Mecánica de suelos

N'inxeniería, la mecánica de suelos ye l'aplicación de les lleis de la física y les ciencies naturales a los problemes qu'arreyen les cargues impuestes a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia foi fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925.

Toles obres d'inxeniería civil sofítense sobre'l suelu quiera que non, y munches d'elles, amás, utilicen la tierra como elementu de construcción pa terremplénes, diques y rellenos polo xeneral; polo que, arriendes d'ello, la so estabilidá y comportamientu funcional y estéticu van tar determinaos, ente otros factores, pol desempeñu del material d'asientu asitiáu dientro de les fondures d'influencia de los esfuercios que se xeneren, o pol del suelu utilizáu pa conformar los rellenos.

Si devasar les llendes de la capacidá resistente del suelu o si, entá ensin llegar a ellos, les deformaciones son considerables, pueden producise esfuercios secundarios nos miembros estructurales, quiciabes non tomaos en considerancia nel diseñu, productores de la mesma de deformaciones importantes, fisuras, resquiebros, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos estremos, el colapsu de la obra o la so inutilización y abandonu.

Arriendes d'ello, les condiciones del suelu como elementu de sustentación y construcción y les del cimientu como dispositivu de transición ente aquel y la supraestructura, han de ser siempres reparaes, anque esto faiga en proyeutos pequeños fundaos sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y esperiencies locales, y en proyeutos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al traviés d'una correuta investigación de mecánica de suelos.

Xénesis y composición de suelos

Xénesis

El mecanismu primariu de creación de suelos ye la erosión de roques. Tolos tipos de roques (ígnees, metamórfiques y sedimentaries) pueden ser amenorgaes a partícules menores pa crear suelu. Los mecanismos d'erosión dependen del axente, pudiendo ser físicu, químicu y biolóxicu. Les actividaes humanes como les escavaciones, esplosiones y deposición de residuos y material pueden crear tamién suelos. A lo llargo del tiempu xeolóxicu los suelos pueden ser alteriaos por presión y temperatura hasta convertise en roques metamórfiques o sedimentaries, o volver ser fundíos y solidificados, volviendo ser ígneos y cerrando el ciclu de les roques.

La erosión física inclúi los efeutos de la temperatura, xelaes, agua, vientu, impautu y otros mecanismos. La erosión química inclúi la disolución del compuestu de la roca y la precipitación en forma d'otru mineral. La magre, por casu, puede formase al traviés de la erosión del feldespatu, que ye unu de los minerales más comunes de les roques ígnees. El mineral más común de l'arena ye'l cuarzu, que ye tamién un componente importante de les roques ígnees y llámase-y Óxidu de siliciu (IV). En resume tolos suelos del mundu son partícules más pequeñes provenientes de les roques. Les partícules más grandes son denominaes graves. Si les graves partir en partes más pequeñes pueden convertise en arena, d'esta al llimu y d'este a la magre, que ye la división más pequeña.

Acordies con el Sistema Unificáu de Clasificación de Suelos, les partícules limosas tienen un rangu de tamaños ente los 0,002 mm a los 0,075 mm y les partícules de sable tienen un tamañu ente 0,075 mm a 4,75 mm. Les partícules de graves considerar ente un rangu que va de los 4,75 mm a los 76,2 mm y percima d'esto denominar roques.

Tresporte

Exemplu d'horizontes del suelu a) coluvión y suelu más altu b) suelu residual maduru c) suelu residual nuevu d) roca erosionada.

Los depósitos de suelu tán afeutaos pol mecanismu del tresporte y la deposición hasta la so llocalización. Los suelos que nun fueron tresportaos sinón que provienen de la roca madre que subyace per debaxo d'éstos denominar suelos residuales. El granitu descompuestu ye un exemplu común de suelu residual. Los mecanismos más comunes del tresporte son l'aición de la gravedá, xelu, vientu y agua. Los procesos eólicos inclúin les dunes de sable y los loess. L'agua tresporta les partícules en función del so tamañu y la velocidá de les agües, d'ende la distribución granulométrica qu'apaecen en munchos ríos en función del puntu onde se tome la muestra. Xeneralmente'l magre y el llimu atropar nes zones más lentes del ríu, o en llagos y banzaos, ente que los sables y graves atropar nel llechu de los ríos. La erosión de los glaciares ye capaz de mover grandes bloques de piedra y partilos nel so camín escontra la desaguada. La gravedá tamién ye capaz de tresportar grandes cantidaes de materiales dende'l visu de los montes a los valles. A estos depósitos formaos nes faldes de los montes denominar coluvión. El mecanismu del tresporte tamién afecta a la forma de les partícules, por casu, les partícules de los ríos suelen ser arredondiaes y los coluviones suelen presentar quebres fresques.

Composición del suelu

Mineraloxía del suelo

Magres, llimos, arenes y graves tán clasificaos pol so tamañu, pero eso pueden consistir nuna gran variedá de minerales. Por cuenta de la estabilidá del cuarzu al respective de otres roques minerales, ye'l material constituyente más común de l'arena y el llimu. Mica y feldespatu son otros minerales comunes presentes en sables y llimos. Los minerales constituyentes de graves suelen ser bien similares a los de la roca madre.

Los minerales más comunes nes magres son la montmorillonita, la esmectita, la ilita y la kaolinita. Estos minerales tienden a formar estructures en placa con un rangu ente $10^{-7}m$ y $4x10^{-6}m$ y un rangu de groseces ente $10^{-9}m$ y $2x10^{-6}m$ , y tienen una superficie específica relativamente grande. La superficie específica ye definida pol ratio d'área superficial de partícules ente la masa de la partícules. Los minerales del magre tienen un rangu de superficie específica de 10 a 1.000 metros cuadraos por gramu. Esto fai que los magres tengan unes propiedaes químiques y electrostáticas dafechu distintes a la d'otros materiales.

Los minerales de los suelos tán predominantemente formaos por átomos d'osíxenu, siliciu, hidróxenu y aluminiu, entamaos en formes cristalines. Estos elementos xunto col calciu, sodiu, potasiu, magnesiu y carbonu constitúin más del 99 per cientu de la masa sólido de La Tierra.

Rellación masa-suelo

Una diagrama de fase de suelu indicando la mases y volúmenes del aire, sólidu, líquidu y buecos.

Hai una gran variedá de parámetros^[1] usaos pa describir les proporciones relatives d'aire, agua y sólidos nun suelu. Esta seición define estos parámetros y dalgunes de les sos interrellaciones. La notación básica sería:

$V_{a}$ , $V_{w}$ , and $V_{s}$ representa'l volume d'aire, agua y sólidos nun amiestu de suelos;

$W_{a}$ , $W_{w}$ , and $W_{s}$ representa'l pesu del aire, agua y sólidos nun amiestu de sólidos;

$M_{a}$ , $M_{w}$ , and $Ms$ representa la masa del aire, agua y sólidos nel amiestu de sólidos;

$\rho _{a}$ , $\rho _{w}$ , and $\rho _{s}$ representa les densidaes de los constituyentes (aire, agua y sólidos) nun amiestu de suelu;

Nótese que'l pesu, W, pue ser llográu multiplicando la masa, M, pola aceleración de la gravedá, g, e.g., $W_{s}=M_{s}g$

Gravedá específica ye'l ratio ente la densidá del material y la densidá de l'agua puro ( $\rho _{w}=1g/cm^{3}$ ).

Gravedá específica de sólidos, $G_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}$

Nótese que les unidaes de pesu convencionales $\gamma$ pueden ser llograes multiplicando la densidá $\rho$ pola aceleración debida a la gravedá, $g$ .

Densidá o Densidá húmeda $\rho$ , son los nomes distintos que se-y da a la densidá del amiestu, ye dicir el total d'aire, agua y sólidu estremáu pol volume d'agua, aire y sólidos. (la masa del aire averar a cero pa propósitos práuticos):

\rho ={\frac {M_{s}+M_{w}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{t}}{V_{t}}}

Densidá seca, $\rho _{d}$ , ye la masa de sólidos estremada pol volume total d'aire, agua y sólidos:

\rho _{d}={\frac {M_{s}}{V_{s}+V_{w}+V_{a}}}={\frac {M_{s}}{V_{t}}}

Densidá de flotación, o Densidá somorguiada $\rho '$ , defínese como la densidá del amiestu menos la densidá de l'agua, lo cual ye útil en suelos somorguiaos:

\rho '=\rho \ -\rho _{w}

onde $\rho _{w}$ ye la densidá de l'agua

Conteníu n'agua o Mugor, $w$ ye'l ratio de masa d'agua al respective de la masa de sólidu. Ye bono de midir yá que ye'l cociente ente la muestra natural y la muestra ensugada al fornu y pesada de nuevu. El procedimientu ta estandarizado pola ASTM.

w={\frac {M_{w}}{M_{s}}}={\frac {W_{w}}{W_{s}}}

Índiz de buecos, $y$ , o rellación de vacíos, ye'l rangu de volume de buecos pol volume de sólidos:

y={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {n}{1-n}}

Porosidá, $n$ , ye'l ratio ente'l volume de buecos y el volume total, y ta rellacionáu col índiz de buecos:

n={\frac {V_{v}}{V_{t}}}={\frac {V_{v}}{V_{s}+V_{v}}}={\frac {y}{1+y}}

Grau de saturación, $S$ , ratio ente'l volume d'agua y el volume de buecos, asina una muestra S=1 va tar dafechu húmeda y nun va almitir más agua:

S={\frac {V_{w}}{V_{v}}}

De les definiciones de riba pueden derivase les siguientes:

\rho ={\frac {(G_{s}+Se)\rho _{w}}{1+y}}

\rho ={\frac {(1+w)G_{s}\rho _{w}}{1+y}}

w={\frac {Sy}{G_{s}}}

Tensión efeutivo y capilaridad: condiciones hidrostátiques

Esquema del aparatu usáu pa efeutuar la prueba direuta de resistencia al esfuerciu cortante. Na actualidá esta prueba viose movida poles pruebes de compresión triaxial

Pa entender la mecánica de suelos ye necesariu entender cómo actúen les tensiones normal y efeutivu ente les distintes fases. Nin la fase líquida nin la gaseosa apurren resistencia significativa a tensión cortante. La resistencia de cortante del suelu provién del resfregón y el bloquéu internu de les partícules. El resfregón depende de les tensiones de contautu ente les partícules sólides. Per otru llau, les tensiones normales distribuyir por tol fluyíu y les partícules. Anque los poros d'aire son relativamente compresibles, pero los poros llenos d'agua non polo qu'en casu d'esfuerciu normal les partícules van reordenase distribuyendo tola tensión polos fluyíos, xuntando entá más les partícules.

El principiu de tensión efeutivo, introducida por Karl Terzaghi, determina que la tensión efeutivo σ', esto ye, la tensión medio intergranular ente partícules sólides pue ser calculada por una simple resta de la presión de los poros de la presión total:

\sigma '=\sigma -o\,

onde σ ye la tensión total y o ye la presión del poru. Nun ye práuticu midir σ' direutamente, asina que na práutica la tensión vertical efeutiva calcular a partir de la presión de los poros y la tensión total vertical. La distinción ente los términos de presión y tensión ye tamién importante. Por definición, la presión nun puntu ye igual en toles direiciones pero la tensión d'un puntu puede ser distinta en distintes direiciones. En mecánica de suelos, les tensiones y presiones de compresión considérense positives y les presiones de tensión considérense negatives, a la inversa de la convención utilizada en mecánica de sólidos.

Presión total

Pa condiciones a nivel de suelu, la presión vertical total nun puntu, $\sigma _{v}$ , en permediu, ye'l pesu de tolo que quede percima de dichu puntu per unidá d'área. La tensión vertical so una capa superficial uniforme con densidá $\rho$ , y grosez $H$ ye pol exemplu:

\sigma _{v}=\rho gH=\gamma H

onde $g$ ye la acelaración debida a la gravedá, y $\gamma$ na unidá de masa de la capa cimera. Si hai delles capes enriba de distintes densidaes o capes d'agua puede llograse el valor total sumando'l productu de toles capes. La tensión total aumenta cola medría de la fondura en proporción a les densidaes de les capes cimeres. Pa calcular la tensión total horizontal tiense qu'allegar a otres fórmules, basada na tensión vertical.

Presión de poros d'agua

Condiciones hidrostátiques

Si nun hubiera fluxu d'agua ente los poros, la presión de los poros d'agua sería hidrostática. La tabla d'agua o nivel freáticu ta asitiada a la fondura onde la presión d'agua ye igual a la presión atmosférica. Pa condiciones hidrostátiques, la presión d'agua aumenta linealmente cola fondura per debaxo del freáticu.

o=\rho _{w}gz_{w}

onde $\rho _{w}$ ye la densidá de l'agua, y $z_{w}$ ye la fondura per debaxo del nivel freáticu.

Aición capilar

Por cuenta de la tensión superficial l'agua puede xubir por aciu los pequeños buecos que se producen nel suelu. D'esta forma l'agua puede xubir percima de la tabla d'agua polos pequeñu poros ente les partícules de suelu. De fechu el suelu puede enchese dafechu percima de la tabla d'agua. Percima del altor de saturación capilar, el conteníu d'agua nel suelu puede menguar cola cota. Si l'agua na zona capilar nun se ta moviendo, la presión de l'agua obliga al equilibriu de la ecuación hidrostática, $o=\rho _{w}gz_{w}$ , sicasí $z_{w}$ ye negativa percima del nivel freáticu. Poro, les presiones hidrostátiques de l'agua percima del nivel freáticu son negatives. La grosez de la zona de capilaridad depende del tamañu de les partícules del suelu, pero xeneralmente, los altores pueden variar ente centímetros (pa un suelu arenosu) a decenes de metros (pa un suelu magrizu o limoso)

Fuercia de contautu intergranular, debida a la tensión superficial.

Clasificación del suelu

Los inxenieros geotécnicos clasifiquen los tipos de partícules del suelu en función de dellos esperimentos (ensugáu, pasu por tamizes y moldiáu). Estos esperimentos apurren la información necesaria sobre les carauterístiques de los granos del suelu que los componen. Hai que dicir que la clasificación de los tipos de granos presentes nel suelu nun apurre información sobre la "estructura" o "fábrica" del suelu, condiciones que describen la compacidad de les partícules y el patrón na disposición de les partícules nuna zona de carga tanto como'l tamañu del poru o la distribución de fluyíu nos poros. Los inxenieros xeolóxicos tamién clasifiquen el suelu en función de la so xénesis o'l so historial d'estratificación. La clasificación más común ye la S.O.C.S.

Clasificación de los granos del suelu

N'Estaos Xuníos y otros países usa'l Sistema Unificáu de Clasificación de Suelos (Unified Soil Classification System o USCS). En Reinu Xuníu emplégase la Norma British Standard BS5390 y tamién ye bien conocida la clasificación del suelu de l'AASHTO. N'España úsase la clasificación del PG-3 pa obres de carreteres.^[2]

Clasificación de sables y graves

Nel USCS, graves (que tienen el símbolu G) y arenes (col símbolu S) tán clasificaes d'alcuerdu al tamañu del granu y la so distribución. Pal USCS, les graves pueden ser clasificaes por GW (grava bien gradada), GP (grava ruinamente gradada), GM (grava con una gran cantidá de llimu), o GC (grava con una importante cantidá de magre). Igualmente los sables pueden ser clasificaes como SW, SP, SM o SC. Arenas y graves con una pequeña pero importante cantidá de finos (ente'l 5% y 12%) pueden tener una clasificación doble, como por casu SW-SC.

Llendes de Atterberg

Magres y llimos, dacuando llamaos "suelos de finos", son clasificaos en función de les sos llendes de Atterberg; los más usaos son la Llende Líquida (denotado por LL o $w_{l}$ ), Llende Plástica (denotado por PL o $w_{p}$ ), y la llende de retraición (denotado por SL). La llende de retraición correspuende al conteníu d'agua per debaxo del cual el suelu non se retrae si ensúgase.

La llende líquida y la llende plástica tán arbitrariamente determinaos pola tradición y convenciones. La llende líquida determinar midiendo'l conteníu n'agua d'una cuyar zarrada dempués de 25 golpes nun test estandarizado.^[3] Tamién puede determinase por aciu un test de cayida nun conu. La llende plástica ye'l conteníu d'agua per debaxo del cual nun ye posible moldiar cilindros cola mano menores de 3 milímetros. El suelu tiende a quebrase o desfacer si baxa esi mugor.

L'índiz de plasticidad ye la diferencia ente la llende líquida y la llende plástica del estractu de suelu. Ye un indicador de cuanta agua puede absorber el suelu.

Clasificación de llimos y magres

Gráfica pa clasificar suelos finos pol sistema USCS.

Acordies con el Sistema Unificáu de Clasificación de Suelos, los llimos y magres tán clasificaos en función de los valores del so índiz de plasticidad y llende líquida nuna gráfica de plasticidad. La llinia A de la gráfica dixebra los magres (C) de los llimos (M). La llende líquida de 50% dixebra los suelos d'alta plasticidad (añader la lletra H) de los de baxa plasticidad (añader la lletra L). Otres posibles clasificaciones de llimos y magres tán daes por ML, CL y MH. Si les llendes de Atterberg cayen nun puntu de la gráfica cercanu al orixe pueden recibir una clasificación dual 'CL-ML'.

Índices relativos a la resistencia del suelu

Índiz de lliquidez

Los efeutos del conteníu de l'agua na resistencia de los suelos enchíos pue ser cuantificada pol usu del índiz de lliquidez o lleche:

LI={\frac {w-PL}{LL-PL}}

Densidá relativa

La densidá de sables (suelos ensin cohesión) ta carauterizada dacuando pola so densidá relativa, $D_{r}$

D_{r}={\frac {y_{max}-y}{y_{max}-y_{min}}}100\%

Roca y suelu

Los términos roca y suelu, nes acepciones en que son utilizaos pol inxenieru civil y a diferencia del conceutu xeolóxicu que supón roca a tolos elementos constitutivos de la corteza terrestre, impliquen una clara diferencia ente dos tipos de materiales.

La roca ye considerada como un agregáu natural de partícules minerales xuníes por aciu grandes fuercies cohesives. Y llámase roca a tou material que suponga una alta resistencia, y suelu, contrariamente, a tou elementu natural compuestu de corpúsculos minerales xebrables per medios mecánicos de poca intensidá, como son el baturiciu n'agua y la presión de los deos de la mano.

Pa estremar un suelu d'una roca puede faese usu d'un vasu de precipitáu con agua nel que s'introduz la muestra a clasificar y ximiélgase. La desintegración del material al cabu del tiempu conduz al calificativu de suelu, considerándose roca nel casu d'efeutos contrarios. Per mediu de la compresión puede establecese una frontera numbérica; si'l material ruempe a menos de 14 kg/cm² tómase como suelu, significándose que tal llende ye arbitrariu y que, n'ocasiones, muestres que superen nel llaboratoriu'l supradicho esfuerciu son remanaes colos criterios de suelu.

Col pasu del tiempu y por cuenta de fenómenos de meteorización, la roca va perdiendo progresivamente la so resistencia mecánica y tresfórmase en suelu.

Métodos de prospección de suelos

Un estudiu de mecánica de suelos tien de llevanos a llograr un conxuntu de datos que nos dexe tener una meyor idea alrodiu de les carauterístiques que presenta'l suelu onde vamos construyir. Falando d'eses carauterístiques lo qu'un inxenieru civil o'l proyeutista rique son les propiedaes físiques del sosuelu, pa esto deben de tomar muestres del suelu les cualos van ser llevaes a un llaboratoriu onde una persona preparada na tema reportáranos los datos que precisamos. Esisten dos tipos de sondeos los preliminares y los definitivos.

Pruebes índiz nos suelos parcialmente enchíos, enchíos y secos Conteníu de mugor W%=W_W/W_S *100 Rellación de vacíos y=V_V/V_S Porosidá n%=V_V/V_M

100

Pesu específicu o volumétrico γ=W/V Grau de saturación Gw%=V_W/V_V *100 Densidá de sólidos Ss=W_S/(V_S γ_W )

Ver tamién

Referencies

Universidá Nacional De Colombia. Mecánica de los suelos (2002). .

↑ Universidá de Wisconsin. «Propiedad de los suelos na inxeniería».
↑ Xunta d'Andalucía. «Instrucción pal diseñu de firmes pa carreteres n'Andalucía».
↑ Classification of Soils for Engineering Purposes: Annual Book of ASTM Standards. D 2487-83. 04.08. American Society for Testing and Materials. 1985. páxs. 395–408. http://www.astm.org/Standards/D2487.htm

Ing. Goku de Ballenita Escuela Cimera Politéunica de Montañita. Escuela de posgráu de Dr. en Surfologia.

[1] Universidá de Wisconsin. «Propiedad de los suelos na inxeniería».

[2] Xunta d'Andalucía. «Instrucción pal diseñu de firmes pa carreteres n'Andalucía».

[ASTMclass-3] Classification of Soils for Engineering Purposes: Annual Book of ASTM Standards. D 2487-83. 04.08. American Society for Testing and Materials. 1985. páxs. 395–408. http://www.astm.org/Standards/D2487.htm

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