MECÁNICA DE SUELOS I
La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes dela física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925.
Mecánica de suelos y rocas: Hablar de mecánica de suelos y rocas es equivalente a hablar de mecánica del terreno. Podemos definir geotecnia como la ciencia que estudia las propiedades y el comportamiento del terreno. Las propiedades es algo inherente al terreno (color,...) y el comportamiento depende del medio (oxidación, influencia del clima,...)
La geotecnia se basa en estudios tanto empíricos como teóricos. La importancia de la mecánica de rocas y suelo se debe a que, inevitablemente, todo constructor necesita transmitir cargas al terreno, por lo que éste debe ser bien estudiado. Debido a esto, proyectistas y constructores deben ser capaces de prever el comportamiento a corto, medio y largo plazo del terreno así como la interacción entre el terreno y lo construido.
Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de una u otra forma, y muchas de ellas,además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado.
Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si,aún sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomo que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos.
El suelo es la capa de transformación de la corteza sólida terrestre, sometida a un constante cambio estacional y a un desarrollo peculiar. Aparece como resultado de un conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos sobre el medio rocoso original (roca madre) denominados genéricamente meteorización.
ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS
El mecanismo primario de creación de suelos es la erosión de rocas. Todos los tipos de rocas (ígneas, metamórficas y sedimentarias) pueden ser reducidas a partículas menores para crear suelo. Los mecanismos de erosión dependen del agente, pudiendo ser físico, químico y biológico.
Las actividades humanas como las excavaciones, explosiones y deposición de residuos y material pueden crear también suelos. A lo largo del tiempo geológico los suelos pueden ser alterados por presión y temperatura hasta convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias,o volver a ser fundidos y solidificados, volviendo a ser ígneos y cerrando el ciclo de las rocas.
Parte de la descomposición de la roca en su lugar; mediante un proceso estático (meteorización) por el cual la roca se rompe en pequeños fragmentos, se disuelve, se descompone y se forman nuevos minerales.
Los factores que condicionan las características de la meteorización y por lo tanto la evolución de un suelo, son: el clima, la topografía, los organismos vivos, la roca madre y el tiempo transcurrido. El resultado es la formación de un perfil de suelo, sucesión típica decapas horizontales que denota el conjunto de factores que han intervenido en su formación.
La erosión física incluye los efectos de la temperatura, heladas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La erosión química incluye la disolución del compuesto de la roca y la precipitación en forma de otro mineral. La arcilla, por ejemplo, puede formarse a través de la erosión del feldespato, que es uno de los minerales más comunes de las rocas ígneas. El mineral más común de la arena es el cuarzo, que es también un componente importante de las rocas ígneas y se le llama Óxido de silicio (IV). En resumen todos los suelos del mundo son partículas más pequeñas provenientes de las rocas. Las partículas más grandes son denominadas gravas. Si las gravas se parten en partes más pequeñas pueden convertirse en arena, de esta al limo y de este a la arcilla, que es la división más pequeña.
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, las partículas limosas tienen un rango de tamaños entre los 0,002 mm a los 0,075 mm y las partículas de arena tienen un tamaño entre 0,075 mm a 4,75 mm. Las partículas de gravas se consideran entre un rango que vade los 4,75 mm a los 100 mm y por encima de esto se denominan bloques.
Desde el punto de vista de su composición, el suelo es un material complejo compuesto por sólidos (materia mineral y materia orgánica), líquidos (sobretodo el agua, que en ocasiones, es un componente más de las rocas) y gases (aire y vapor de agua,esencialmente). A su vez, los gases y los líquidos llevan sustancias disueltas o en suspensión que pueden adherirse a la matriz sólida.
La génesis del suelo es un proceso extremadamente lento. La formación de una capa de 30 cm de suelo puede durar de 1.000 a 10.000 años. Desde este punto de vista, se debe considerar el suelo como un recurso no renovable y por lo tanto un bien a proteger.
Los depósitos de suelo están afectados por el mecanismo del transporte también y la deposición hasta su localización. Los suelos que no han sido transportados sino que provienen de la roca madre que subyace por debajo de éstos se denominan suelos residuales. El granito descompuesto es un ejemplo común de suelo residual. Los mecanismos más comunes del transporte son la acción de la gravedad, hielo, viento y agua.
Los procesos eólicos incluyen las dunas de arena y los loess. El agua transporta las partículas en función de su tamaño y la velocidad de las aguas, de ahí la distribución granulométrica que aparecen en muchos ríos en función del punto donde se tome la muestra. Generalmente la arcilla y el limo se acumulan en las zonas más lentas del río, o en lagos y pantanos, mientras que las arenas y gravas se acumulan en el lecho de los ríos. La erosión de los glaciares es capaz de desplazar grandes bloques de roca y partirlos en su camino hacia la desembocadura. La gravedad también es capaz de transportar grandes cantidades de materiales desde la cima de las montañas a los valles. A estos depósitos formados en las faldas de las montañas se le denominan coluvión. El mecanismo del transporte también afecta a la forma de las partículas, por ejemplo, las partículas de los ríos suelen ser redondeadas y los coluviones suelen presentar fracturas frescas.
Como consecuencia de la actividad humana desarrollada a través de los años, surge la necesidad de introducir un nuevo concepto, el suelo artificial o material de construcción. La procedencia de los materiales puede ser diversa, diferenciando entre materiales naturales (arcillas, arenas y gravas heterométricas) y materiales artificiales (escombros de construcción, residuos de diversos procesos de fabricación como el cemento, etc).
En el ámbito de la construcción los suelos se distinguen principalmente de acuerdo a su capacidad de soporte o cimentación. Los suelos rocosos poseen altas resistencias a acciones o solicitaciones de carga por eso lo convierte en el suelo por excelencia para cimentación.
Actualmente es cada vez más concluyente el hecho de que ningún ingeniero que sienta la responsabilidad técnica y moral de su profesión, deja de efectuar un estudio de las condiciones del subsuelo cuando diseñan estructuras de cierta importancia. Ya que ello conlleva dos características que se conjugan: seguridad y economía.
DIFERENCIA ENTRE ROCAS Y SUELO
La roca es considerada como un agregado natural de partículas minerales unidas mediante grandes fuerzas cohesivas. Se llama roca a todo material que suponga una alta resistencia.
El suelo es todo elemento natural compuesto de corpúsculos minerales separables por medios mecánicos de poca intensidad, como son la agitación en agua y la presión de los dedos de la mano.
Es por eso que en los proyectos de construcción se desprende la necesidad de contar, tanto en la etapa de proyecto, como durante la ejecución de la obra, con datos firmes, seguros y abundantes respecto al suelo que se está tratando. El conjunto de estos datos deben llevar al proyectista a adquirir una concepción razonablemente exacta de las propiedades físicas del suelo.
"Quien solo conoce la teoría de la Mecánica de Suelos y carece de práctica, puede ser un peligro público", Dr. Karl V. Terzaghi (Fundador de la Mecánica de Suelos).
Principales tipos de suelos
De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupos; suelos cuyo origen se debe a la descomposición física o química de las rocas, o sea de los suelos inorgánicos, y los suelos cuyo origen es principalmente orgánico.
Si en los suelos inorgánicos el producto del intemperismo de las rocas permanece en el sitio donde se formó, da origen a un suelo residual; en caso contrario, forma un suelo transportado, cualquiera que haya sido el agente transportador (por gravedad: talud; por agua: aluviales o lacustres; por viento: eólicos; por glaciares: Depósitos glaciares).
En cuanto a los suelos orgánicos, ellos se forman casi siempre in situ. Muchas veces la cantidad de materia orgánicas, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta o en estado de descomposición, es tan alta con relación a la cantidad de suelo inorgánicos que las propiedades que pudiera derivar de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas en las cuales los restos de vegetación acuática llegan a formar verdaderos depósitos de gran espesor, conocidos con el nombre genérico de turbas. Se caracterizan por su color negro o café oscuro por su poco peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversión de la materia vegetal en carbón.
Gravas
Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen mas de dos milímetros de diámetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las aguas las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrársele en los lechos, en los márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3") hasta 2.0 mm.
Arenas
La arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.
El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.
Limos
Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que suele encontrarse en los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos esta comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm.
Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobres para cimentar.
Arcillas
Se da el nombre de arcilla a las partículas sólidas con diámetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque en pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada y sus átomos están dispuestos en forma laminar. De hecho se puede decir que hay dos tipos clásicos de tales láminas: uno de ellos del tipo siliceo y el otro del tipo alumínico.
El tipo silice se encuentra formada por un átomo de silice rodeado de cuatro átomos de oxigeno. La unión entre partículas se lleva a cabo mediante un mismo átomo de oxigeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las partículas menores a 0.002 mm.
El tipo alumínico esta formada por un átomo de aluminio rodeado de seis átomos de oxigeno y de oxigeno e hidrogeno.
CLASIFICACIÓN DE SUELOS
Teniendo en cuenta que en la naturaleza existe una gran variedad de suelos, la ingeniería de suelos ha desarrollado algunos métodos de clasificación de los mismos. Cada uno de estos métodos tiene prácticamente, su campo de aplicación según la necesidad y uso que los haya fundamentado.
Los principales sistemas de clasificación de suelos más utilizados actualmente son: Clasificación de suelos para el propósito de construcción de carreteras, conocido como sistema American Association of State Highway andTransportation officials (AASHTO) y el Unified Soil Clasification System,conocido como Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).
CLASIFICACIÓN DE SUELOS AASHTO
De acuerdo con este sistema y con base en su comportamiento, los suelos están clasificados en ocho grupos designados por lo símbolos del A-1 al A-8. En este sistema de clasificación los suelos inorgánicos se clasifican en siete grupos que van del A-1 al A-7. Estos a su vez se dividen en un total de doce subgrupos. Los suelos con elevada proporción de materia orgánica se clasifican como A-8.
Suelos granulares: Son aquellos que tienen 35% o menos, del material fino que pasa el tamiz N° #200. Estos suelos forman los grupos A-1, A-2 y A-3.
- Grupo A-1: El material de este grupo comprende las mezclas bien graduadas,compuestas de fragmentos de rocas, grava, arena y material ligante poco plástico. Se incluyen también en este grupo mezclas bien graduadas que no tienen material ligante. Subgrupo A-1a: Comprende aquellos materiales formados predominantemente por roca o grava, con o sin material ligante, estos materiales son bien graduados. Subgrupo A-1b: Incluye aquellos materiales formados predominantemente por arena gruesa bien graduada, con o sin ligante.
- Grupo A-2: Comprende una gran variedad de material granular que contiene menos del 35% del material fino. Subgrupo A-2-4 y A-2-5: Pertenecen a estos subgrupos aquellos materiales cuyo contenido de material fino es igual o menor del 35% y cuya fracción que pasa el tamiz número 40 tiene las mismas características de los suelos A-4 y A-5 respectivamente. Subgrupo A-2-6 y A-2-7: Los materiales de estos subgrupos son semejantes a los anteriores, pero la fracción que pasa el tamiz número 40 tiene las mismas características de los suelos A-6 y A-7.
- Grupo A-3: En este grupo se encuentra incluidas las arenas finas, de playa y aquellas con poca cantidad de limo que no tengan plasticidad. Este grupo incluye además, las arenas de río que contengan poca grava y arena gruesa.
Suelos finos: Contienen más del 35% del material fino que pasa el tamiz número 200. Estos suelos constituyen los grupos A-4, A-5, a-6, y A-7.
- Grupo A-4: Pertenecen a este grupo los suelos limosos poco o nada plásticos que tienen un 75% o más del material fino que pasa el tamiz número 200. Además se incluye en este grupo las mezclas de limo con grava y arena hasta en un 64%.
- Grupo A-5: Los suelos comprendidos en este grupo son semejantes a los del anterior, pero contienen material micáceo o diatomáceo. Son elásticos y tiene un límite liquido elevado.
- Grupo A-6: El material típico de este grupo es la arcilla plástica. Por lo menos el 75% de estos suelos debe pasar el tamiz número 200, pero se incluyen también las mezclas arcillo-arenosas cuyo porcentaje de arena y grava sea inferior al 64%. Estos materiales presentan, generalmente, grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo.
- Grupo A-7: Los suelos de este grupo son semejantes a los suelos A-6 pero son elásticos. Sus límites líquidos son elevados. Subgrupo A-7-5: Incluye aquellos materiales cuyos índices de plasticidad no son muy altos con respecto a sus límites líquidos. Subgrupos A-7-6: Comprende aquellos suelos cuyo índices de plasticidad son muy elevados con respecto a sus límites líquidos y que, además experimentan cambios de volumen extremadamente grandes.
Índice de grupo: Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de un mismo grupo, y están representados por un determinado índice. La clasificación de un suelo en un determinado grupo se basa en su límite líquido, grado de plasticidad y porcentaje de material fino que pasa el tamiz número 200. Los índices de grupo de los suelos granulares están generalmente comprendidos entre 0 y 4; los correspondientes a los suelos limosos entre 8 y 12 y los de los suelos arcillosos entre 11 y 20 o más.
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos SUCS
El Dr. Arturo Casagrande creó en la universidad de Harvard el sistema que en un principio denominó Clasificación de Aeropuertos y actualmente se conoce como Sistema unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), el cual ofrece la ventaja de que en el se incluyo la plasticidad de los suelos la cual es una propiedad fácilmente relacionable en forma cualitativa con otras, como la compresibilidad, la permeabilidad, la resistencia del suelo, la velocidad de variación del volumen, etc. Todas fundamentales para normar el criterio del ingeniero.
Este Sistema que actualmente es de uso Universal se divide principalmente en dos grandes grupos de suelos:
- Gruesos, estos a su vez se subdividen en:
- Gravas
- Gravas bien graduadas GW
- Gravas pobremente graduadas GP
- Gravas Arcillosas GC
- Gravas Limosas GM
- Arenas
- Arenas bien graduadas SW
- Arenas pobremente graduadas SP
- Arenas Arcillosas SC
- Arenas Limosas SM
- Finos
- Arcillas, las cuales de acuerdo con los Limites de Consistencia o Limites de Atterberg, pueden ser:
- Arcillas de Baja Compresibilidad CL
- Arcillas de Alta Compresibilidad CH
- Limos, que de igual manera según resultados de los limites de Consistencia, pueden ser:
- Limos de Baja Compresibilidad ML
- Limos de Alta Compresibilidad MH
- Suelos con Contenido Orgánico
- Turbas PT
- Orgánicos de Baja Compresibilidad OL
- Orgánicos de Alta Compresibilidad OM
- Turbas PT
Esta clasificación está basada sólo en los límites de Atterberg para la fracción que pasa el T 40, y se obtiene a partir de la llamada CARTA DE PLASTICIDAD.
Este sistema propuesto por Arturo Casagrande (1942) lo adopta el cuerpo de Ingenieros de EE.UU. en los aeropuertos y, actualmente, es ampliamente utilizado en el mundo, al lado del sistema de la AASHTO o el de la ASTM, todos basados en los LIMITES Y LA GRANULOMETRÍA.