturalea la %umedad de los suelos &aria entre límites mu$ ampliosR por e/emplo= Los suelos de los &alles de M10ico tienen %umedades normales entre ,88 @ 88 En arcillas
8 Ar .a!la )")= Gropiedades de algunos suelos naturales 3!asadas en .erag%i $ GecQ )*K: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ Contenido de Gorosidad 4elaci#n de %umedad acíos F? ) Densidad 3Mg>m9: Descripci#n 3: e ? 3: d s @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@ Arena uniforme suelta H 8"^, 9+ )"HH )"^* Arena uniforme densa 9H 8",) )* )"K, +"8^ Arena !ien graduada suelta H8 8"K +, )",* )"*^ Arena !ien graduada densa 98 8"H9 ) )"^ +")
.ilita glacial !ien graduada +8 8"+, * +")) +"9+ Arcilla glacial !landa ,, )"+8 H, )"+) )"K Arcilla glacial dura 9K 8"8 ++ )"* +"8 Arcilla ligeramente orgánica !landa )"*8 K8 8"*+ )",K Arcilla mu$ orgánica !landa K, 9"88 ))8 8"^ )"H9 Arcilla montmorilonotoca !landa 3!entonita: ^H ,"+8 )*H 8"HH )"+^ .ur!a amorfa *) )8 ,88 8")^ )"8* .ur!a fi!rosa *H ), )'888 8"8* )"89 d densidad seca s densidad saturada
DENSIDAD Densidad a!soluta= De un cuerpo es la masa de dic%o cuerpo contenida en la unidad de &olumen' sin incluir sus &acíos" Se le puede llamar simplemente densidad"
Densidad aparente= Es la masa de un cuerpo contenida en la unidad de &olumen' inclu$endo sus &acíos"
Densidad relati&a= De un s#lido' es la relaci#n de su densidad a la densidad a!soluta del agua destilada" ' # tam!i1n Donde=
Gs Geso de la partícula s#lida en gramos s olumen de s#lidos en Cm9 t olumen de s#lidos más &olumen de &acíos' en cm9 D? Densidad a!soluta del agua destilada a temperatura de H`CR su &alor es ) gr>cm9 Los suelos que contienen partículas gruesas en su ma$or parte se les determina la densidad relati&a aparente' $ a los suelos que están formados por gran cantidad de partículas finas se les determina la densidad relati&a a!soluta
SUELOS SA.U4ADOS En un suelo saturado F? )88 $ el & ?' significa que todos los &acíos están llenos de aguaR en consecuencia esta conformado por dos fases= OL_MENES GESOS e& ? "L ? ?? e? )Xe m m ?3SsXe: ) s "S s Ss?
)"@ GESOS= Asumiendo que s )u9 a: Geso de S#lidos=
R $
!: Geso del agua=
Como s
)
R
Gero=
A%ora en funci#n de= e
3porque s
)
u9:R
Gero
Gor tanto' reemplaando en 3:= c: Geso total de la muestra de suelo=
+"@ OLUMEN DE LA MUES.4A
O4MULAS=
3:
Gara
e&aluar
la
proporci#n
de
&acíos'
partimos
de=
4emplaamos
&alores
de=
$ en 3:
Geso específico relati&o de la masa=
$
4eemplaando= m $ m' tenemos= R tam!i1n reemplaando &alor de e
Otra en Sm
f#rmula
en
funci#n
de nR
4eemplaando
Geso específico de la muestra de suelo Densidad saturada
'
#
tam!i1n
COMGAC.ACIBN
La compactaci#n es el proceso realiado generalmente por medios mecánicos' por el cual se produce una densificaci#n del suelo' disminu$endo su relaci#n de &acíos" El o!/eti&o de la compactaci#n es el me/oramiento de las propiedades geot1cnicas del suelo' de tal manera que presente un comportamiento mecánico adecuado"
EN.A
CAM;IOS EN LAS G4OGIEDADES DEL SUELO GO4 LA COMGAC.ACIBN AC.O4ES 5UE INLU7EN EN LA COMGAC.ACIBN )" .ipo de Suelo .iene influencia la granulometría del suelo' forma de sus partículas' contenido de finos' cantidad $ tipo de minerales arcillosos' gra&edad específica' entre otros" De acuerdo a la naturalea del suelo se aplicarán t1cnicasadecuadas en el proceso de compactaci#n En la!oratorio' un suelo grueso alcanará densidades secas altas para contenidos #ptimos de %umedad !a/os' en cam!io los suelos finos presentan &alores !a/os de densidades secas má0imas $ altos contenidos #ptimos de %umedad"
CU4AS DE COMGAC.ACIBN GA4A DIS.IN.OS SUELOS +" Energía Específica
La energía específica es la presi#n aplicada al suelo por unidad de &olumen' durante cualquier proceso de compactaci#n" En la!oratorio' la compactaci#n por impacto queda definida por=
Donde= E= Energía Específica N= N2mero de golpes del pis#n por capas n= N2mero de capas = Geso del pis#n compactador %= Altura de caída del pis#n = olumen total del molde de compactaci#n" Ensa$o Gr#ctor Modificado= Ee +K"+ Qg@cm>cm Ensa$o Gr#ctor Estándar= Ee ") Qg@cm>cm El empleo de una ma$or energía de compactaci#n permite alcanar densidades secas ma$ores $ #ptimos contenidos de %umedad menores' esto se comprue!a al analiar los resultados o!tenidos con las prue!as Groctor Estándar $ Groctor Modificado" 9" M1todo de Compactaci#n En el campo $ la!oratorio e0isten diferentes m1todos de compactaci#n" La elecci#n de uno de ellos influirá en los resultados a o!tenerse" H" La 4ecompactaci#n En la!oratorio' a &eces se acostum!ra a utiliar un mismo especímen para o!tener todos los puntos de la cur&a' esto causa una deformaci#n &olum1trica de tipo plástico que causan las sucesi&as compactaciones" La compactaci#n mu$ intensa puede producir un fracturamiento de las partículas $ originar un material suscepti!le al agrietamiento" ," 6umedad
La %umedad que nos permite alcanar una compactaci#n #ptima es el #ptimo contenido de %umedad' la cual nos permitirá alcanar la densidad seca má0ima" Si el contenido de %umedad está por de!a/o del #ptimo' el suelo es rígido $ difícil de comprimir' originando densidades !a/as $ contenidos de aire ele&ados" Cuándo está por encima del #ptimo' el contenido de aire se mantiene pero aumenta la %umedad produciendo la disminuci#n de la densidad seca" " Sentido de recorrido de la escala de %umedad En las prue!as de la!oratorio' tiene influencia tam!i1n el sentido en que se recorre la escala de %umedades al efectuar la compactaci#n' se o!tienen cur&as diferentes si se compacta comenando con un suelo %2medo $ luego se &a agregando agua' o si se empiea con un suelo %2medo $ luego se &a secando" En el primer caso se o!tienen densidades secas ma$ores $a que al agregar el agua está tenderá a quedar en la periferia de los grumos' penetrando en ellos despu1s de un tiempo' por lo tanto la presi#n capilar entre los grumos es peque(a fa&oreciendo la compactaci#n" En el segundo caso se o!tienen densidades secas menores' $a que al e&aporarse el agua e irse secando el suelo' la %umedad superficial de los grumos se %ace menor que la interna' aumentando la presi#n capilar %aciendo más difícil la compactaci#n" K" .emperatura $ presencia de otras sustancias Dependiendo de la temperatura puede producirse la e&aporaci#n # condensaci#n del agua' la presencia de sustancias e0tra(as' puede tam!i1n producir &ariaci#n del resultado en la o!tenci#n de la densidad seca" LA CU4A DE SA.U4ACIBN La cur&a de saturaci#n representa las densidades de un suelo en estado de saturaci#n' es decir cuando el &olumen de &acíos es cero' ra#n por la cual se le conoce tam!i1n como Cur&a de cero &acíos de aire o de saturaci#n completa Esta cur&a es prácticamente paralela a la rama derec%a de la cur&a de compactaci#n $ &aría en funci#n del peso específico de s#lidos del material"
La cur&a del de saturaci#n es una a$uda para di!u/ar la cur&a de compactaci#n" Gara los suelos que contienen más de un )8 de finos las dos cur&as generalmente se %acen apro0imadamente paralelas en el lado %2medo de la cur&a de compactaci#n entre el *+ $ *, de saturaci#n a contenidos de %umedad mu$ por encima del #ptimo" .e#ricamente' la cur&a de compactaci#n no puede cruar a la derec%a de la cur&a del )88 de saturaci#n" Si ocurre así' %a$ un error en la gra&edad específica de los s#lidos' en las medidas' en los cálculos' en los procedimientos de ensa$o' o en el gráfico"
CAGILA4IDAD Ascensi#n del agua por encima del ni&el freático del terreno a tra&1s de los espacios intersticiales del suelo' en un mo&imiento contrario al de la gra&edad"
El mo&imiento ascendente del agua en un tu!o capilar representa el fen#meno de capilaridad" Dos fueras son responsa!les por la capilaridad= ) Z atracci#n del agua por superficies s#lidas 3ad%esi#n o adsorci#n: $ + Z tensi#n superficial del agua' que en gran parte está de!ida a la atracci#n entre las mol1culas de agua 3co%esi#n:"
Las fueras de co%esi#n entre mol1culas de agua $ de ad%esi#n entre el agua $ superficies s#lidas en un sistema suelo@agua" Esas fueras son en gran parte' resultado de los puentes de %idr#geno representados por las líneas punteadas"
La fuera de ad%esi#n o adsorci#n disminu$e rápidamente con la distancia de la superficie s#lida" La co%esi#n entre mol1culas de agua resulta en la formaci#n de agrupaciones temporales que están constantemente cam!iando de tama(o $ forma a medida que mol1culas indi&iduales de agua son li!eradas o se unen a otras" La co%esi#n entre mol1culas de agua tam!i1n %ace que la fase s#lida se restrin/a indirectamente la li!ertad del mo&imiento del agua %asta determinada distancia' además de la interface s#lido@ líquido" .eoría del .u!o Capilar
Donde= G= Es el peso de la columna de agua = uera de ascensi#n capilar= .= tensi#n superficial del agua por unidad de línea de contacto entre el agua $ el tu!o 3≅8'8KH g>cm para agua pura $ &idrio limpio:" %= altura de la ascensi#n capilarR
d= diámetro del tu!o b peso específico del agua ángulo de contacto 3en el caso del agua $ &idrio limpio este ángulo es cero:"
O!ser&aciones= En suelos arenosos es com2n que la ascensi#n capilar alcance alturas del orden de 98cm a ,8cm" Sin em!argo' en terrenos arcillosos la capilaridad puede alcanar %asta los ^8 m de Seg2n Soua Ginto 3+889:' la altura de ascensi#n capilar má0ima es de pocos centímetros para pedregullos' ) a + metros para arenas' 9 a H metros para el limo $ decenas de metros para las arcillas" #rmula Empírica de 6aen Guede ser empleada para una estimati&a grosso modo de la altura de la ascensi#n capilar"
La Importancia de los en#menos Capilares •
En la construcci#n de pa&imentos de carreteras= si el terreno donde se funda un pa&imento está constituido por un suelo limoso $ el ni&el freático está poco profundo' para e&itar la ascensi#n capilar de agua es necesario su!stituir el material limoso por otro con menor potencial de capilaridad"
•
La contracci#n de los suelos= Cuando toda la superficie de un suelo está sumergida en agua' no %a$ fuera capilar' pues *8" Sin em!argo' a medida que el agua &a siendo e&aporada' se &an formando meniscos apareciendo fueras capilares que apro0iman las partículas"
•
Co%esi#n aparente de arenas %2medas= Si la arena fuese seca o saturada' la co%esi#n se des%ace" Los meniscos se des%acen cuando el mo&imiento entre los granos aumenta $ las deformaciones son mu$ grandes"
Sif#n Capilar= O!ser&ado en las presas' el sif#n' o sifonamiento capilar consiste en la filtraci#n del agua !a/o el n2cleo impermea!le de la presa"
%ttp=>>fisica"laguia+888"com>dinamica@clasica>fueras>mecanica@de@suelos@capilaridad
El proceso de Escorrentía o Escurrimiento" La escorrentía 3o escurrimiento: se define como aquella parte de la llu&ia' del agua de des%ielo $>o del agua de irrigaci#n que no llega a infiltrarse en el suelo' sino flu$e %acia un cauce flu&ial'
desplaándose so!re la superficie
del
mismo"
Se
denomina
tam!i1n escorrentía superficial o de superficie" La escorrentía tam!i1n comprende el agua que llega al cauce flu&ial con relati&a rapide /usto de!a/o de la superficie"
$
almacenamiento"
El
proceso
de entrada'
que
tam!i1n
se
denomina infiltraci#n' ocurre en el límite entre el agua $ la superficie del suelo" La transmisi#n es la percolaci#n' tanto &ertical como %oriontal' que puede producirse a cualquier profundidad en la capa del suelo" El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfil del suelo $ se manifiesta como un aumento en la %umedad del suelo"
En t1rminos generales' las condiciones am!ientales que influ$en en estos tres procesos se di&iden en dos categorías principales= efectos naturales $ efectos antropog1nicos" A diferencia de los procesos naturales' que pueden tener &arios efectos' la acti&idad %umana suele reducir la cantidad de agua que penetra en el perfil del suelo $' por consiguiente' aumenta la escorrentía en la superficie del suelo' con todos sus conocidos" Empleamos los t1rminos cuenca' cuenca de drena/e $ cuenca %idrol#gica 3o %ídrica o %idrográfica: para descri!ir el área que contri!u$e a la escorrentía" En t1rminos generales' la escorrentía comiena en la di&isoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca" .oda la escorrentía dentro de una cuenca drena en un 2nico sitio' es decir' la salida o desage de la cuenca" Si el índice de precipitaci#n e0cede la capacidad de infiltraci#n' se produce escorrentía superficial" La escorrentía superficial equi&ale al índice de plu&iosidad o a la &elocidad de des%ielo menos la capacidad de infiltraci#n"
E4IC E" AND4ADE A"
4esistencia al corte de los suelos
La
propiedad de los suelos soportar cargas $ conser&ar su esta!ilidad' depende de la resistencia al corte de los suelos" Cualquier masa de suelo se rompe cuando esta resistencia
es
superada"
Leonards define la resistencia al corte' siendo como la tensi#n de corte so!re el plano de ruptura' en el momento de la ruptura" 6aefeli afirma que entre las tres propiedades principales de un suelo la compresi!ilidad' la permea!ilidad $ la resistencia al corteR la más importante $ más difícil de determinar e0perimentalmente es esta 2ltima las dos primeras propiedades son independientes de la tercera la resistencia de corte depende no solamente de la permea!ilidad' sino tam!i1n de la compresi!ilidad del suelo" De acuerdo con la ecuaci#n de Coulom!= t cXs"tg f se puede afirmar que la resistencia al corte de un suelo se compone !ásicamente de dos componentes= la co%esi#n $ el ángulo de roamiento entre las partículas"
Se considera ángulo de roamiento interno de un suelo' al ángulo que las partículas %acen entre sí de!ido a las fueras de roamiento" La co%esi#n resulta de la presi#n capilar del agua contenida en los suelos" Guede tam!i1n de!erse a las fueras electroquímicas de atracci#n de las partículas de arcilla" Los parámetros de co%esi#n $ ángulo de roamiento de un suelo no son constantes de material" En la determinaci#n e0perimental de la resistencia al corte de los suelos %a$ que reproducir en la práctica tantas &eces cuando sea posi!le' las condiciones a que será su/eto en la realidad por la o!ra a implantar .ipos de ensa$o de corte La resistencia al corte de un suelo es %a!itualmente determinada en la!oratorio por uno de los siguientes ensa$os= •
ensa$o de corte directo El ensa$o de corte directo consiste en %acer desliar una porci#n de suelo' respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acci#n de una fuera de corte %oriontal incrementada' mientras se aplica una carga normal al plano del mo&imiento"
•
ensa$o de compresi#n tria0ial
•
ensa$o de compresi#n simple Las muestras utiliadas para estos ensa$os o !ien son indeformadas o entonces siendo deformadas' de!en reproducir las condiciones se pretenden alcanar en la o!ra"
Clasificaci#n de los ensa$os de corte tria0iales Gara reproducir diferentes condiciones de solicitaci#n e0istentes en los macios que se encuentran en la &ida real' los ensa$os de corte se clasifican en tres grupos principales= •
ensa$os lentos' o con drena/e
•
ensa$os rápidos' o sin drena/e
•
ensa$os rápidos o con pre consolidaci#n en los ensa$os lentos con drena/e las tensiones s9 $ s) son aplicadas lentamente $ con la &ál&ula a!ierta' para disipar constantemente la atenci#n neutra" En los ensa$os rápidos $ sin drena/e' las tensiones s9 $ s) son aplicadas rápidamente $ con la &ál&ula cerrada" En los ensa$os con pre consolidaci#n' la tensi#n s9 es aplicada lentamente $ la tensi#n s) aplicada rápidamente" En cualquiera de los ensa$os de compresi#n tria0ial la tensi#n principal puede crecer o decrecer durante corte como es el caso de una e0ca&aci#n o de un terrapl1n"
igura= E&oluci#n de los estados de tensi#n en situaci#n de terrapl1n o e0ca&aci#n Los &alores de la co%esi#n $ el ángulo de roamiento de un suelo' no son parámetros constantes del suelo pero si coeficientes empíricos que pueden &ariar en largos inter&alos para un mismo suelo conforme las &arias $ posi!les condiciones de pre compresi#n' drena/e $ otras &aria!les" Ensa$os de caracteriaci#n de la resistencia al corte de los suelos ): Ensa$os de la!oratorio )"
.ria0ial
+"
Corte Directo
9"
Corte directo simple a:
Ensa$o tria0ial= permite el control de las tensiones totales' tensiones efecti&as'
tensiones neutras $ deformaciones durante el corte"
Z
Ensa$o consolidado no drenado 3CU:= son conocidos por ensa$os rápidosR
Z
ensa$o consolidado drenado 3CD:= el drena/e es permanente 3siempre ocurre
drena/e:" La tensi#n neutra es siempre nula" No se genera e0ceso de tensi#n neutra" De esta forma las tensiones totales son iguales a las tensiones efecti&as" Este ensa$o se considera un ensa$o lento" enta/as del ensa$o tria0ial= Z
permite el control del drena/e
Z
no %a$ ruptura progresi&a
Z
permite el ensa$o en di&ersas tra$ectorias
Des&enta/as del ensa$o tria0ial= Z
!:
dificulta en el moldeado de pro!etas de arena
Ensa$o de corte directo= durante el ensa$o se pueden realiar lecturas
Z
deformaci#n %oriontal
Z
deformaci#n &ertical
Z
fuera cortante aplicada
Este ensa$o tiene &enta/as en arenas $ cuando conocemos el plano donde ocurre la ruptura" El plano de ruptura está pre&iamente definido" La ruptura es progresi&a' sucede inicialmente en el !orde de la ca/a $ a&ana %acia el centro" No %a$ control del drena/e" +: Ensa$os de campo a:
ensa$o ane test= consiste la rotaci#n' a una &elocidad estándar de un molinillo
3con/unto de cuatro láminas introducidas en el suelo a profundidad pretendida que gira $ permite o!tener un diagrama entre el momento torsor aplicado $ el ángulo de rotaci#n" Sonda/e a percusi#n= ensa$o de penetraci#n dinámica 3SG.:R permite medir la resistencia del suelo a medida que &a siendo perforado"
Lee todo en= Mecánica de suelos Z 4esistencia al corte de los suelos La guía de ísica %ttp=>>fisica"laguia+888"com>dinamica@clasica>mecanica@de@suelos@resistencia@al@ corte@de@los@suelosi09cM8]00[
IMGO4.ANCIA ;IOLBFICA DE LOS SUELOS El suelo constitu$e el soporte indispensa!le so!re el que se asientan todos los ecosistemas terrestres' sir&e no s#lo como asiento para la &egetaci#n' a la que nutre $ sostiene' sino tam!i1n sir&e de soporte $ medio de &ida para una enorme cantidad de animales $ microorganismos que en 1l se desen&uel&en' siendo 1stos los responsa!les directos del grado de porosidad de los suelos' de sus condiciones redo0' de su p6' el tipo de &egetaci#n que en 1l se asiente' $' so!re todo' &an a determinar la intensidad $ el tipo de los procesos de mineraliaci#n de la materia orgánica que &an a tener lugar' así como su &elocidad $ productos finales o!tenidos" El suelo constitu$e el límite en el cual los procesos meramente físico@químicos empiean a %acerse !iol#gicos' donde la geología tra!a/a codo con codo con la &ida para esta!lecer las más &ariadas com!inaciones de colores' te0turas' estructuras' p6' endopediones $ epipedones que %acen posi!le la tan inmensa di&ersidad de !iotas que e0isten so!re el planeta' pudiendo incluso fa&orecer en algunos casos la formaci#n de microclimas localiados donde la !iota e0istente no coincida con la predominante en esa ona" El presente tra!a/o pretende enfocar desde un punto de &ista didáctico $ ecol#gico la importancia que de!en tener los suelos para un !i#logo"
ANE]O K
ANE]O ^
CASOS IMGO4.AN.ES DE CONSOLIDACIBN= o o o
.orre de Gisa Ciudad de M10ico ;ogotá
o
Urugua$= .errapl1n de acceso al Guente del 4ío Santa Lucía' Ampliaci#n de Gista de Aeropuerto de Carrasco' etc"
ASES DE CONSOLIDACIBN Consolidaci#n instantánea= reducci#n de &acíos por eliminaci#n de aire" @
Grimaria= reducci#n de &olumen por la e0pulsi#n del agua" en#meno en el que se transfiere la carga soportada por el agua al esqueleto mineral' esta es la
@
consolidaci#n propiamente dic%a" Secundaria= cuando la consolidaci#n se da por rea/uste del esqueleto mineral $ luego de que la carga está casi toda soportada por este $ no por el agua"
ES.A;ILIDAD DE LAS LA.I.UDES La esta!ilidad de taludes es la teoría que estudia la esta!ilidad o posi!le inesta!ilidad de un talud a la %ora de realiar un pro$ecto' o lle&ar a ca!o una o!ra de construcci#n de ingeniería ci&il' siendo un aspecto directamente relacionado con la ingeniería geot1cnica" La inesta!ilidad de un talud' se puede producir por un desni&el' que tiene lugar por di&ersas raones= •
4aones geol#gicas= laderas posi!lemente inesta!les' orografía acusada' estratificaci#n' meteoriaci#n' etc"
•
ariaci#n del ni&el freático= situaciones estacionales' u o!ras realiadas por el %om!re"
•
O!ras de ingeniería= rellenos o e0ca&aciones tanto de o!ra ci&il' como de minería"
Los taludes además serán esta!les dependiendo de la resistencia del material del que est1n compuestos' los empu/es a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten" Los taludes pueden ser de roca o de tierras" Am!os tienden a estudiarse de forma distinta"
.ipos de inesta!ilidad
Desprendimientos o desplomes Desprendimientos o desplomes son mo&imientos de inesta!ilidad producidos por falta de apo$o' englo!ando a una escasa cantidad de terreno" Suele tratarse de rocas que caen por una ladera' de!ido a la p1rdida del apo$o que las sustenta!a" Entre los desprendimientos o desplomes' se puede incluir el caso del desplome de una columna rocosa en un acantilado' de!ido a la erosi#n en la !ase del mismo" pueden ser ocasionados por la naturalea o por la %umanidad"
Corrimientos Son mo&imientos que afectan a una gran cantidad de masa de terreno" Un tipo particular de corrimiento de tierra son los desliamientos' que se producen cuando una gran masa de terreno o ona inesta!le' deslia con respecto a una ona esta!le' a tra&1s de una superficie o fran/a de terreno de peque(o espesor" Los desliamientos se producen cuando en la fran/a se alcana la tensi#n tangencial má0ima en todos sus puntos" Estos tipos de corrimiento son ingenierilmente e&ita!les" Sin em!argo' los siguientes no lo son= •
Un flu/o de arcilla se produce en onas mu$ llu&iosas afectando a onas mu$ grandes" Los terrenos arcillosos' al entrar en contacto con el agua' se comportan como si alcanasen el límite líquido' $ se mue&en de manera más lenta que los desliamientos" Se da en peque(as pendientes' pero en gran cantidad"
•
Licuefacci#n= se da en onas de arenas limosas saturadas' o en arenas mu$ finas redondeadas 3loess:" De!ido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan' las presiones intersticiales son tan ele&adas que un seísmo' o una carga dinámica' o la ele&aci#n del ni&el freático' pueden aumentarlas' llegando a anular las tensiones efecti&as" Esto moti&a que las tensiones tangenciales se anulen' comportándose el terreno como un YpseudolíquidoV" Se produce' entre otros terrenos' en rellenos mineros"
•
4eptaci#n= mo&imiento mu$ lento que se da en capas superiores de laderas arcillosas' de en torno a ,8 centímetros de espesor" Está relacionado con procesos de &ariaci#n de %umedad estacionales" Se manifiestan en forma de peque(as ondulaciones' $ suelen ser signo de una posi!le futura inesta!ilidad generaliada"
Análisis cinemático de taludes en macios rocosos
Análisis cinemático del mecanismo planar" .omado de Armas@[ago$a' +88H"
En el análisis de taludes en macios rocosos' se presentan !loques de roca delimitados por un sistema tridimensional de planos de discontinuidad" Se entiende por discontinuidad a todas aquellas estructuras geol#gicas 3fallas' fracturas' diaclasas' estratificaci#n' foliaci#n' etc": que forman dic%os planos' los que com2nmente se conoce como fá!rica estructural del macio rocoso" Normalmente este tipo de discontinuidades son producto del tectonismo a la que fue su/eta la roca en un estado inicial de esfueros" Dependiendo de la orientaci#n de las discontinuidades se tendrá un patr#n de fracturamiento que delimitará los !loques de roca" Analiar la esta!ilidad de un talud realiado en macios rocosos fracturados' es parte de dos procesos" El primero es analiar la fá!rica estructural en el corte realiado para determinar si la orientaci#n de las discontinuidades podría resultar en inesta!ilidad' a lo cual se conoce como orientaci#n desfa&ora!le del talud con respecto a las discontinuidades" Esta determinaci#n es realiada por medio de un análisis estereográfico de la fá!rica estructural /unto con la posici#n del talud' a lo que se denomina análisis cinemático" 7a que %a sido determinada la cinemática en la cual se tiene posi!ilidad de falla del talud' el segundo paso requiere un análisis de esta!ilidad por el m1todo de equili!rio límite para comparar las fueras resistentes a la falla contra las fueras causantes de la falla del talud" El rango entre estos dos sistemas de fueras se denomina factor de seguridad" Gara poder realiar el análisis tridimensional de las familias de discontinuidades' se necesita %acer este tipo de pro$ecci#n en un plano !idimensional" Gara tal efecto e0isten dos tipos de pro$ecciones esf1ricas= una es la red estereográfica de Lam!ert o Sc%midt' $ la otra es la pro$ecci#n de ulff" Di&ersos autores dentro de la ingeniería geol#gica %an aplicado am!as t1cnicas' las cuales son del todo id1nticas $ no %a$ ninguna dificultad para
utiliar un sistema u otro" La 2nica limitaci#n que e0iste es que al iniciar el análisis con cualquiera de los dos sistemas' 1ste de!erá continuarse empleando %asta el t1rmino del pro$ecto o del estudio"
M1todos analíticos de cálculo
M1todo de las re!anadas' donde se estudia el equili!rio de cada re!anada
En ingeniería los cálculos !uscan estimar el con/unto de fueras que act2a so!re la porci#n de tierra" Si las fueras disponi!les para resistir el mo&imiento son ma$ores que las fueras que desequili!ran el talud entonces se considerará esta!le" El factor de seguridad es el cociente entre am!as $ tiene que ser ma$or que ) para considerar el talud esta!le=
En caso de terremoto' infiltraci#n de agua' o!ras descontroladas u otro tipo de causa el equili!rio puede romperse' las fueras desequili!radoras ser ma$ores de las estimadas $ producir finalmente la rotura" Gara calcular las fueras se pueden emplear los siguientes m1todos"
M1todo de las re!anadas El m1todo de las re!anadas es un m1todo para analiar la esta!ilidad de un talud en dos dimensiones" La masa que se deslia por encima de la fractura se di&ide en gran n2mero de re!anadas" Las fueras actuando en cada re!anada se o!tienen de considerar el equili!rio mecánico de cada una"
M1todo de ;is%op
El m1todo modificado 3o simplificado: de ;is%op ) es una e0tensi#n del m1todo de las re!anadas" En este m1todo se realian &arias suposiciones que permiten %acer cálculos más fáciles= •
Las fueras en las caras de cada re!anada son %oriontales"
Se %a compro!ado que este m1todo genera factores de seguridad des&iados un peque(o porcenta/e de los &alores correctos
Donde=
C= es la co%esi#n efecti&a = es el ángulo de roamiento interno != es el anc%o de cada re!anada' asumiendo que todas tienen el mismo espesor = es el peso de cada re!anada u= es la presi#n de agua en la !ase de cada re!anada
G4ESIBN LA.E4AL DEL SUELO
Un e/emplo de los principios de presi#n %oriontal= un muro de contenci#n de tierras"
Gresi#n lateral del suelo es la presi#n que el suelo e/erce en el plano %oriontal" Las aplicaciones más comunes de la teoría de presiones laterales en suelos son el dise(o de estructuras cimentadas como muros de tierras' apatas' t2neles $ para determinar la fricci#n del terreno en la superficie de cimentaciones profundas" Gara descri!ir la presi#n que un suelo puede e/ercer se usa un coeficiente de presi#n lateral' -" - es la relaci#n entre la presi#n lateral u %oriontal respecto a la presi#n &ertical 3- %T>&T:" Esta f#rmula está asumida por ser directamente proporcional $ se cumple en cualquier punto del suelo" - puede depender de las propiedades mecánicas del suelo $ de la %istoria tensional del suelo" Los coeficientes de presi#n lateral puede &ariar dentro de tres categorías= presi#n en reposo' presi#n acti&a $ presi#n pasi&a" Los coeficientes de presi#n son usados en análisis de ingeniería geot1cnica dependiendo de las características de su aplicaci#n" E0isten muc%as teorías para predecir la presi#n lateral' algunas empíricas $ otras analíticas"
Gresi#n en reposo La presi#n en reposo' representadas por - 8' es la presi#n %oriontal del terreno" Esta puede ser medida directamente por el test dilatom1trico 3DM.: o por un !ore%ole pressuremter test 3GM.:" Estos e0perimentos son caros' por eso se usan relaciones empíricas para predecir el resto de presiones que son más difíciles de o!tener $ que dependen generalmente del ángulo de roamiento interno" Algunas f#rmulas son=
Ma$ne h -ul%a?$ 3)*^+: + para suelos so!reconsolidados=
La 2ltima requiere un perfil OC4 profundo para ser determinada"
Gresi#n acti&a $ pasi&a
Diferentes muros de contenci#n dise(ados para aguantar distintos empu/es"
El estado acti&o ocurre cuando e0iste una rela/aci#n en la masa de suelo que lo permite mo&erse %acia fuera del espacio que limita!a la tensi#n del suelo 3por e/emplo un muro de tierra que se rompe:R esto es que el suelo está fallando por e0tenderse" sta es la presi#n mínima a la que el suelo puede ser sometido para que no se rompa" Al contrario el estado pasi&o ocurre cuando la masa de suelo está sometida a una fuera e0terna que lle&a al suelo a la tensi#n límite de confinamiento" Esta es la má0ima presi#n a la que puede ser sometida un suelo en el plano %oriontal"
.eoría de 4anQine La teoría de 4anQine' desarrollada en )^,K' 9 es la soluci#n a un campo de tensiones que predice las presiones acti&as $ pasi&as del terreno" Esta soluci#n supone que el suelo está co%esionado' tiene una pared que está friccionando' la superficie suelo@pared es &ertical' el plano de rotura en este caso sería planar $ la fuera resultante es paralela a la superficie li!re del talud" Las ecuaciones de los coeficientes para presiones acti&as $ pasi&as aparecen a continuaci#n" O!ser&e que T es el ángulo de roamiento del suelo $ la inclinaci#n del talud respecto a la %oriontal es el ángulo j"
Gara el caso en que j sea 8' las ecuaciones de arri!a se simplifican como=
.EO4JA DE COULOM; Coulom! 3)KK:H fue el primero en estudiar el pro!lema de las presiones laterales del terreno $ estructuras de retenci#n" Coulom! se limit# a usar la teoría de equili!rio que considera que un !loque de terreno en rotura como un cuerpo li!re 3o sea en mo&imiento: para determinar la presi#n lateral limitante" La presi#n limitante %oriontal en fallo en e0tensi#n o compresi#n se determinan a partir de - a $ -p respecti&amente"
4ELACIBN DE ;ELL Gara suelos con co%esi#n ;ell desarroll# una soluci#n analítica que usa la raí del coeficiente - para predecir la contri!uci#n de la
co%esi#n a la presi#n resultante" Estas ecuaciones e0presan las presiones %oriontales totales" El primer t1rmino representa la contri!uci#n no co%esi&a $ el segundo t1rmino la contri!uci#n co%esi&a" La primera ecuaci#n es para una situaci#n acti&a $ la segunda para una situaci#n pasi&a=
MECPNICA DE SUELOS Z ASEN.AMIEN.OS Es la deformaci#n &ertical en la superficie de un terreno pro&eniente de la aplicaci#n de cargas o de!ido al peso propio de las capas" k.IGOS DE ASEN.AMIEN.OS=
•
Inmediatos= por deformaci#n elástica 3suelos arenosos o suelos arcillosos no saturados:
•
Gor densificaci#n= de!idos a la salida del agua del suelo 3suelos arcillosos:=
•
Gor flu/o lateral= desplaamiento de las partículas del suelo desde las onas más cargadas %acia las menos cargadas 3suelos no co%esi&os: Causas de los Asentamientos
•
Cargas estáticas= presi#n transmitida por las estructuras' por el propio peso del suelo' etc"
•
Cargas dinámicas= cla&ado de estacas' terremotos' etc"
•
Erosi#n del su!suelo
•
ariaciones del ni&el del agua= re!a/es k""EEC.OS DE LOS ASEN.AMIEN.OS Da(os a la estructura del suelo' cam!ios en la apariencia' funcionalidad $ esta!ilidad" Determinaci#n del asentamiento total Cuando la capa del suelo sufre efecto de una so!recarga' ella se deforma $ en consecuencia da la disminuci#n de su índice de &acíos 3e 8: %acia un &alor final 3e f : moti&ado por su compresi!ilidad" Su espesor pasa por tanto desde un &alor inicial de 6 8 a un &alor final 6f cu$a diferencia 3 6 68 Z 6f :' corresponde al asentamiento total sufrido" Asentamiento en el tiempo t
Suelos normalmente densificados 3OC4 ):
SUELOS G4E@DENSIICADOS 3 AW : Cuando la carga traspasa la tensi#n de pre@densificaci#n el asentamiento se calcula en dos etapas= de la tensi#n e0istente %asta la tensi#n de pre@densificaci#n $ desde la tensi#n de pre@densificaci#n %asta la tensi#n final resultante de la carga"
Donde Ce es el coeficiente de e0pansi!ilidad o coeficiente de recompresi#n 3Cr: que es la inclinaci#n del espacio descarga@carga Suelos Su!@densificados 3OC4 \ ): Los que a2n no se densificaron completamente
Densificaci#n Secundaria Ocurre cuando el e0ceso de presi#n neutra es prácticamente nulo
8 $ la tensi#n
≅
efecti&a es prácticamente igual a la tensi#n total ≅ " En general' se &erifica que en el ensa$o de densificaci#n' la deformaci#n continua a procesarse' más allá que el e0ceso de presi#n neutra' sea prácticamente nulo" Este efecto se le atri!u$e a los fen#menos &iscosos"
Aplicaci#n de Drena/es &erticales para acelerar la densificaci#n Algunas &eces para acelerar la densificaci#n se constru$en drena/es &erticales en la capa arcillosa responsa!le por tales asentamientos" Estos drena/es pueden ser perforaciones rellenas con arena"
Aplicándose una carga so!re la superficie' el agua !a/o presi#n puede escurrir tanto %acia las capas drenantes directamente como a tra&1s de los drena/es" Los asentamientos se desarrollan muc%o más rápidamente pues las distancias de flu/o son me/ores $ los coeficientes de permea!ilidad son ma$ores en la direcci#n %oriontal que en la &ertical" Aplicaci#n de So!recargas para acelerar la densificaci#n Es una t1cnica mu$ interesante utiliada para ameniar los efectos de los asentamientos causados por una determinada carga o pre@carga del área" La figura a continuaci#n nos muestra un e/emplo práctico de colocaci#n de una so!recarga constituida por + metros de terrapl1n para pro&ocar un asentamiento de 98 cm en poco más de H meses' lo que no sería alcanado con el terrapl1n definiti&o pro$ectado con 9 metros de altura en ese mismo período" Luego de alcanado el &alor del asentamiento deseado' la so!recarga de!e ser retirada' manteni1ndose la cuota de terrapl1n final pre&ista en el pro$ecto"