Geotecnia Aplicada a Ductos Apuntes

GEOTECNIA
1.-
APLICADA A DUCTOS
LA GEOLOGÍA FRENTE A LA CIENCIA DE LA TIERRA.
Los geólogos-ingenieros han sido primordialmente geólogos. Se ha definido la
Geología como la ciencia que trata del origen, historia y estructura de la Tierra tal
como aparecen registradas en las rocas y de las fuerzas y procesos que actúan
modificando éstas.
El examen de los textos de Geología muestran que las materias que analizan el
objeto principal de la discusión son las rocas y los minerales, incluidas las aguas
subterráneas y las fuerzas que actúan sobre ellos. El objeto final de su examen es
la exploración del interminable historial de acontecimientos geológicos que
contienen las rocas.
2.-
LA GEOLOGÍA INGENIERIL FRENTE A LA GEOLOGÍA
La Geología ingenieril puede definirse como la rama del saber humano que utiliza
la información geológica, en combinación con la práctica y la experiencia, para
auxiliar al ingeniero en la solución de problemas en los que tal conocimiento
pueda aplicarse. La diferencia entre la Geología ingenieril y la Geología reside en
el alcance de sus estudios e investigaciones. Las actividades ingenieriles no
abarcan sino un alcance de no más de 100 metros. Por consiguiente, las
actividades ingenieriles y como consecuencia, la posible necesidad de consulta
geológica se concentra en una capa relativamente delgada, si se compara con los
16 a 32 Km. De la corteza terrestre, que se considera accesible a los estudios
geológicos.
Los estudios geológicos corrientes afectan, por lo general, a áreas extensas; como
consecuencia, la información que se suministran en mapas geológicos puede
resultar demasiado general para los objetivos ingenieriles y no pone de manifiesto
las circunstancias geológicas locales con el detalle que necesita el ingeniero.
Con anterioridad al proyecto de cada estructura importante se concentran
investigaciones de geología ingenieril, que afectan al emplazamiento de la
estructura y consisten en la exploración directa del subsuelo mediante
perforaciones del-terreno o bien en la practica de excavaciones. Se analizan los
resultados y se redactan los informes geológicos. Lo que al ingeniero le interesa
conocer, en general, es si determinado factor constructivo de la corteza terrestre roca o suelo, bien en su estado natural, bien tras un proceso de reforma, encaja en
1
su programa constructivo y si no es así, desea saber si es posible hacerlo encajar y
como puede conseguirse.
De escaso valor profesional son para él las clasificaciones complejas de las rocas
y la historia de la Tierra, aunque personalmente puedan interesarle en gran
medida.
3.-
LA GEOLOGÍA INGENIERIL FRENTE A LA GEOTECNIA
Conforme se fue ampliando el campo de la Geología aplicada a la Ingeniería,
resulto gradualmente más evidente que los descubrimientos y deducciones del
geólogo deberían traducirse en aplicaciones y términos prácticos. Esta traducción
exige que el geólogo esté en posesión de nociones substanciales de ingeniería ya
no tan superficiales. Así es como los geólogos que colaboraban con ingenieros
comprendieron que la sola información geológica no era suficiente. Ejemplo
notable de esta insuficiencia constituye la falta total de información geológica en
proyectos de fundaciones de estructuras en suelos. Sólo las estructuras más
pesadas, tales como presas de mampostería, algunos pilares de grandes puentes e
instalaciones de tipo subterráneo se llevan hasta apoyar en roca viva; las restantes
estructuras, que de echo constituyen la mayoría, se apoyan en los materiales que
componen suelos cuando la roca no se encuentra aflorante o no se alcanza
cómodamente desde la superficie.
Mientras que en las obras de geología no se encuentra la más mínima alusión
respecto al comportamiento de los suelos sujetos a cargas, los ingenieros, no
solamente han adquirido la suficiente práctica acerca de estas materias, sino que
han elaborado las bases teóricas para el establecimiento de una nueva ciencia de la
Tierra, la Mecánica de Suelos, útil auxiliar en el proyecto y construcción de
estructuras en general, en 10 referente a su relación con los materiales que forman
la corteza terrestre.
4.-
ROCAS Y MINERALES
Una construcción de ingeniería consta de superestructura y subestructura. La
ultima transmite el peso de la estructura y de las cargas súper impuestas al
basamento o parte infrayente de La corteza terrestre. En este caso resulta más
exacta su designación como material de basamento. También se emplea el término
cimiento para la subestructura o parte más baja de la misma. Se aplica el vocablo
fundación para aquellas partes de la de subestructura que esta en contacto directo
con el material del basamento subyacente. Para proyectar y construir la
superestructura es necesario tener conocimiento de las propiedades de los
materiales que se han de emplear. Correspondientemente, para cualificar los
2
materiales de basamento al objeto de un proyecto de superestructura es necesario
conocer las propiedades de las rocas y suelos que lo constituyen. Conocimiento
que tiene importancia especial para el geólogo ingenieril, pero también es de la
incumbencia
y es responsabilidad
del ingeniero la comprensión
del
comportamiento de las rocas y suelos que constituyen los materiales de
basamento.
El conocimiento de las propiedades de rocas y suelos es asimismo de gran valor
cuando
la totalidad
de la estructura
ingenieril
ha de construirse
predominantemente en materiales naturales, como es el caso de presas, duetos.
Los geólogos suelen aplicar el término roca a todos los elementos constitutivos de
la corteza terrestre. Sin embargo, seguiremos la costumbre corriente en ingeniería,
de subdividir estos constituyentes en rocas y suelos. Para el ingeniero y para el
geólogo ingenieril (geotécnico), son rocas los materiales naturales duros y
compactos de la corteza terrestre y suelos los materiales de ellos derivados.
4.1. MINERALES
Identificación de minerales
Las rocas se componen de minerales. Un mineral es una sustancia
inorgánica natural de composición química y estructura definidas. La
apariencia externa de un mineral bien cristalizado corresponde a su
estructura atómica. Sin embargo en los minerales criptocristalinos o en los
redondeados, la manifestación cristalina no es muestra de una estructura
interna correcta. Lo mismo puede decirse de los minerales amorfos.
En la práctica ingenieril general se identifican las rocas y los minerales
mediante métodos megascópicos, es decir, a simple vista o con una lupa de
escasos aumentos. Los minerales y rocas complejos pueden exigir, para su
identificación correcta, el empleo de métodos analíticos.
Propiedades físicas de los minerales.
Las propiedades más importantes de los minerales constituyentes de las
rocas son los siguientes:
Color y Raya. Es fácil para una visión normal reconocer el color de un
mineral; sin embargo, existen tablas de colores patrones para la serie tipo de
colores que se emplea en la identificación de las rocas. Con el objeto de no
ser inducido a error por una' superficie meteorizada o por una coloración
3
secundaria procedente de impurezas tales como el hierro, el investigador
deberá exponer una superficie fresca. Cuando se emplee el color en la
identificación, debe tenerse en cuenta que algunos minerales ofrecen una
amplia gama de colorido.
Dureza. La dureza de un mineral se expresa por un número que le
corresponde por comparación con la escala de Mohs. Cada uno de los
minerales que figuran en la lista puede rayar a los de número ordinal más
bajo y sólo puede ser rayado por los de número ordinal más alto.
ESCALA MOHS DE DUREZA
Mineral tipo
Talco
Yeso
Calcita
Fluorita
Apatito
Ortoza
Cuarzo
Topacio
Corindon
Diamante
Dureza D
1
2
3
Método de identificación
aproximado
Marca los tejidos
Puede ser arañado por la uña
Puede ser rayado por una moneda de cobre
4
5
6
7
8
Puede ser rayado por un cortaplumas
Araña los cristales de la ventana
No se deja rayar por una lima de acero
9
Raya la mayor parte de los metales pero no
al diamante
Raya cualquier material pero no a otros
diamantes
10
Crucero y fractura. Si un mineral se golpea con un objeto agudo, se rompe a
10 largo de determinado plano cristalográfico (plano de crucero), el cual es
paralelo a la cara del cristal. Por 10 general la cara del crucero constituye
una superficie completamente lisa que parece estar pulimentada. Puede ser
determinada sosteniendo el mineral con respecto a la luz de manera tal que
ésta refleje en las caras del crucero como en espejos. Si un mineral posee
más de uno de estos cruceros, el ángulo entre dos caras del crucero puede
medirse, de manera sólo aproximada.
La superficie resultante de la fractura de un mineral será irregular y no
guardará relación con las caras cristalinas.
del mineral. A manudo, solo
expertos pueden distinguir entre fractura y auténtico crucero. Los tipos de
fractura se denominan corrientemente concoidal, semejante a una superficie
suave, cóncava o convexa; Desigual, superficie áspera, irregular, con
salientes angulosos y redondeados; Astillosa, término que no necesita
4
descripción y mellada, superficie irregular de tipo peculiar que asemeja la
extremidad de una varilla de acero rota por compresión.
Tenacidad. La capacidad de un mineral para resistir aplastamiento, desgarre
o flexión se denomina tenacidad. A este respecto los minerales se pueden
clasificar: quebradizos, que saltan en fragmentos y son fáciles de pulverizar;
maleables, que pueden trabajarse con un martillo hasta reducirlos a láminas
delgadas; sectil, que puede cortarse en láminas delgadas con una navaja;
dúctil, susceptible de ser estirado en forma de hilo; Flexible, que puede ser
doblado, pero no recupera su forma original y elástica, que puede doblarse,
pero vuelve a su forma original cuando cesa la acción de la fuerza.
Forma cristalina. Excepto los minerales amorfos, todos los demás tienen
forma especifica de un cristal, limitada por varias o muchas caras y
pertenece a un sistema cristalográfico determinado, el cual se caracteriza por
sus ejes cristalográficos.
Prisma
hexagonal
101
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Peso específico o densidad. El peso específico de un mineral o roca es la
relación existente entre la masa de determinado volumen del mismo y la
masa de un volumen de agua a la temperatura de 4°C. Para identificaciones
rápidas y poco exactas, preliminares, se puede evaluar a grosso modo la
densidad sopesando el mineral o roca, haciéndolo saltar sobre la palma de la
mano. Por ejemplo el plomo y. el grafito.
5
La mayor parte de los minerales ofrecen cierta apariencia
característica a la luz reflejada. El brillo puede ser metálico, no metálico o
submetálico. Los brillos no metálicos pueden describirse como: vítreo, con
apariencia de vidrio; Grasos, con aspecto graso o aceitoso; diamantino, con
brillo seco tan corriente como los diamantes; perlado, con aspecto
iridiscente de las perlas; sedoso, muy semejante al matiz de la seda y
resinoso, con aspecto de resina.
Brillo.
Capacidad de transmisión de la luz. Un mineral es transparente si a su
través se puede ver objetos claramente; translúcido, si transmite la luz pero
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no permite ver los objetos a su través y opaco, si la luz no se transmite a
) través del mineral o de sus aristas más finas.
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Minerales que forman las rocas
Los minerales son los elementos constitutivos de las rocas. Cuando los
minerales se clasifican de acuerdo a la composición química, pueden
dividirse en silicatos, óxidos, carbonatos y sulfatos.
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El agua de los minerales puede ser atraída (adsorbida) o aparecer ligada
químicamente a la sustancia mineral. El agua adsorbida queda adherida a la
superficie de la partícula mineral y solo en raros casos entra en su interior.
Puede ser eliminada por evaporación. El agua estructural forma parte de la
estructura del mineral y solo puede eliminarse mediante su descomposición.
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Como ejemplo de silicatos encontramos a cuarzo que es sílice cristalino
puro. La presencia de hierro, incrementa la densidad del mineral. El brillo es
metálico y submetálico. Estos minerales son importantes en la minería, pero
rara vez se encuentran en cimentaciones.
Los silicatos se dividen en hídricos (que contienen hidrógeno y oxigeno en
las fórmulas químicas), o anhidros (sin agua) Los anhidros más frecuentes
pertenecen al grupo de los feldespatos. Estos se dividen corrientemente en
feldespatos de ortoclasa - microclino o potásicos y feldespatos de
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plagioclasa o sódicos - cálcicos. Sometidos a la acción del agua portadora
1" de dióxido de carbono, los feldespatos se alteran y pasan a minerales
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las rocas ígneas exige la capacidad de distinguir entre la presencia de
ortoclasa y plagioclasa. Muy a menudo la diferencia entre ambas solo puede
determinarse con certidumbre mediante el empleo del microscopio.
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Las micas se reconocen fácilmente por ~as delgadas hojas o laminas,
flexibles y translucidas que se dividen con facilidad. En los suelos aparecen
en forma de pequeñas escamas brillantes. Bajo los agentes de
6
meteorización, la biotita (mica negra), se altera más rápidamente que la
mica blanca. Una roca que contenga mucha mica es de dudoso valor como
objeto de cimentación o zanja profunda. La fácil exfoliación de las rocas
que contienen mica puede tener como consecuencia su rápido deterioro,
especialmente si la roca se ha puesto de manifiesto a la luz del día
recientemente.
Los silicatos hídricos incluyen la serpentina, clorita, talco, ilita y caolinita.
El mineral serpentina constituye una roca del mismo nombre, la cual ofrece
una variedad de aspectos y matices aunque generalmente en tonalidades
verdes. Puede ser dura y competente, pero también puede ser blanda, grasa y
peligrosa en construcción. Cuando se encuentre en zanjas profundas debe
mirarse con desconfianza, puesto que puede alterarse rápidamente y pasar
de ser un material competente a blando e incompetente.
Las cloritas corrientes en pizarras, son también verdes pero no tan inseguras
en la construcción.
Dentro del grupo de silicatos, el cuarzo es el más importante y corresponde
a la forma cristalina de la sílice. Los cristales grandes de cuarzo se
identifican con facilidad macroscópicamente, puesto que tienen la forma de
prismas hexagonales apuntados por pirámides de seis caras en ambas
extremidades.
Los minerales del grupo de las arcillas.
El ingeniero y el geólogo deben ponerse en guardia Siempre que se
encuentren arcillas en un terreno destinado a percibir cimentaciones o
apertura de zanjas, la experiencia ha demostrado que en algunas
circunstancias, acontecen fenómenos imprevisibles. La investigación de los
minerales del grupo de las arcillas, ha suministrado pruebas, sin embargo,
de que se podía haber hecho alguna predicción acerca de las propiedades de
las arcillas en beneficio de los ingenieros. La identificación concreta de los
minerales de las arcillas, tal como la requieren los trabajos importantes de
ingeniería, exige el empleo de complejos métodos analíticos.
Los minerales de las arcillas son silicatos hídricos de alúmina y
ocasionalmente, silicatos hídricos de magnesio y hierro. Son cristalinos,
salvo raras excepciones.
En la práctica ingenieril es frecuente describir las arcillas como compuestos
de partículas, aunque realmente, las partículas son diminutas laminas o
copos. Como ocurren en todas las sustancias cristalinas, los átomos de estos
copos aparecen ordenados en unidades, en este caso láminas.
7
En los minerales de las arcillas estas laminas son de dos variedades: laminas
de sílice y laminas de alúmina, la primera esta constituida por tetraedros
formando un enrejado mineral, la segunda se compone de unidades de dos
filas; la estructura enrejada de los minerales de arcilla constituye la base
esencial de su clasificación en caolinita~ montmorillontas e ilitas.
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Las caolinitas forman arcillas muy estables a causa de su estructura
inexpandible, se opone a la introducción de agua en sus retículos y por
consiguiente a su efecto desestabilizador. Además cuando están húmedas no
son sino moderadamente plásticas y tienden a poseer un coeficiente de
fricción interna mayor que cualquier otro mineral arcilloso.
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constituidas por una lámina octaédrica de alúmina entre dos laminas
tetraédricas de sílice. La ligazón entre las dos láminas es más bien laxa, por
lo que el mineral resulta inestable, especialmente en presencia de agua. De
hecho, las moléculas de agua atraídas se insertan con facilidad entre ellas
causando expansión o hinchamiento. Así humedecidas poseen una gran
plasticidad y un bajo coeficiente de fricción interna. Cuando esta en proceso
de desecación queda sometida a gran contracción y agrietamiento. Las
características de dilatación es objeto de preocupación en ingeniería. Si se
apoyan estructuras en tales arcillas pueden experimentar luego alzamientos
y daños. Los taludes tanto naturales como artificiales, están sujetos a
deslizamientos y fluencia en tiempo húmedo. Pero también por sus
8
I
propiedades de dilatación puede servir para impedir fugas en depósitos y
canales.
Las illitas tienen una estructura similar a las anteriores, salvo algunos
cambios en la composición química, mientras que las montmorillonitas son
extremadamente finas, las illitas forman agregados. Tal estructura expone
una superficie menor a la atracción el agua, lo que presupone que la
expansión de las illitas es menor que la de las montmorillonitas, tiene
coeficientes de fricción más altos.
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4.2
ROCAS
Clasificación
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de las rocas
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El vocablo roca tal como se emplea en Geología ingenieril, designa una
masa de material natural, de semidura a dura, compuesta de uno o varios
minerales. Las rocas se constituyeron y se siguen constituyendo de varias
maneras; por enfriamiento del magma, es decir el fluido caliente que
procede de profundidades considerables bajo la superficie de la tierra; por
precipitación de materia inorgánica contenida en las aguas; por deposición
de conchas de diversos organismos; por condensación de un gas que
contenga partículas minerales; por desintegración de otras rocas y
consiguiente recombinación de los minerales resultantes y por acción de
intenso calor o presión, actuando separado o por consumo sobre topos de
rocas preexistentes.
Los geólogos han clasificado a las rocas terrestres, de acuerdo con sus
orígenes, en tres grupos principales: ígneas, sedimentarias y metamórficas,
todas las rocas pueden clasificarse correctamente en sus grupos respectivos.
Sin embargo esta agrupación no nos suministra ninguna idea, o muy
escasas, acerca de las propiedades ingenieriles de una roca determinada.
Los ingenieros necesitan una clasificación de las rocas basada en sus
propiedades ingenieriles y tal clasificación no existe, o se encuentra en su
infancia. El mejor método para designar una roca de acuerdo con los
objetivos ingenieriles consiste, por ahora, en la modificación de las
clasificaciones existentes mediante una adjetivación descriptiva al nombre
de la roca. De esta manera se mantiene una imagen verbal del estado de la
roca: por ejemplo: granito completamente descompuesto con cohesión
parcial. Tales adjetivos deberían mencionar también la estructura primaria,
composición mineral, el grado y naturaleza de las alteraciones, las
características estructurales ' de fortaleza o debilidad, los efectos
9
debilitadores de la meteorización, los procesos persistentes que puedan
causar otros cambios y las características de la superficie.
Textura, estructura, trama.
La terminología es aplicada más hacia las rocas ígneas, pero puede ser
aplicada también en la descripción de las rocas sedimentarias y
metamórficas.
La textura de una roca es la ordenación de sus granos o partículas tal como
se aprecia en una fractura reciente. Por ejemplo cuando una roca tiene
cristales grandes, fácilmente apreciables a simple vista, es de textura basta o
grano basto y se dice que tiene una textura fenérica. Si los granos no se
pueden apreciar a simple vista se dice que la roca tiene una textura afanítica.
Si ofrece algunos cristales grandes en una matriz afanítica, es un pórfido.
En las rocas sedimentarias la contrapartida de los pórfidos la constituyen los
conglomerados, constituidos por cantos o gravas de grano basto embebidos
en una matriz más fina de arena o arcilla, las rocas sedimentarias de grano
medio constituidas por granos visibles a simple vista' (areniscas) son la
contrapartida de las faneritas ígneas. Las rocas sedimentarias de grano muy
fino (limolita) son las equivalentes, por su textura, a las rocas afanitas
ígneas.
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La estructura puede expresarse como una ordenación relativa de diversas
características especiales de las rocas, tanto en las de pequeño orden
(microscópicas), como de as de orden mayor (macroscópicas), la existencia
de cavidades en una roca puede ser característica de su estructura. Por
estructura vesicular se puede designar a la existencia de pequeños huecos o
vesículas, repartidos en toda la roca ígnea. Cavidades más grandes se llaman
vacuolas o geodas, que por lo general están rellenas o cubiertas por un
material diferente a la roca. Una característica estructural macroscópica es
su adiaclasamiento o crucero. Diaclasas son fisuras que corren en diversas
direcciones. Por lo general, constituyen un sistema más o menos ordenado y
tienden a cuartear la roca en cubos o bloques de formas regulares.
La trama designa el esquema espacial de las partículas de la roca y en tal
concepto abarcamos el de los tamaños de los granos y relaciones entre ellos,
como los de la forma de los mismos, orientación, microfracturación,
acoplamiento y entrelazamiento.
10
Rocas ígneas
Se han formado en la superficie de la tierra o a diversas profundidades, las
que se han formado a grandes profundidades se presentan en contravetas de
profundo asiento, batolitos, chimeneas y lacalitas. Estos términos se refieren
a los diferentes tipos de intrusiones magmáticas en la corteza terrestre. Por
lo general estas rocas constituyen un excelente apoyo para la construcción,
de hecho la alteración de sus minerales puede reducir considerablemente su
fortaleza.
Las rocas representativas de esta categoría son los granitos, granodioritas,
pegmatitas, manzanitas, sienitas. El más representativo constituye el
granito, compuesto por feldespato, cuarzo y mica. Es una roca de alta
resistencia, pero la presencia del feldespato le hace muy proclive a perder su
alta resistencia por la alteración del mismo.
Como un ejemplo de rocas ígneas formadas a profundidad moderada se
puede nombrar las diabasas. Es una roca muy resistente, muy apropiada para
carreteras y pavimentos.
Las rocas volcánicas se forman en la superficie o muy proxnnas a ella.
Pueden ser duras y competentes, o bien aparecer interestratificadas con
materiales volcánicos incoherentes tales como tobas, cenizas e incluso
arenas. Estos materiales sueltos y disgregados, pueden ocasionar
dificultades para la construcción de túneles, grandes perdidas en los
embalses y taludes inestables.
Una roca representativa es la andesita, de tonos oscuros, muy competente
como soporte para construcción. También en este grupo se pueden nombras
los basaltos, riolitas y traquitas. La piedra pómez es una de las rocas
volcánicas vítreas, pero esta dotada de textura pétrea o térrea, con falta
absoluta de cristales, es muy vesicular o esponjosa y su peso especifico
consecuentemente bajo, como material de construcción es dudoso.
Los materiales no coherentes que lanzan los volcanes se denominan cenizas,
sí los materiales que lanzan los volcanes son de gran tamaño se denominan
bombas. Sí los materiales independientes de las cenizas quedan soldados o
aglomerados, se forman las tobas.
Rocas sedimentarias
Cuando los productos de la desintegración y descomposición de cualquier
tipo de roca son transportados, se vuelven a depositar y consolidan o
cimentan total o parcialmente, para constituir de este modo un nuevo tipo de
11
roca, se clasifica el material resultante como una roca sedimentaria. Los
depósitos abandonados por la acción sedimentaria se suelen reconocer por
su estructura en lechos o capas (estratificadas), en oposición a la estructura
generalmente compacta o masiva de las rocas ígneas. También es usual que
se encuentren plantas y animales fósiles en las rocas sedimentarias. La
designación general de sedimentos se aplica comúnmente a depósitos
procedentes de acción de aguas, viento o glaciales.
Los minerales, fragmentos de rocas o restos orgánicos que constituyen una
roca sedimentaria se denominan componentes. La roca esta constituida por
partículas o granos formados por estos componentes. Los tamaños, y, a
veces, la distribución de estas partículas constituye la base para la
clasificación de las rocas sedimentarias. Conforme avanza la erosión de una
masa de roca por acción de los agentes atmosféricos o químicos, va siendo
gradualmente destruida y los fragmentos varían mucho por lo que a sus
tamaños se refieren. Los diversos tamaños de granos encontrados en las
rocas sedimentarias son en orden descendente, bolos, cantos, gravas, arenas,
limos y arcillas.
TAMAÑO DE FRAGMENTOS Y GRANOS Y ROCAS
SEDIMENT ARIAS CORRESPONDIENTES
Material
Clasificación unificada
por granos
Bolos
Cantos
Gravas
Arenas
Limos
Arcillas
12 pulgadas
3-12 pulgadas
1j.¡-3pulgadas
0,074 mm -Ij.¡ pulgada
menor de 0.074 mm
menor de 0.074 mm
Roca
de bolos
de cantos
conglomerado
aremsca
limolita
arcillolita
Rocas metamórficas
Las rocas formadas como consecuencia de recristalizaciones completas o
incompletas (cambios en la forma de los cristales o en su composición) de
rocas ígneas o sedimentarias debido a influencia de agentes tales como
temperaturas elevadas, altas presiones e intensos esfuerzos cortantes,
obrando conjuntamente o por separado, son las rocas metamórficas.
La existencia de estructuras laminares o foliáseas en rocas, indica que los
principales agentes que han' intervenido en su formación son intensos
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esfuerzos cortantes. Aquellas rocas que se han formado sin estar sujetas a la
acción de intensos esfuerzos cortantes ofrecen una estructura masiva.
CLASIFICACIÓN
Estructura y textura
Masiva,
Fajeada,
constituida
por
lentejones alternantes.
Granular.
Constituida
por granos en su mayor
parte equidimencionales
Foliada o lajosa.
5.-
PROPIEDADES
DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS
Composición
Nombre de la roca
Diversos
minerales Gneis
tubulares, prismáticos y
granulares
Calcita, dolomia, cuarzo Mármol o cuarcita.
en partículas pequeñas.
Diversos
minerales Pizarras. Serpentina.
tubulares, prismáticos y Pizarras satinadas.
granulares ..
INGENIERILES
DE LAS ROCAS
Las piedras y las rocas que sustentan los pesos de estructuras, o cualquier otra
carga, están sujetas a deslizamientos y si se hallan sometidas a un exceso de carga,
pueden experimentar daños. Los posibles efectos de las cargas sobre rocas y
piedras dependen de las propiedades fisicas de estos materiales, que deberían ser
conocidos por los proyectistas.
PESO, POROSIDAD Y ABSORCIÓN.
Peso Específico.
Al tratar cualquier clase de material, incluidas las rocas, es necesario saber su peso
unitario expresado en libras por pie cúbico o en toneladas por metro cúbico. El
peso unitario de una roca depende del peso especifico (densidad) de sus elementos
constituyentes.
Porosidad.
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o r fr/e, 'A +CJ
x: (al) (ele. J
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La porosidad de una roca es la relación existente entre el volumen de huecos
(poros) y el volumen total de la muestra.
Algunos estudios han demostrado que existe una relación concreta entre la
porosidad y la densidad de una roca y su origen.
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13
Absorción.
El agua que llena los poros de una muestra de roca inmergida puede quedar
atraída por la roca o bien quedar libre, es decir sujeta a atracción.
Cuando se sumerge en agua una muestra de roca no absorbe tanta cantidad como
lo permitiría su capacidad teórica, ya que durante la inmersión una parte del aire
existente en la muestra es aprisionada por el agua, así es como el agua se ve
imposibilitada de llenar determinado porcentaje de poros. En el caso de la arcilla
contenida en el interior de los poros, esta se dilata al contacto con el agua y de
este modo actúa como un tapón que previene contra el avance e la misma.
6.-
DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS EN LA NATURALEZA
Fracturas en las rocas.
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-7
QJ.::
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Cualquier discontinuidad de origen secundario en la masa de una roca puede
definirse como fractura, independientemente de su orden de dimensiones. Puesto
que las deformaciones son originadas por la acción de las fuerzas, es evidente que
la fracturación se debe a esfuerzos que son mayores que los que pueden soportar
las rocas a ellos sometidos.
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11'\.;'-\.-<:A.A
r-o C_1A
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Cuando tenemos una serie de fracturas, más o menos continuas, que parecen
disponerse según esquemas definidos, pueden definirse como cruceros o juntas. Si
las masas de roca a cada lado de la fractura, muestran que ha habido
/
desplazamiento a lo largo del plano de fractura, entonces se clasifica al plano
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como falla. Tales desplazamientos pueden ser de alcance apenas apreciable, o de
. varios cientos de metros o incluso de varios kilómetros en extensión. Cuando nos
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C1YI encontramos en presencia de varias fallas, muy próximas unas de otras y más o
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menos paralelas una de otras, a la zona de roca quebrada se denomina zona de
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A los esfuerzos de tensión hay que atribuirles la mayoría de las fracturas de
superior categoría o sea las fallas o cruceros. En la mayor parte de los casos estas
fuerzas tensionales son la resultante de una disminución de volumen (contracción)
debido a enfriamiento, perdida de humedad de la roca o a ambas causas.
Plegamiento en las rocas.
Ambas fuerzas vertical y horizontal, actuantes en la superficie terrestre producen
deformaciones de las masas pétreas que se denominan pliegues. Algunos de
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entre ellos se forman cuando las rocas son dobladas o plegadas por los empujes
o esfuerzos verticales originados por las fuerzas magmáticas.
Estas fuerzas deforman y estiran la roca correspondiente a un estiramiento o
alargamiento de la superficie terrestre. Si hay esfuerzos horizontales que actúan
sobre el lecho de roca, pueden producir pliegues de abombamiento de los
estratos, mediante acortamiento de la superficie original. Si la roca sometida a
esfuerzos reacciona como un fluido viscoso se producen pliegues de fluencia. Si
el estrato o lecho contiene numerosos planos verticales de separación que
originan disposición tabular, con espaciamiento apretado, puede acabar siendo
un pliegue por resbalamiento.
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El tipo más sencillo entre pliegues de doblamiento es el monoclinal. Tales
pliegues se encuentran con frecuencia en regiones de escaso relieve topográfico,
constituidas por capas o lechos casi horizontales. Si el pliegue tiene un
abombamiento hacia arriba es un anticlinal y si es hacia abajo se denomina un
anticlinal.
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la acción de esfuerzos cortantes horizontales que son consecuencia de la acción
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de alguna fuerza tensil de orden mayor en actuante en estratos o niveles más
altos de la corteza terrestre, tal como una tensión general, de contracción.
Fallas.
La roca puede aparecer fracturada prácticamente a lo largo de un plano; de aquí
la denominación de plano de falla, aunque en la realidad ninguna superficie de
falla es auténticamente plana.
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Las masas de roca que se sitúan por encima del plano de falla están o se sitúan al
techo de la misma y las que se sitúan por debajo están al muro de ella. En los
casos del fracturamiento a lo largo de la superficie de falla, la ruptura es por
cizallamiento.
Localización de fallas sobre el terreno.
El primer paso para la localización de una falla sobre el terreno consiste en el
examen de la superficie. Si se sospecha que la falla puede estar oculta bajo una
leve cobertura de suelo, debería procederse a ponerla de manifiesto mediante un
tanteo realizado por zanjas y calicatas. Por lo general, es más fácil reconocer las
fallas en las rocas estratigráficas por la transposición o salto que experimentan
los estratos.
7.-
FORMACIÓN DE SUELOS Y SU EMPLEO EN LA INGENIERÍA.
Es raro que al ingeniero de construcciones le incumban profundidades superiores
a los 90 o 100 metros por debajo de la superficie del terreno; la practica habitual
se limita, generalmente, a una profundidad de 15 a 20 metros como máximo. La
mayor parte de las construcciones ingenieriles se construyen sobre suelos, según
el significado que a esta palabra se da en Geología ingenieril. La excavación en
las rocas subyacentes a los suelos suele ser necesaria solamente, para la
cimentación y basamento de grandes construcciones tales como puentes de gran
categoría o presas de hormigón. Las pistas de aviación, carreteras, oleoductos,
estaciones, se construyen sobre suelos, aunque ha sido necesaria la excavación
16
de profundas trincheras en rocas para paso de canales y para las modernas vías
modernas, autopistas libres o de peaje. El ingeniero debería saber de qué clase
son los materiales que descansan sobre las rocas profundas y cuáles son las
formas que adoptan en su distribución por la superficie.
8.-
PROCESOS DE DESTRUCCIÓN DE LAS ROCAS.
8.1.Procesos que actúan sobre la superficie terrestre.
8.1.1.
Formas del terreno.
Un elemento morfológico puede definirse como una porción de la
superficie terráquea que difiere, por su forma u otras
características de su estructura, de las que le rodean. Montañas,
valles, llanuras e incluso pantanos y marismas son elementos
morfológicos.
Los diversos procesos que continuamente actúan sobre la
superficie de la tierra son el aplanamiento del relieve, el
diastrofismo y el vulcanismo. La gradación es la demolición de
los elementos morfológicos existentes. La erosión, por ejemplo,
es un caso particular del arrasamiento llevado a cabo por la acción
del agua, aire o hielo. Diastrofismo es un término que se emplea
para designar los procesos según los cuales determinadas
porciones sólidas de la tierra, por 10 general grandes, se mueven
unas con respecto a las otras. El vulcanismo se refiere a la acción
que ejercen las rocas fundidas tanto en el interior como en la
superficie de la tierra. Con la excepción del vulcanismo y a veces
la erosión, estos procesos pueden necesitar cientos, e incluso
millones de años, para alterar la faz de la tierra en grado
trascendente.
La repentina erupción de un volcán con la consiguiente efusión de
roca y ceniza puede cambiar bruscamente el aspecto de una
porción de la tierra casi de la noche a la mañana.
Mientras que un elemento morfológico es solamente una
característica del modelado de la superficie terráquea, una
formación es una determinada secuencia o apilamiento natural de
lechos o estratos constituidos por materiales que ofrecen
características semejantes y a la que se puede denominar de
acuerdo a la localidad ubicada en ella. La forma en que se
disponen los materiales en la formación se definen según ciertos
17
términos geológicos. Estratificación, es un vocablo que expresa
que los materiales se disponen según lechos limitados por planos
aproximadamente paralelos que los separan unos de otros.
8.1.2.
Productos de destrucción
de las rocas.
Suelos residuales y suelos transportado.
Los productos de destrucción de las rocas están esparcidos por
toda la superficie del Globo. La concentración abundante de tales
productos en áreas más bien reducidas puede observarse en las
regiones montañosas, denominadas de geología joven o de formas
juveniles. Esta frase expresa que los procesos de destrucción
todavía se completan a ritmo considerablemente rápido.
Si se desciende por un sendero de montaña, desde un pico, se
aprecia que la cuesta es muy empinada en el primer tramo,
próxima a la cumbre, pero pierde gradualmente inclinación, hasta
que a gran distancia dl pico, a veces muchos kilómetros de
distancia, el gradiente del sendero se vuelve muy suave.
Consecuentemente, en la vecindad de la cumbre encontramos el
roqueo grueso, grandes bloques, esparcidos por el suelo, algo más
abajo en la ladera, los bloques aparecen mezclados con bolos; por
debajo de estas cotas, solo bolos, o bien estos mezclados con
cantos y gravas; aun más abajo las gravas aparecen mezcladas con
arena, y más allá sólo hay depósitos de arena.
En este caso particular los productos de la destrucción de la roca
han sido arrastrados pendiente abajo por las aguas, las cuales van
perdiendo gradualmente su velocidad y su capacidad de transporte
conforme disminuye el gradiente de la pendiente.
Meteorización.
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En los casos en que la composición o estructura de las rocas
resulte alterada en la proximidad de la superficie terráquea, o en
la superficie misma, como consecuencia de la acción de los
agentes fisicos y químicos que intervienen o como resultado de
los procesos atmosféricos, se dice que la roca ha quedado
meteorizada. Los agentes atmosféricos de acción primordial son
el aire y el agua.
18
Los procesos de meteorización se dividen en aquellos que
originan desintegración y aquellos que causan descomposición.
La desintegración comprende las meteorizaciones de las rocas por
agentes fisicos tales como: cambios periódicos de temperatura,
congelación o fusión y efectos fisicos de las plantas y animales
sobre las rocas. La descomposición se refiere a los cambios
producidos por agentes químicos tales como: oxidación,
hidratación, carbonatación y efectos químicos de la vegetación.
Desin tegración.
La desintegración de las rocas por efectos térmicos ocurre por la
repetición alternante de calentamiento y enfriamiento debido a los
cambios de temperatura diurnos o estacionales. Tal tipo de
destrucción resulta especialmente evidente en los desiertos, donde
los días son cálidos y las noches frías. La roca cede
primordialmente por fatiga, a causa de la continua inversión de
los esfuerzos de tensión y compresión que originan en ella los
cambios de temperatura.
Descomposición.
Los diversos procesos que contribuyen a la descomposición de
una roca son de naturaleza química. El de oxidación implica que
habido adición de iones de oxigeno al mineral que la compone;
las rocas que contienen hierro por ejemplo, son muy propensas a
la oxidación.
El de reducción por lo contrario, se realiza cuando se extraen
iones de oxigeno de los minerales de las rocas. El cambio de color
de algunas rocas se suele atribuir a los procesos de oxidación y
reducción.
La hidratación corresponde habitualmente a la adición de agua a
los minerales. El agua así añadida es de estructura y debería
prestarse atención a su diferenciación del tipo de agua que
promueve procesos de desintegración. La carbonatación es la
disolución del material de la roca que contiene una porción
considerable de dióxido de carbono. Puede ser importante la
perdida especialmente en áreas de calizas.
Los ácidos orgánicos que se desarrollan donde hay vegetación en
descomposición, tienden a incrementar el poder de disolución de
las aguas naturales.
19
La manera según la cual las rocas quedan destruidas por los
procesos de meteorización depende en gran parte del clima. Las
rocas se meteorizan predominantemente por: Descomposición, en
climas cálidos y húmedos, desintegración, en climas cálidos y
secos, combinación de ambos procesos, descomposición y
desintegración, en climas templados y por expansión del agua
helada, causante de desintegración en los denominados climas
secos y fríos.
El viento es un agente de meteorización atmosférico muy
importante. El viento no solo transporta materiales de roca
meteorizada de uno a otro sitio, sino que también propende a
erosionar las rocas existentes.
La eliminación de materiales de la superficie terrestre mediante la
acción de transporte por el viento se llama deflación y la erosión
eólica, como corrosión y abrasión.
9.
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FORMACIÓN DE VALLES.
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Como consecuencia de las irregularidades topográficas, las aguas que
transcurren por la superficie crean en primer ligar arroyuelos, los cuales
aumentan gradualmente su caudal. En las estaciones lluviosas estos arroyuelos
se transforman en torrentes y estos últimos transportan a menudo grandes
cantidades de agua que se mueve a gran velocidad y de esta manera excava por
erosión profundas gargantas y cañones. Con el tiempo las irregulares
depresiones del terreno así formadas se convierten en valles con laderas suaves.
Como consecuencia de la prolongada y continua acción de las aguas
superficiales de escorrentía, la erosión contribuye durante todo el periodo de
duración de la vida del valle a su crecimiento y ampliación. Su alargamiento se
completa, en su mayor parte, por erosión en la zona de su cabecera, o sea por la
destrucción de masas de roca y suelo aguas arriba, en su parte alta.
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Esta accion de retroceso de la cabecera va acompañada por la destrucción
gradual de las grandes pendientes de las laderas encajantes y por el transporte,
aguas abajo del material de erosión.
Al mismo tiempo que ensancha y alarga su cauce, en retroceso, el arroyo,
torrente o curso de agua, profundiza también él cause, en desgaste hacia abajo,
por lo menos localmente. Con el transcurso del tiempo el piso del valle llegará a
profundizar hasta el nivel de aguas subterráneas. En tal caso las reservas
hidráulicas del curso de agua dependerán no solamente de las escorrentías y
aportaciones en el área de drenaje, sino también de las contribuciones aportadas
por el agua subterránea. De esta manera se forman los cursos de aguas
permanentes, que fluyen tanto durante las estaciones secas como en las húmedas.
9.1.Ciclo de erosión del valle.
Un río que discurre a lo largo de un valle erosiona los materiales
constituyentes del lecho y como consecuencia de las escorrentías
tributarias, contribuye indirectamente a la erosión de los muros encajantes
del valle.
Los materiales así originados son transportados bajo forma e os
denominados sedimentos y quedan, finalmente, depositados. Los ríos y los
21
valles alo largo de los cuales transcurren pueden ser juveniles, maduros y
viejos. A cada una de estas etapas de la vida de un río o valle corresponden
cambios graduales en su perfil longitudinal, su corte transversal y su
trazado o curso. En su etapa juvenil él cause es irregular, contiene rápidos,
cascadas e incluso lagos, como consecuencia de las obstrucciones locales y
su corte transversal tiende a la forma de "y". Conforme avanza la erosión,
el río alcanza la madures. Desaparecen gradualmente las irregularidades y
adquiere la forma de una curva suavemente sinusoidal, los flancos son más
tendidos que durante su juventud y a menudo aparecen cubiertos por
taludes.
Inundaciones periódicas contribuyen al ensanchamiento gradual del valle
hasta que, en su senectud, este llega a convertirse en una amplia
penillanura (casi una llanura).
9.2.Erosión regional.
La erosión afecta a una región entera en la que los ríos son los principales
agentes erosivos. El esquema del torrente se compone entonces de los
cursos de agua principales y sus tributarios. En el caso de un río
considerado aisladamente, la región de que se trate pasa también por las
etapas de juventud, madures y senectud y sin embargo, los diferentes
cursos de agua pueden afectar diversas etapas de su vida, distintas las unas
de las otras. Por ejemplo un curso de agua tributario puede ser juvenil,
mientras que el curso mayor al que fluye puede haber alcanzado ya su
madurez.
9.3. Valles anegados y valles rejuvenecidos.
La corteza terráquea no conserva una elevación constante, sino que, de
manera ocasional, se alza o deprime localmente. Tales cambios de nivel,
cuando ocurren en la proximidad de los mares u océanos, puede traer
como consecuencia la formación de valles anegados, que quedan
sumergidos bajo el nivel del mar.
Una elevación local puede incrementar la gradiente del valle y como
consecuencia la velocidad del curso de agua, con la consiguiente
intensificación del proceso erOSIVO.Tal fenómeno se denomina
rejuvenecimiento del río.
9.4. Terrazas fluviales.
Las terrazas son superficies más o menos horizontales comprendidas entre
taludes.
22
Son diversas las maneras según las cuales pueden formarse las terrazas,
especialmente las fluviales. Un corrimiento de tierras puede originar una
terraza. Un río ancho, con una planicie de aluviones en su extremidad baja,
puede formar un nuevo cauce en los depósitos antiguos. En un curso
meandriforme pudiera ser que ensanche su cauce mayor, hasta que las
terrazas llegasen a ser los únicos restos de la más vieja y más alta llamada
aluvial. Muchas terrazas aluviales se formaron al finalizar las épocas
glaciales.
La importancia de las terrazas fluviales es considerable,
para el trazado de carreteras, ferrocarriles, duetos, etc.
especialmente
9.S.Cauces mayores y deltas.
Los depósitos de los cursos de agua reciben la denominación general de
aluviales o aluviones. La deposición se debe primordialmente, a la
reducción de la velocidad de las aguas portadoras del sedimento. Esto
ocurre, por ejemplo, cuando el curso de agua alcanza la llanura o planicie
correspondiente a un cause mayor, que es la parte amplia y tendida del
valle que queda sujeta a inundaciones cuando el río o torrente en casos de
aportes excepcionales de agua, tales como lluvias torrenciales.
La velocidad del agua que fluye por un cauce mayor es máxima en el
cauce normal y mínimo en las márgenes de la planicie.
La reducción de la velocidad tiene como consecuencia la deposición de
arenas en las márgenes de la llanura. Igualmente se origina una reducción
de la velocidad y la consiguiente deposición de sedimento el agua de un
curso hidráulico alcanza el nivel de base normal del océano o de cualquier
masa de agua donde desemboque. Ello es causa que la carga sedimentaria
transportada caiga al fondo.
Si el agua de la cuenca contiene sales, tales como cloruro de calcio o de
sodio, las partículas de arcilla floculan y precipitan. Estos depósitos
forman una figura baste semejante a un triángulo, es decir similar a la letra
griega !:l, cuyo vértice apunta hacia aguas arriba, razón por lo que a estos
depósitos se los denomina deltas.
23
10.
SUELOS y DEPOSITOS EOLICOS
Loes.
Los suelos eólicos, o aerotransportados, pueden subdividirse en dos grupos:
suelos de loes, tales como loes primarios y secundarios y las arenas que
constituyen dunas. Los loes pueden ser de origen glacial o de origen desértico.
Los loes primarios son aquellos materiales arrastrados por los vientos que
todavía permanecen en la misma localidad en que fueron depositados
originalmente y que han experimentado poca o ninguna descomposición
química. Los loes secundarios son los que luego de su deposición inicial han
sido transportados a distancias cortas por las aguas o por otros medios o han
experimentado
transformación
química profunda, sin que haya habido
prácticamente cambio de ubicación.
Elementos constitutivos
de los loes.
Los loes primarios contienen un alto porcentaje de materiales del tamaño de
grano de los limos y ofrecen clasificación por clases o tamaños bastante
deficientes. Los loes secundarios se componen en su mayor parte de partículas
del tamaño de las arcillas.
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Propiedades de los loes.
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En la naturaleza los depósitos de loes son de espesores muy variados y se han
encontrado lechos de un espesor de hasta 65 metros. Son muy porosos.
La plasticidad del material es muy escasa o moderada. Su permeabilidad es
mayor en dirección vertical que horizontal, como consecuencia de largos tubos
verticales. En la mayor parte de los suelos la permeabilidad horizontal es mayor
que la vertical.
Si se humedece un suelo de loes, sometido a carga, se consolida más
rápidamente. Esta propiedad se denomina hidroconsolidación. Pero se puede dar
la condición de que por adición de agua, se lubriquen las arcillas y los granos de
limo resbalen los unos sobre los otros, lo cual produce el asentamiento de las
construcciones.
Problemas de ingeniería en las zonas de loes.
Como consecuencia de las características de hidroconsolidación, él loes puede
constituir un material peligroso, si llega a ponerse en contacto con el agua,
especialmente cuando los materiales se ponen en contacto con el agua, pues se
24
pueden producir asientos espectaculares por el humedecimiento o la apertura de
canales permanentes. Si una excavación o canal comienza a presentar fugas de
agua, forman éstas caminos dentro de la masa del loes y avanzan y se ensanchan
progresivamente, de manera irregular, hasta que el terreno falla.
Dunas de arena.
La arena desagregada y suelta que los vientos barren en las llanuras es, por lo
general, transportada por ellos a baja altura, cerca de la superficie del suelo y si
en su movimiento queda retenida por algún obstáculo, se deposita en forma de
dunas.
La altura de las dunas de arena se extiende desde unos pocos metros a 60 ó 100
metros. La vertiente expuesta al viento es suave y forma unos 5° a 12° con
respecto a la horizontal. La vertiente protegida es aguda y su ángulo se acerca a
los 34°.
El material de las dunas de arena es muy uniforme y se compone corrientemente,
de pequeños fragmentos de cuarzo con algo de mica. Las partículas menores de
0.15 mm fluctúan entre 2 y el 15 %.
Problemas de ingeniería que plantean las dunas.
La estabilización de arenas vivas es un problema de orden mayor en la
construcción y mantenimiento, especialmente en carreteras y ferrocarriles. Se
puede plantear el problema de la presencia de arenas movedizas que pueden
quedar tapadas por las dunas no teniendo estabilidad para procesos
constructivos.
La excavación de trincheras en zonas de arenas movedizas constituyen
atrapaderos y deberían evitarse.
La escorrentía superficial es extremadamente reducida como consecuencia de la
gran capacidad de absorción de las arenas.
11.
SUELOS ALUVIALES
Suelos aluviales.
Los suelos de erosión arrastrados por las aguas y depositados luego son suelos
aluviales. Los depósitos aluviales son heterogéneos, no es raro encontrar un
lecho de arcillas aluviales de varios metros de longitud, aunque pueda ser
bastante estrecho y de escasos metros de espesor. Puede encontrarse lechos de
25
gravas y arenas, más bien uniformes, de dimensiones considerables, y aunque
pudiera encontrase inclusiones lentejonares de arenas en lechos de grava, y
viceversa, estos depósitos, son en conjunto, bastante continuos.
Además de constituir terrazas en el valle mismo, la deposición de aluviones
puede acontecer también en llanuras, que de este modo constituyen depósitos
bastante tendidos. Las grandes llanuras no son necesariamente continuas, sino
que pueden estar interrumpidas por colinas aisladas y valles ocasionales.
Depósitos de aluvión en ingeniería.
Los depósitos aluviales constituyen, por lo general, un excelente suministro de
materiales gruesos de construcción, tales como áridos para hormigón o
materiales permeables para drenajes.
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Ciénagas, pantanos y turberas.
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Las ciénagas son áreas de terrenos húmedos o empapados de agua hasta la
saturación o la casi saturación, pero que, por lo general, no están enteramente
cubiertas por las aguas. Están rellenas de material vegetal en descomposición,
compuesta de diferentes variedades de herbáceas de plantas que son típicas de
las zonas pantanosas.
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Es dificil establecer las diferencias entre ciénagas y pantanos, a este último se ha
propuesto que se defina como terreno orgánico.
El terreno orgánico pantanoso puede clasificarse bien de acuerdo con su
esquema de distribución o con arreglo a sus características topográficas. Desde
el punto de vista de cobertura, estos terrenos pueden ser de especies madereras o
no.
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La clasificación topográfica del terreno orgánico establece diversos tipos, desde
montículos, lomas y llanuras de suelo de gravera, hasta picos, mesetas y
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diferentes tipos de estanques o lagunas empantanadas. Todos estos tipos pueden
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El material de suelos en terreno orgánico es, por lo general, CIeno negro en
diversas etapas de descomposición, cohesivo cuando esta seco, es decir que
deshace en terrones.
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Turba.
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Es una masa de restos de plantas en las que el proceso de humicación sé esta
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26
En el primer caso la turba es fibrosa y de color pardo oscuro. En la última etapa
la turba es una sustancia negra, blanda o viscosa, en que no se reconoce
prácticamente estructura alguna.
Si la turba es anegada por agua que acarree en suspención material de suelos, la
materia vegetal resultará muy íntimamente unida, o interestratificada, con el
suelo. Estas mezclas de suelo y turba se designan erróneamente, como turba. Si
una mezcla de este tipo tiene composición y caracteres bastante uniformes y no
se distinguen los ingredientes vegetales sueltos, el material se debe clasificar
como arcilla orgánica.
El contenido natural de humedad del material turbero es de varios cientos por
ciento del peso seco y la turba en algunos casos alcanza la cifra de mil por
ciento. Cuando la turba se seca al aire para su empleo como combustible, su
contenido de humedad queda reducido a 30-40 % y hay una contracción de un
60%.
Problemas de ingeniería en las zonas cenagosas.
Las cualidades de sustentación de aquellos materiales que pueden clasificarse
como terrenos orgánicos son muy reducidas y solo pueden edificarse sobre ellos
construcciones de tipo muy ligero. Tal es el caso de las carreteras construidas
sobre troncos, aunque actualmente se ha generalizado la utilización de
geomembranas.
Es recomendable la práctica de un drenaje con anterioridad a la construcción,
con el objeto de disminuir el contenido de humedad e incrementar la resistencia
a los esfuerzos cortantes en el material.
Es preferible la construcción de terraplenes a las trincheras y debería evitarse la
construcción de cunetas profundas, puesto que ponen en peligro la contención
lateral del suelo.
Arrecifes.
Se encuentran alrededor de muchas islas tropicales y subtropicales del océano
Pacifico y del mar Caribe. Los atolones son arrecifes discontinuos, anulares que
encierran en su interior laguna más o menos perfectamente circulares.
El arrecife se compone de una masa central cementada, la mayor parte de las
veces perforada por cavidades, flanqueada por un talud con su pendiente dirigida
hacia el mar y además, por una laguna rellena de sedimentos en dirección a tierra
y por corales y nuliporos en proceso de crecimiento en la parte superior y en lo
27
alto de la pendiente que mira al mar. Los materiales de interés desde el punto de
vista de ingeniería son: el coral, que puede ser utilizado en afirmado de
carreteras y para hormigones; Caliza y cascajo.
12.
ELEMENTOS DE MECANICA DE SUELOS.
Las diversas clases de suelos que se forman en la superficie terráquea cambia
continuamente a distintos ritmos y dan lugar a veces a nuevas variedades como
consecuencia de factores intrínsecos, tales como las propiedades heredadas por
el suelo de los materiales a que debe su origen. Factores de ambiente,
característicos de la localidad en que se ha situado el suelo a lo largo de la
historia geológica.
En los factores ambientales queda involucrada la geología de la localidad o área
en que enclavan, lo que incluye el alzamiento o hundimiento en masa del
terreno, o su carga y descarga mediante procesos aluviales y de sedimentación,
la hidrología y, de manera especial las circunstancias locales de escorrentía; la
flora y la fauna o restos de vida vegetal y animal y particularmente sus
componentes básicos; temperatura y humedad.
Corte de suelos.
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Para el ingeniero, el corte de suelos consiste en una sección transversal de un _~~
depósito real de suelos desde la superficie del terreno hasta aquella profundidad
que considere interesante para sus objetivos. Si dicho corte alcanza hasta el nivel
de la roca subyacente, se emplea a veces la denominación de corte geológico.
Desde el punto pedológico, constituye un corte de suelos la combinación de los
nuevos suelos que se forman de manera gradual a partir de suelos originales,
junto con estos últimos, que finalmente alcanzan su madurez.
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Humedad de los suelos.
Las propiedades de los suelos aparecen afectadas de manera esencial por el agua
de absorción que contengan. Un tipo especial de agua de absorción lo constituye
las aguas capilares, que se desplaza en general de los suelos húmedos a los
suelos secos, cuando ambos materiales están en contacto. El movimiento capilar
dentro del terreno en su estado natural comienza a partir de una superficie de
aguas libres, las cuales generalmente se desplazan en sentido vertical
ascendente, aunque puedan moverse en una dirección cualquiera..
e{)CfC-l175'((}~
(oV\ +--fAt-cc_
e,
L-v.
En arcillas, el agua puede elevarse lentamente hasta alturas considerables, de 15
a 20 metros. En arenas el agua capilar se traslada sólo algunos centímetros, pero
lo hace muy rápidamente.
28
(~t;,,,)
W_
En una auténtica masa de tierra no existen canales rectos, pero el agua capilar
correa través de una intrincada red de poros.
Cuando la humedad capilar invade un suelo, seco y en polvo, las partículas
retenidas con firmeza unas contara las otras por una fuerza omnipresente de
compresión. Esta es la presión capilar. Cuando más finos los poros, tanto mayor
es la fuerza de atracción del menisco y por tanto mayor la presión capilar, dicho
de otro modo, cuando más delgadas son las películas capilares que rodean las
partículas de suelo, tanto más intensa es la presión capilar.
Determinación del contenido de humedad.
Se seca al aire libre la muestra obtenida en el terreno, o bien, para acelerar el
proceso, se seca en una estufa a 100 "C hasta que su peso se mantenga constante,
suele ser suficiente con 4 horas. La muestra se pesa antes y después del secado y
el peso de la humedad eliminada se expresa en porcentaje del peso en seco. Con
este método, en los suelos queda sin eliminar la humedad estructural de los
suelos o sea la que va ligada a la fórmula química.
En las investigaciones de suelos, sobre el propio terreno se identifican aquéllos
como; secos, húmedos, empapados y saturados. En la práctica estos grados se
aprecian visualmente y a veces por el tacto. Son características que no tienen
correlación matemática definida con respecto a los valores numéricos del
contenido de humedad de los diferentes suelos; por ejemplo que esta a menudo
saturada cuando tiene un contenido de humedad de 16 %, más o menos, mientas
que una arcilla, con ese contenido de humedad se la puede considerar como seca.
Tamaño de las partículas de los suelos.
Es de uso corriente expresar el tamaño de las partículas del suelo en medidas
métricas, por 10 general en milímetros. El tamaño de las partículas muy finas se
expresa en micras (u),
Los rérminos partícula y grano se usan a menudo indistintamente, aunque hay
tendencia a reservar el término grano para las arenas; las arcillas y materiales
análogos se suelen reconocer como suelos de grano fino. Debería establecerse,
sin embargo, una patente distinción entre los términos arena, arcilla y limo,
considerados como tamaños de las partículas y los mismos vocablos cuando se
emplean para designar los suelos correspondientes. Aplicados en este último
sentido pueden ser y lo son generalmente mezclas de elementos de esos tamaños
y pueden o no ser plásticas.
29
Graduación y análisis mecánico. En los suelos bien graduados, las partículas más
finas tienden a encajar entre las partículas bastas, con lo que reduce a un mínimo
la cantidad de huecos. Los suelos en que todas las partículas son prácticamente
del mismo tamaño se denominan por lo general, uniformes; aunque por
definición sean de graduación pobre. También, si en la serie de tamaños, desde
el máximo al mínimo, hay algunos que faltan o son superabundantes, el suelo se
considera como de pobre gradación.
El objeto del análisis mecánico es la separacion de partículas del suelo en
fracciones, de tal manera que cada fracción contenga granos o partículas del
mismo tamaño aproximado. El material de suelo se pasa primero por a través de
un juego de tamices y suelen usarse para ello os tipos patrones de los Estados
Unidos. El suelo que pasa a través de un tamiz se designa por el número de éste
precedido por la voz menos. Así, el material de menos de 40 ha pasado a través
del tamiz No. 40.
El número de un tamiz expresa el número de mallas por pulgada del tejido. Los
tamices pueden componerse de aberturas redondas o cuadradas, de modo que
cuando se practica un análisis de tamiz debería expresarse el tipo de tamiz y la
forma de las aberturas. También es preferible pasar el material a través del tamiz
con agua, en vez de efectuar la misma operación en seco. Lo que se computa es
la proporción (porcentaje) en peso, en relación al de la totalidad de la muestra
ensayada, que pasa a través de cada tamiz del juego. Siempre hay alguna
pequeña pérdida de material en el tamizado. Por consiguiente es aconsejable
pesar la muestra antes del ensayo y comparar después con el peso total del
material pasado a través y el retenido en los tamices.
Análisis húmedos. Se usan hidrómetros para separar las partículas que son más
finas de 0,074 mm. (tamaños menos de 200).
Curvas de gradación. Los resultados de un análisis mecánico pueden
representarse gráficamente en forma de una curva de gradación o curva de
distribución de tamaños. En las abscisas se llevan los diámetros de las partículas
de acuerdo a una escala logarítmica y en las ordenadas correspondientes, los
porcentajes de partículas más finas que un diámetro determinado contenido en
los materiales del suelo de que se trata. El tamaño eficaz de ese suelo es el
diámetro máximo del 10% más pequeño (dIO).
El coeficiente de uniformidad es la relación que resulta de dividir el tamaño
máximo del 60 % más pequeño (d6o) por el tamaño eficaz (dlO).EI coeficiente de
uniformidad es mayor en las arcillas que en las arenas.
30
Forma de las partículas
13.
de los suelos.
Arenas.
Los granos de las arenas pueden ser angulosos, sub angulosos,
redondeados, según el grado de desgaste ocasionado por el rodaje y
la abrasión. En general los granos angulosos indican que la arena ha
estado expuesta al desgaste sólo por un corto período de tiempo. Las
cenizas volcánicas contienen fragmentos angulosos de roca vítrea;
los granos de arena desgastados por el hielo pueden tener caras lisas;
las arenas marinas suelen ser angulosas. Los granos redondeados son
típicos de las arenas fluviales y de playa. Las arenas eólicas poseen
granos finos redondeados.
Arcillas.
Los minerales de las arcillas están compuestos de láminas delgadas
de espesores microscópicos y submicroscópicos; un porcentaje
considerable de partículas de arcilla esta constituido por fragmentos
pequeños, aplastados o escamosos, de tales láminas. Estas escamas
están mezcladas con otras de forma irregular y con materia coloidal.
ESTRUCTURA
DE LOS SUELOS.
Cohesión.
Los suelos secos, limpios y granulares, tales como gravas o arenas, tienen
estructuras inestables. Si su contención es perfecta, pueden llegar a alcanzar una
gran densidad por compactación. Los granos de arena pueden mantenerse juntos
por presión de contacto, pero se vuelven inestables cuando sobreviene la
desecación.
La estructura arcillosa puede definirse como el esquema establecido por la
ordenación y relaciones métricas entre las partículas constituyentes, masas
amorfas y discontinuidades. La macroestructura de las arcillas la constrituyen las
características estructurales relativamente grandes. La microestructura se
caracteriza por un esquema monótono y uniforme de partículas muy pequeñas
mantenidas juntas por fuerzas de atracción, que son probablemente de carácter
electrostático y se conocen en química con el nombre de fuerzas de Van Der
Waals.
Estas fuerzas actúan en toda clase de materiales y sus intensidades aumentan
rápidamente conforme disminuyen las distancias entre partículas. La verdadera
cohesión, que mantiene junta la materia sólida puede explicarse por estas
fuerzas.
31
La estructura de las arcillas refleja a menudo su origen. Una arcilla residual
puede conservar la micro estructura de la roca madre; la adición ocasional de
materia orgánica, que es amorfa, contribuye a la monotonía de la estructura y a
la tonalidad oscura del material. Las arcillas inorgánicas constituidas por
procesos de sedimentación muestran a menudo su estructura floculada. Un
arroyo o torrente que fluye a una cuenca, tal como un lago, deja hacer al fondo
las partículas más bastas como consecuencia de una disminución de la velocidad
y si lo coloides más pequeños se acercan en exceso unos de otros, ejercen
atracción mutua y floculan. Si la cuenca en la que vierte el curso contiene agua
salada, la floculación es más intensa, como consecuencia de que el cloruro de
sodio es de naturaleza electrolítica y favorece el fenómeno o proceso de
floculación.
Alteraciones de la estructura de las arcillas.- por lo general, las estructuras de las
arcillas son algo inestables, puesto que se hallan sometidas a cambios y
alteraciones, de manera especial en las partes del depósito que quedan próximas
a las superficies aflorantes.
contracción e hinchamiento. - cuando se secan las arcillas están
sujetas a compresión; disminuye su volumen o sea que se encogen o contraen.
Conforme se acercan las partículas, aumentan automáticamente las fuerzas de
Van Der Waals y aumenta la verdadera cohesión, con lo que pueden cerrarse las
fisuras. Si se sumerge en agua una arcilla dura, no hay tensión superficial en la
superficie de la arcilla y por consiguiente tampoco se ejerce compresión capilar.
La consecuencia es una expansión (hinchamiento) de la arcilla. La arcilla es, al
menos parcialmente, un material elástico y hay, por consiguiente rebote elástico
cuando deja de ejercerse la acción de la fuerza de compresión. Otra explicación
de este hinchamiento reside en la restitución de la capacidad de absorción, que
había sido rebasada por las fuerzas de evaporación durante el proceso de
desecación.
Endurecimiento,
Un fenómeno análogo ocurre cuando se sujeta a carga un depósito de arcilla
saturado. Entonces se consolida, es decir, el agua es desalojada de los poros con
decrecimiento conjunto del volumen del deposito. Cuando se retira la carga
queda restituida la capacidad de absorción de la arcilla y sobreviene el
hinchamiento.
Como consecuencia del
humedecimiento y desecación del material se desarrollan estos fenómenos en
algunas arcillas. No todas la fisuras de las arcillas están causadas por desecación.
Las arcillas rígidas pueden aparecer como subdivididas por fisuras capilares en
fragmentos. Se observa a menudo agrietamiento en las arcillas remanentes de la
inundación de planicies, compuestas por hiladas que estuvieron expuestas a la
intemperie independientemente unas de otras.
Agrietamiento,
hinchamiento
y
fisuración.
32
Desecación.- Si la superficie de una arcilla blanda o de un relleno hidráulico esta
expuesto a la intemperie e inundada solamente durante períodos cortos y
distanciados en el tiempo, la superficie se endurece y se forma una costra cuyo
espesor puede estar entre 0,30 a 1,50 m. El poder de resistencia de la costra o
corteza, es por lo general menor que el del material subyacente, algunas veces la
costra puede soportar estructuras livianas, aunque la masa subyacente este
todavía blanda.
En las regiones áridas y semiáridas sujetas a períodos largos de sequía, el agua
es extraída por evaporación desde profundidades considerables (hasta 5 metros)
y la arcilla aparece agrietada y fisurada hasta tales profundidades. El agua de
lluvia hace que la arcilla solo se hinche hasta profundidades insignificantes, de
manera que persiste la fisuración profunda por desecación. La capacidad de
sustentación del material arcilloso fisurado es menor que la del mismo material
sano.
Tixotropía y stnertsts. Los geles de una arcilla tixotrópica cuando están
afectados por vibraciones se convierten en soles sin necesidad de adición de
agua. De esta manera los suelos pierden su resistencia a los esfuerzos cortantes
puesto que los líquidos ofrecen escasa o ninguna resistencia a dichos esfuerzos.
Sin embargo luego de un período de reposo, los soles adquieren de nuevo el
estado de geles y la arcilla vuelve a endurecer. una arcilla tixotrópica puede
volverse fluida durante un temblor de tierra o como consecuencia del hincado de
pilotes en su proximidad. La sinérisis es un fenómeno espontáneo de separación
de un sistema coloidal en estado inicial de homogeneidad que se divide en dos
faces, una de gel coherente y otra líquida. El fenómeno consiste básicamente en
una atracción mutua de partículas bajo la acción de fuerzas Van Der Waals
incrementadas.
Remoldeado
de las arcillas.- la destrucción o dañado de la estructura de las
arcillas, producidas en forma prácticamente instantánea, bien por fuerzas
naturales o por acción humana, se llama remoldeado de la arcilla. La
consecuencia es una disminución general de la cohesión y del volumen. Un
remoldeado de la arcilla sin contención lateral se consigue en el laboratorio
sencillamente trabajando y amasando pequeñas porciones de arcilla entre los
dedos. La sensitividad (o valor sensitivo) de la arcilla, en el proceso de
remoldeado sin contención lateral, se mide por la relación existente entre la
resistencia a la compresión de la arcilla, sin contención, antes e inmediatamente
después del remoldeado. La muestra de arcilla remoldeada en el laboratorio se
vuelve a concentrar a su densidad original y se ensaya; si esta prueba se
pospone, hay restauración de las fuerzas Van Der Waals, por lo menos parcial.
Tal proceso de restauración se denomina a veces endurecimiento natural de la
arcilla.
33
El remo Ideado de una arcilla, mediante contención, en el laboratorio puede dar
como resultado un aumento en la resistencia a la compresión sin contención. En
este caso las partículas de arcilla se vuelven a ordenar en una estructura de
compacto apilamiento, las fisuras se cierran, los volúmenes huecos disminuyen y
aumenta en numero de puntos de contacto entre las partículas.
Los dos tipos principales de remo Ideado de arcillas en circunstancias naturales, o
sea en el campo, son los corrimientos de tierra y la hincadura de pilotes.
Mientras que el remo Ideado en arcillas está en relación a la orientación de las
partículas y tiene como consecuencia una disminución de volumen, la extensión
cubierta por arcillas desplazadas por corrimiento y extendidas sobre el talud, en
general, mayor que la que se aprecia en su estado original.
La resistencia al esfuerzo cortante de una masa de tierra involucrada en un
corrimiento de tierras resulta, por lo general, tan dañada como en un remo Ideado
sin contención practicado en el laboratorio.
Desagregación es la total desintegración y pérdida de la estructura del suelo
cuando se anega o inunda material seco. Las porciones externas de una masa de
suelo sujeta a desagregación llegan en ese caso a la saturación e impiden el
escape del aire contenido en el interior de la masa. Si, además el suelo es el de
tipo expansivo, la destrucción se desarrolla con rapidez.
Se debería realizar siempre una prueba de desintegración si los suelos que
participan en la construcción ofrecen alguna posibilidad de ser atacados por las
aguas.
14.
POROSIDAD Y DENSIDAD.
Porosidad, proporción de huecos y grado de saturación. La porosidad de un
suelo es un concepto análogo al de la porosidad de una roca y se designa con el
mismo símbolo, n. En un pie cubico de suelo hay n pies cúbicos de huecos y, por
consiguiente (l-n) pies cúbicos de materia sólida (partículas, granos). La
relación entre el volumen de poros y el volumen de materia sólida es la J
/
proporción de huecos, e, del suelo:
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e
n=---1+e
En un montón de arena seca y basta la porosidad de aproxima al 33 % (n=0,33),
Según la ecuación (1a), la proporción de huecos de tal material es de unos 0,5.
Los poros en las arcillas son muy pequeños, pero muy numerosos, lo que explica
la elevada porosidad de las arcillas (50 a 60 % o más). La pequeñez de los
diámetros de los poros de las arcillas es el causante de la reducida permeabilidad
de las arcillas. Los suelos empantanados, tales como la turba y el fango, ofrecen
una porosidad de 90 % o más y, en consecuencia, un valor de e muy elevado.
Densidad y peso unitario de suelos. El peso específico G, de las partículas de
los suelos depende del peso específico de las rocas de origen. Para los cálculos
ingenieriles se admite con frecuencia que el valor de G es de 2,65 a 2,70. Los
suelos orgánicos ofrecen valores de G más pequeños; los suelos que contienen
minerales pesados tienen valores altos de G, pero no se encuentran
prácticamente nunca en la ingeniería de la construcción. Para el peso unitario del
agua y", se adopta el valor de 62,4 pcf o de 1 g/ce.
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Si el material esta perfectamente seco, es decir, si su contenido en humedad es
cero, el peso de la unidad cúbica, es su peso unitario seco; en la práctica se
emplea el término densidad en seco cuyo símbolo es D. Si una muestra de suelos
tiene un volumen de Vs pulgadas cúbicas medida en el terreno y luego pesa en el
laboratorio Wd. después de su desecación, la densidad en seco expresada en libras
por pie cúbico es:
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Ejemplo: una muestra de suelos que se ha tomado con un recipiente de latón de 2
pulgadas de diámetro y cuatro pulgadas de longitud tiene un volumen de 12,57
pulgadas cúbicas; pesa 352 g. después de su desecación; su densidad en seco es:
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(c/Q
D= 3,81
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o
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D
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P'-C
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o-r
35
166
n
=
e=
-1
D
1-1l
Ejemplo: si la densidad en seco es de 107 ppc. (libras por pie cúbico), su
porosidad y proporción de huecos, bajo las condiciones de campo,
independientemente de si el material está o no saturado, serían:
n= 1-107/
166 = 0,355
0,355
=
e=
0,550
1 - 0,355
I
Admitiendo todavía que G = 2,65 y que el suelo este saturado (por ejemplo una
muestra tomada bajo el agua), el contenido de humedad Wo sería:
62.4
Wo -
- 0,381
D
Si el verdadero contenido de humedad en el campo es de w, la relación w/wo
expresa el grado de saturación.
Ejemplo: Densidad en seco de 107 pcf; el contenido de humedad, en saturación,
sería:
62.4
- 0,381 = 0,206
107
o sea, de 20,6 %. Si el contenido auténtico de humedad de campo es sólo de 11,2
%, el grado de saturación sería de S = 11,2 / 20,6 = 0,54 = 54 %.
Wo -
Si el peso específico de los granos G difiere de 2,65, debería emplearse las
siguientes fórmulas:
D
n = 1-
Yw G
36
Yw G
- 1
e=
D
Y,v
1
D
G
Wo=
Nunca se insistirá en exceso con respecto al punto de las ecuaciones, pues hacen
referencia a suelos saturados. En este caso:
o, aproximadamente (si G = 2,65)
e = 2,65 Wo
Peso unitario de suelos saturados. Si todos los poros de un material están
rellenos de agua, el peso por unidad, o peso unitario, en saturación, Ysal es igual a
la densidad en seco D más el peso del agua contenida en los poros WuD, en que
Wo es el contenido de humedad al estado de saturación:
D
Ysal = D + WuD = D -
+ Yw
G
Si un material de tierra saturada se sumerge en agua, la flotabilidad, que es igual
alpeso unitario del agua Yw = 62,4 ppc, actúa en cada pie cúbico del material.
Para obtener el peso unitario en inmersión a partir del peso unitario en
saturación, Ysal, debería restarse el peso Yw del agua:
D
YSllblll
= DG
Para cálculos aproximados,
material sumergido es:
YSllblll
SI
1
=D (1- __
)
G
aceptamos que G = 2,65, el peso unitario para
= 0,624 D
Densidad real. La densidad en seco de una arena cuyo grano posea un peso
específico de 2,65 y una porosidad de 33 % es de unos 110 ppc. Esto
corresponde a una arena de densidad media. Las arenas que posean una densidad
37
en seco menor serán arenas sueltas o muy sueltas y las que tuvieran mayor
densidad en seco serán densas o muy densas.
Puesto que las arcillas son más porosas que las arenas, su densidad en seco suele
ser menor que la de la arena. Así por ejemplo, la densidad en seco de una arcilla
de tipo medio con un peso específico de partículas de 2.70 Y una porosidad de 45
% sería de unos 96 ppc. Para los fines de una inspección visual, las arcillas
pueden describirse como blandas, firmes, sólidas y duras, de acuerdo a su
densidad aparente en seco y su resistencia aparente a la compresión.
Los métodos de determinación de la densidad de un relleno o de un depósito
natural ha sido objeto de uniformización, el procedimiento consiste en tomar una
muestra de suelo, pesar el material, determinar su contenido de humedad,
determinar el volumen del agujero de donde se extrajo la muestra. Se obtiene
después la densidad en seco dividiendo el peso en seco del material extraído por
el volumen del agujero.
Densidad relativa de una arena. Para determinar la densidad relativa de una
arena, habrá de conocerse su densidad promedia en seco D (determinada en el
campo) y sus densidades máxima y mínima en seco:
o-:
D -o.:
Densidad relativa, % =
100
D
Dmax-Dmill
La densidad relativa varía desde Opara D = Dlllill hasta 100 % para D = Dmax.
15.- PLASTICIDAD E HINCHAMIENTO. -1> to.'rO...c+
.
~1>
C(jC/\,j"e_.e
sr ¿___[C---f' o..rcJ0
pr-o(uO-._
c.."",
Plasticidad y límites de Atterberg. La plasticidad, el la propiedad de una masa
de suelo que permite su deformación de manera continua y permanente, sin
ruptura, durante la aplicación de un esfuerzo que exceda, incluso ligeramente, la
resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Un cuerpo plástico, sometido a
deformación bajo la acción de fuerzas externas, mantiene esa deformación, es
decir, no recupera la forma primitiva una vez suprimida la acción de aquéllas.
Los cuerpos elásticos, por lo contrario, recuperan sus formas y tamaños
originales cuando cesan de actuar las fuerzas deformantes. Los cuerpos de los
suelos reales son por lo general sólo parcialmente elásticos; cuando se os alivia o
libera de un esfuerzo de compresión tiende a volver a su forma y tamaño
originales, aunque sin llegar a alcanzarlos.
La deformación total producida por un esfuerzo de compresión se compone en
este caso de una deformación elástica (o reversible) y una deformación plástica
38
(o irreversible). Si se comprime una masa de arenas sueltas, experimenta una
deformación plástica aparente, que es, en realidad, una disminución del volumen
total de la masa como consecuencia de la acomodación y adaptación mutuas de
las partículas entre sí y del decrecimiento del volumen de poros. En este caso los
granos de arena individualmente están comprimidos elásticamente y pudiera
tener lugar un pequeño rebote elástico después de la supresión de la fuerza de
compresión. Se admite, para los cálculos de mecánica de suelos, que todas las
son incompresibles.
Lr¡MA lu da ceos (I ~.
Límites de Atterberg. Una suspensión de arcillas fluye como un líquido y
carece prácticamente de resistencia al esfuerzo cortante. Esta última se va
constituyendo en forma gradual conforme se seca la suspención y la masa de la
arcilla va pasando por los siguientes estados:
partículas
lJoJoreJ re/o IUJ(J!,
p ru -cz> ./«.~ (o
r:Le LJQriOJ
Estado de la masa
Límite entre los diferentes estados y
símbolos empleados para su designación.
Líquido
Plástico
Semisólido
Sólido
Límite líquido (LL o w.)
Límite plástico (PL o wp)
Límite de contracción ( SL o ws)
Los límites arriba expresados se conocen como límites de Atterberg o confines
de consistencia. Corresponden a los contenidos de humedad de la mas conforme
va pasando de uno a otro estado.
Cuando una arcilla se encuentra en su etapa plástica puede fluir plásticamente si
se somete a sobrecarga la fluencia plástica puede definirse como un movimiento
lento de una sustancia plástica sometida a sobrecarga sin que ha¿:a lugar a
cambio de volumen. Solamente los suelos que contienen partículas escamosas,
como las arcillas, se vuelven plásticos mediante adición de agua o de algún otro
fluido con moléculas bipolares.Las arenas o los limos no son plásticos, a menos
que se mezclen con alguna sustancia plástica.
Los ensayos de límites de consistencia se llevan a cabo solamente en materiales
de tipo menos cuarenta. El límite líguido (LL) es el contenido de humedad
correspondiente al estado en' que las dos mitades de una torta patrón de arcilla
apenas se tocan después de partidas en la forma normalizada. Alcanza el límite
.J?lástico (PL) una arcilla cuando comienza a desmigajarse si se moldea en rollos
de 1/8 de pulgada de diámetro. La diferencia LL-PL es el índice de plásticidad
(PI o Ip). Esta importante característica del suelo indica el alcance entre los
contenidos de humedad dentro de los cuales el suelo afecta propiedades
plásticas. El PI, según la designación habitual en la práctica corriente, es de
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importancia en las especificaciones o condiciones establecidas para el empleo de
suelos como materiales de ingeniería y también en la clasificación de suelos.
El concepto del límite de contracción encuentra aplicación considerable en los
ensayos de arcillas expandibles, sensibles al agua. Corresponde a la etapa en que
una arcilla saturada expuesta a desecación comienza a perder su contenido de
agua; entonces el aire invade gradualmente los poros y el suelo cambia de color
de oscuro a claro. Es evidente que el límite de la contracción es el contenido de
agua al estado de saturación y puede calcularse mediante ecuaciones.
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Hinchamiento de las arcillas. Existen tres causas básicas del hinchamiento de
los suelos. Una es el resultado de una combinación del rebote elástico y a veces,
de la recuperación del contenido en humedad de las masas de suelo sujetos a
compresión después de la desaparición de esta fuerza. Esto se explica por los
ensayos de consolidación y es corriente para cualquier tipo de material, en
especial cuando se trata de una arcilla saturada. Las oras dos causas dependen de
la propiedad que poseen algunas arcillas de atraer el agua con intensidad y de
retenerla después de un aumento conjunto de volumen como consecuencia.
Las arcillas de estos dos últimos tipos son: 1) arcillas sensibles a la congelación
y 2) arcillas sensibles al agua.
(
'--f}-
-~ --:--==-1
-8-,
> €r2
La capacidad de expansión (o expansividad) de la arcilla depende en forma
primordial de su proporción en montmorillonita y de la de algunos tipos de illita
presentes en ella. La causa básica de la dilatación reside en la atracción y
absorción del agua por las redes cristalinas susceptibles de expansión de las
arcillas. Otro factor que contribuye a ello reside en el alivio de la presión capilar
como consecuencia del engrosamiento de las películas capilares. Como es bien
sabido, cuando más delgada es la película capilar atraída tanto mayor es el efecto
de su compresión sobre la partícula. Cuando sobreviene el humedecimiento del
suelo se dilatan automáticamente las películas capilares. De esta manera se alivia
el esfuerzo de compresión, lo cual permite una nueva y mayor abertura de las
redes dilatables.
El hinchamiento de las arcillas esta ligado a la absorción de humedad, tanto de la
que procede de un líquido que venga ha estar en contacto con la arcilla, como de
la que viene del ambiente húmedo del aire.
Un alto contenido de material coloidal indica solamente que existe la posibilidad
de la presencia de coloides susceptibles de expansión. La probabilidad de tal
presencia es alta, sin embargo, en aquellas regiones que se sabe que existen
arcillas del tipo montmorillonita,
y donde se observan movimientos y
alzamientos o desnivelaciones frecuentes en construcciones y losas de pisos.
Como consecuencia, en tales regiones la combinación de un límite bajo de
40
contracción y un índice de alta plásticidad serán indicadores de probable
susceptibilidad de hinchamiento. Esto es por que el hinchamiento sólo puede
iniciarse si todos los espacios huecos de la arcilla están llenos de agua; de aquí
que un valor alto del límite de contracción señale que el hinchamiento puede
iniciarse con un bajo contenido de humedad. Un valor elevado del índice de
plasticidad es indicio de que la arcilla es capaz de absorber grandes cantidades
de agua sin reventar ni agrietarse ante elevados contenidos de humedad.
La resistencia de la arcilla al esfuerzo cortante decrece conforme el contenido de
humedad rebasa cierto límite. Esto es evidente, desde luego, para los suelos y
materiales pétreos susceptibles de hinchamiento. Aunque la resistencia al
esfuerzo cortante de una arcilla dilatable se reduzca algunas veces hasta,
prácticamente, cero, la disminución de su densidad en seco puede ser
relativamente pequeña y lo mismo es para cualquier material remoldeado y
compactado.
16.- SISTEMA DE CLASIFICACION
DE SUELOS.
Los sistemas de clasificación de suelos de uso más corriente son: 1) sistema
unificado de clasificación de suelos (Unified Soil Classification System U.S.C.)
y 2) la clasificación adoptada por el Servicio de Carreteras del Estado ( Public
Roads Classification P.R.).
Sistema unificado de clasificación de suelos. Este sistema fue ideado por el
profesor Casagrande para el Cuerpo de Ingenieros Militares. Fue modificado
hasta alcanzar su forma actual (USC). El sistema no incluye los fragmentos de
roca de tamaño superior a las 3 pulgadas.
SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION
I{
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C(fJW_p. OY
su e
pé)
4CíJ..úW..1o Componente
e.J'
{fu e~1[lo Jo
Gravas
t(J,por-/
{dfCUO
Gruesas
f
Finas
( s·v G yo ru) temeArenas
la
Gruesas
Medias
Finas
Finos:
Limo
Arcilla
Pasa el
tamiz de
Queda retenido en
el tamiz de
3 pul.
3 pul.
% pul.
N°.4
N°.4
N°. 10
N°. 40
No. 4 (4.76 mm)
% pulg.
N°.4
N°,.200 (0,074 mm)
N°. 10 (2 mm)
N°. 40 (0,42 mm)
N°. 200
N°. 200
N°. 200
DE SUELOS
Límite de
Límite
estado líquido plástico
rJ/d pOJ1!J
~Cut-
e.e ~~~
fGt"t-WA.bl
28 o menos 6
o
menos
por encima de 6
41
c4
fldad
Los ensayos de laboratorio y la línea A. Los principales ensayos de laboratorio
requeridos por el use son los análisis por tamizado y la determinación de los
límites de plásticidad.
Abaco de plásticidad y la línea A. La última resulta de llevar el PI a las ordenadas
y LL a las abscisas según la relación PI = 0,73 (LL-20). Préstese atención a la
desviación de esta regla en las áreas rayadas. Las arcillas inorgánicas quedan por
encima de la línea A; los limos inorgánicos y las arenas muy finas están por
debajo.
También quedan debajo de la línea A. Los materiales inorgánicos, tanto de
carácter arcilloso como limoso. La línea vertical que corresponde a LL = 50
separa los limos y las arcillas que tienen un LL bajo de los que lo tienen alto.
~or
60
V
VI
50
V
V
~9
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V
V
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~€
40
50
60
70
80
90
IOC
Umite h'Quido
Los valores de LL y PI obtenidos en el laboratorio para un suelo dado, determina
su posición en el ábaco.
0S,(P{~
0-
20
P
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_¿ V
~~
"7
Gro.,,¡JIo~lrtO
__
~i()HeS
Grupos de suelos. Los suelos naturales son mezclas de grava, arena y finos, en
yar:_iMe._L
Todos los suelos naturales se subdividen en: de granos
gruesos, de granos finos y ~05 ~<n:.g.inicos.
Los suelos de grano grueso
son los que tienen hasta el 50 % o menos de finos;~"!0S
de grano fino son los
que tienen más de 50 % de finos. Todos los porcentajes se estiman en peso. Los
suelos de alto contenido orgánico se identifican por los colores negros u oscuros
y, a veces, por el olor.
~~
(
+-\ ~\_u.... t,I.OVl
-+ s-o "l.
42
CL~
clf
SUBDIVISIONES
Tipo principal
del suelo
DEL SISTEMA UNIFICADO
SUELOS
Símbolo
General
Suelos de grano grueso:
Gravas yagravillados
Arenas y arenosos
G
S
DE CLASIFICACION
Grueso
con finos
Gradación
deficiente
escaso o
ningún fino
Grueso, con
finos desprovistos de
plasticidad o
con plasticidad escasa
GW
GP
GM
GC
SW
SP
SM
SC
Buena gradación, con
escaso o
ningún fino
DE
Subdivisión basada en el LL
50 o menos
I
8,0..1 o, , '" ,_.u .p~ ,10\ 1,
Suelos grano fino
dc,~
Limos inorgánicos,
arenas
muy tinas, arenas finas,
limosas o arcillosas, suelos
de mica y diatomeas, limos
elásticos.
ML
Arcillas inorgánicas
C
CL
Arcillas orgánicas y limos
+ r\2.6 :=-,1
Turba, humus y suelo de
ciénaga
O
OL
J
(iQS~IÁ~
~0.Jo.
MH
CH
1\,\ +e.
\lIQl+~tAá,,-d
OH
-t-
1+,-0
Pt
El símbolo de grupo está formado por dos letras mayúsculas, que son las iniciales
de los nombres ingleses de los suelos más típicos:
a)
b)
Gravas y suelos que predominen estas. Símbolo genérico G (gravel).
Arenas y suelos arenosos. Símbolo genérico S (sand).
Las gravas y arenas se separan con la malla N° 4, de manera que un suelo
pertenece al grupo genérico G, si más del 50 % de su fracción gruesa
(retenida en la malla 200) no pasa la malla N° 4, Yes del grupo genérico S,
en caso contrario.
Las gravas y arenas se subdividen en cuatro tipos:
a)
b)
e)
Material prácticamente limpio de finos, bien graduado. Símbolo W (well
graded). En combinación con los símbolos genéricos, se obtiene los grupos
GWySW.
Material prácticamente limpio de finos, mal graduado. Símbolo P (poorly
graded). En combinación con los símbolos genéricos, se obtiene los grupos
GPySP.
Material con cantidad apreciable de finos no plásticos. Símbolo M (del
sueco mo y mjala). En combinación con los símbolos genéricos, se obtiene
los grupos GM y SM.
43
t lL
= ~L
d)
Material con cantidad apreciable de finos plásticos. Símbolo C (clay). En
combinación con los símbolos genéricos, se obtiene los grupos GC y Se.
En el caso de los suelos finos igualmente utiliza para su identificación el mismo
sistema genérico de identificación que los suelos gruesos.
a)
b)
e)
Limos inorgánicos, de símbolo genérico M (del sueco mo y mjala).
Arcillas inorgánicas, de símbolo genérico C (clay).
Limos y arcillas orgánicas, de símbolo genérico O (organic).
Cada uno de estos tres tipos de suelos se subdividen, según el límite líquido, en
dos grupos. Si este es menor de 50%, es decir, si son suelos de compresibilidad
baja o media, se añade el símbolo genérico la letra L (low compressibiñity),
obteniéndose por esta combinación los grupos ML, CL y OL. Los suelos finos con
límite líquido mayor de 50%, o sea, de alta compresibilidad, llevan tras el símbolo
genérico la letra H, teniéndose así los grupos MH, CH y OH.
Ha de notarse que las letras L y H no se refieren a baja o alta plásticidad, pues esta
propiedad del suelo, como se ha dicho, ha de expresarse en función de dos
parámetros (LL e Ip), mientras que en el caso actual sólo el valor del límite líquido
interviene. Por otra parte, ya se hizo notar que la compresibilidad de un suelo es
una función directa del límite líquido, de modo que el suelo es más compresible a
mayor límite líquido.
Los suelos altamente orgánicos, usualmente fibrosos, tales como turbas y suelos
pantanosos, extremadamente compresibles, forman un grupo independiente de
símbolo Pt (peat).
Grupos CL y CH.
En este grupo se encasillan las arcillas inorgánicas. El grupo CL comprende a la
zona sobre la línea A, definida por LL<50% e Ip > 7%.
El grupo CH corresponde a la zona arriba de la línea A, definida por LL > 50%.
Las arcillas formadas por descomposición química de cenizas volcánicas, tales
como la bentonita o la arcilla del Valle de México, con límites líquidos de hasta
500%, se encasillan en el grupo CH.
Grupos ML YMH.
El grupo ML comprende la zona bajo la línea A, definida por LL < 50% Y la
porción sobre la línea A con Ip > 4. El grupo MH corresponde a la zona abajo de
la línea A, definida por LL < 50%. En estos grupos quedan comprendidos los
limos típicos inorgánicos y limos arcillosos. Los tipos comunes de limos
44
._ -
inorgánicos y polvo de roca, con LL < 30%, se localiza en el grupo ML. Los
depósitos eólicos del tipo Loess, con 25% < LL > 35% usualmente, caen también
en este grupo.
Un tipo interesante de suelos finos que caen en esta zona son las arcillas de tipo
caolín, derivados de los feldespatos de rocas graníticas; a pesar de que el nombre
de arcillas está muy difundido para estos suelos, algunas de sus características
corresponden a limos inorgánicos; por ejemplo, la resistencia en estado seco es
relativamente baja y en estado húmedo muestran cierta reacción a la prueba de
di lactancia; sin embargo, son suelos finos y suaves con un alto porcentaje de
partículas tamaño de arcilla, comparable con el de las arcillas típicas, localizadas
arriba de la línea A. En algunas ocasiones estas arcillas caen en el caso de frontera
ML - CL YMH ~ CH,dada su proximidad con dicha línea.
Las tierras diatoméaceas prácticamente puras suelen no ser plásticas, por más que
su límite líquido pueda ser mayor que 100% (MH). Sus mezclas con otros suelos
de partículas finas son también de los grupos ML o MH.
Los suelos finos que caen sobre la línea A y con 4% < Ip < 7% se consideran
como casos de frontera, asignándoles el doble símbolo doble CL - ML.
Grupos OL Y OH
En zonas correspondientes a estos dos grupos son las mismas que' las de los
grupos ML y MH, respectivamente, si bien los orgánicos están siempre en lugares
próximos a la línea A.
Una pequeña adición de materia orgánica coloidal hace que el límite líquido de
una arcilla inorgánica crezca, sin apreciable cambio de su límite plástico; esto
hace que el suelo se desplace hacia la derecha de la Carta de Plasticidad, pasando
a ocupar una posición más alejada de la línea A.
al
S'C co.rse
/n,u('~r
S'P
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-,«: Iv ck.
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¡(Cl ¿QeL ,
GruposPt
Las pruebas de límites pueden ejecutarse en la mayoría de los suelos turbosos,
después de un completo remoldeo. El límite líquido de estos suelos suele estar
!~ entre 300% y 500%, quedando su posición en la Carta de Plasticidad netamente
bajo de la línea A; el índice plástico normalmente varía entre 100% y 200%.
Similarmente al caso de los suelos gruesos, cuando un material fino no cae
claramente en uno de los grupos, se usarán para él símbolos dobles de frontera.
Por ejemplo MH - Cll representará un suelo fino con LL > 50% e índice plástico
tal que el material quede situado prácticamente sobre la línea A.
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soltcks ~
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r bÓfofono
~
/11 Q
.
U'{ (
:
En los suelos gruesos, en general, deben proporcionarse los _sigui,e~tes datos:
nombre típico, porcentajes aproximados de grava y arena, tamano maximo de l.as
partículas, angulosidad y dureza de las mismas, características de su superficie,
nombre local y geológico y cualquier otra información pertinente, de acuerdo a la
aplicación ingenieril que se va a hacer del material.
~____________ En los suelos gruesos ~~ estado .i~alterado, se añadirán datos ~o~re estratifica~ión,
~~acidad,
cementación, condiciones de humedad y características de drenaje.
i'"fe
Á
rtM-'-cL('
(J ro
rpo
¿,...... b.
b-e k:
En los su.....~ [l..nos, se proporcionarán, en general, los siguientes datos: nombre
típico, graao-y (;""'~c:terde su plasticidad, cantidad y tamaño máximo de las
partículas gruesas, color ~~·1 S1-~ 10 húmedo, olor, nombre local y geológico y
cualquier otra descripción, de acuer . ion la aplicación que se vaya hacer del
material.
Respecto del suelo inalterado, deberá agregarse in o -~aClOn relativa a u
estructura, estratificación, consistencia en los estados inalterados
remoidc:!Cl\)~
condiciones de humedad y características de drenaje.
Identificación sobre el terreno de los tipos de suelo. La mayor parte de las
investigaciones sobre el terreno se llevan a cabo por vías visual y manual. Si el
material es de grano basto, se extiende sobre una superficie plana y se examina
r'.r'!" ,11 =adación, tamaño y forma del grano, y si es posible, por su composición
mineralógica. Si no se tiene C;~pC;:1¿ill.:.id, es diticil la diferenciación in situ entre
suelos de buena o deficiente gradación; en los casos ambiguos, debería construirse
curvas de gradación. Los cantos y granos procedentes de roca sana se identifican
con facilidad; la roca meteorizada aparece decolorada y se aplasta fácilmente con
los dedos.
En la prueba de dilatabilidad, se prepara una torta blanda de Yz" cúbica,
aproximadamente, con las proporciones de suelo de tamaño de menos de 40. Se
coloca la torta en la palma extendida de una mano y se agita en sentido horizontal,
golpeándola varias veces con vigor contra la otra mano. Una torta carente de
plásticidad (limosa) se vuelve húmeda y brillante en su superficie (aspecto de
hígado) y muestra en ella incluso gotitas diminutas. Cuando se estruja se seca la
torta por fuera y adquiere textura quebradiza, pero una repetición de las sacudidas
restituye su apariencia húmeda. La plásticidad puede averiguarse haciendo un
rollo entre las palmas de las manos con el material húmedo. El material es plástico
si permite su arrollamiento en barritas finas de más o menos 1/8 de pulgada de
diámetro.
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46
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17.- RESISTENCIA
CORTANTE
DE LOS SUELOS
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En todo lo referente a mecánica de suelos, se puede admitir que la superficie
terráquea
es horizontal e infinita en todas direcciones. Una masa térrea así
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delimitada solamente por la parte alta es una masa semiinfinita. Para mayor
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se
sencillez en los cálculos se suelen remplazar las estructuras por cargas
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concentradas o por cargas repartidas, que se consideran, por lo general,
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uniformemente distribuidas sobre la corteza terrestre. El peso de una construcción
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o estructura es una fuerza vertical; también pueden haber fuerzas horizontales u
L'l el r co n k.n:.na« oblicuas, tales como la presión ejercida sobre un muro de contención por el
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relleno que contiene.
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Las fuerzas que actúan sobre una masa de tierra produce en ella esfuerzos.
Es muy importante establecer la diferencia existente entre esfuerzos y fuerzas.
Tan pronto como se ha construido una estructura sobre o próxima a la superficie
horizontal imaginaria de la masa de tierra, o superficie del terreno, se presentan
esfuerzos en la totalidad de la masa semiinfinita. Podemos imaginar, localizado en
cada punto de la masa de tierra, un pequeño cubo, cuyas aristas se dispones
horizontal y verticalmente. El peso de la construcción afecta a cada uno de los
pequeños cubos y origina presiones verticales actuantes sobre su cara horizontal
(Pv); el símbolo p representa la presión, y el subíndice v nos indica que actúa en
dirección vertical.
Para cada cubo, al estar cargado verticalmente, empuja los cubos vecinos en
sentido horizontal; de aquí la presión horizontal Ps que actúa sobre las caras
verticales de los cubos. Cuando más profundo yace bajo la superficie del terreno y
cuando más alejado está, por consiguiente, de la construcción, tanto más pequeñas
son ambas, la presión vertical Pv y la horizontal PIl. Se dice que la presión se disipa
al aumentar la distancia con respecto al punto en que actúa la fuerza principal y
aquélla llega a ser, finalmente, despreciable. Imaginemos ahora un cubo inclinado,
en el cual las presiones ejercidas obre todos los costados serán oblicuas. De esta
manera en cada punto de una masa de tierra sometida a carga ejercitan sus
acciones un número infinito de presiones actuantes en todas direcciones, cuyos
valores son variables las presiones ejercidas en el interior de una masa de terreno
se denominan también esfuerzos normales y en este caso el vocablo normal
expresa la noción de perpendicular.
La tensión es también un esfuerzo normal, pero en todos los suelos, salvo las
arcillas compactas y las arenas cementadas, frecen una débil resistencia a la
tensión. Las fisuras en las arcillas s debe a esfuerzos tensiles. Puesto que la
resistencia a la tensión de las arcillas se incrementa con la profundidad, como
consecuencia de la acción de compresión ejercida por la sobrecarga, las fisuras se
producen sólo en los estratos más altos de un depósito de arcilla.
47
c, pú.«.t L á_
le., y-~ e-,
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U ~vyt....fI\.l)
Además de los esfuerzos normales, tenemos también los tangenciales o cortantes
o esfuerzos de cizallamiento, en cada punto de una masa sometida a carga (t)
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~\I\..l.-e.
La figura muestra, de maneta simplificada, cómo se ongman los esfuerzos
cortantes dentro de una masa de terreno como consecuencia del sometimiento a
carga de la superficie de la misma.
Puede admitirse que una carga concentrada P produce esfuerzos en todas
direcciones a partir de su punto de aplicación. Uno de estos esfuerzos, el que actúa
en la dirección OA, por ejemplo, encuentra un plano horizontal (MN) y se
descompone en presión vertical Pv y en esfuerzo cortante horizontal t, a lo largo de
un plano MN.
La figura nos muestra cuán parecido resulta un esfuerzo cortante a una fricción.
De hecho, si de un bloque B tira una fuerza horizontal T a lo largo del plano MN,
existe una fricción que se opone al movimiento, fricción que es igual a la fuerza T.
Sin embargo, si la porción superior del cuerpo B tiende a romper la ligazón o
trabazón que lo une con una porción interior (fija), y a desplazarse después,
existen: 1) un esfuerzo cortante activo por encima del plano de deslizamiento que
empuja hacia delante la porción superior, y 2) un esfuerzo cortante,
numéricamente igual, pero que actúa en dirección opuesta y resiste aquella acción.
No existen esfuerzos cortantes en superficies no sujetas a carga ni tampoco en los
ejes de simetría de las construcciones y cargas superimpuestas. Un terraplén o
dique tiende a extenderse y a aplanarse, tendencia a la que se oponen los esfuerzos
cortantes que actúan contra el movimiento potencial, es decir desde las márgenes
A hacia la línea axi1de un terraplén simétrico, que pasa por el punto o. No existen
esfuerzos cortantes ni en los bordes A ni en la línea axil (punto O). Conforme se
muestra en el diagrama representado bajo la base del terraplén, los esfuerzos
cortantes alcanzan un máximo en algún punto entre los O y A, a ambos lados de la
línea axil.
48
En la representación de los esfuerzos cortantes en la distribución de esfuerzos en
los cubos, son iguales todos los valores numéricos de los esfuerzos cortantes t.
B
M
N
M
M
I
I-n-- t
FricOél1
N
Ero1a1e
N
Fijo
Pv
Lo cual está de acuerdo con la regla general de mecamca según la cual los
esfuerzos cortantes actuantes sobre un punto, a 10 largo de dos direcciones
perpendiculares entre sí, son iguales.
Estado de sometimiento a esfuerzo de una masa de terreno no cargada. Antes
de que se someta a carga una masa semiinfinita de terreno actúan en ella presiones
verticales y horizontales, pero no esfuerzos cortantes, verticales u horizontales.
Así, por ejemplo, si un metro cúbico de tierra pesa 2000 kg. La presión vertical
ejercida a una profundidad de 6 metros, sería de 2000 x 6 = 12000 kg o 12
toneladas por metro cuadrado. Actúa también en cada punto de una masa de
terreno una presión horizontal que es una fracción de la presión vertical. Esta
fracción, que se denomina coeficiente de la presión del terreno sin carga (K),
puede aceptarse que es grosso modo, de 0,4 en arenas y más elevada en arcillas.
De modo que en el ejemplo, la presión horizontal a profundidad de 6 metros
(actuante en todas las direcciones horizontales) sería, aproximadamente de 12000
x 0,4 = 4800 m2.
Si una masa natural de terreno esta en equilibrio, lo están todas sus partes. Las
presiones y esfuerzos cortantes producen corrimientos de las partículas en el
interior de la masa de terreno.
49
Por lo general, las construcciones se edifican sobre masas de terreno en equilibrio.
En este caso, al calcular los esfuerzos, sólo se tiene en cuenta los originados por la
edificación.
Estado de sometimiento a esfuerzo en una masa de terreno cargada. Una capa
de suelo sometida a compresión disminuye de espesor; el alcance de esta
disminuciones el de una deformación, aunque el térmico disminución de espesor
sea más correcto. Asiento es el movimiento vertical de descenso que experimenta.
una construcción edificada sobre un suelo susceptible de compresión (un
movimiento horizontal de una construcción supondría un movimiento lateral). Las
construcciones, salvo en el caso de las que están dotadas de gran rigidez, y a veces
las muy pequeñas, muy rara vez se asientan de manera uniforme a lo largo de toda
el área que ocupa. Muy a menudo, y como consecuencia de la falta de
uniformidad en la distribución de la carga y de las características de
homogeneidad de los suelos soportantes, diversas porciones de la construcción se
asientan en distintos grados, es decir, sobreviene un asiento diferencial. Si por
ejemplo, los valores que alcanza el asiento en dos porciones adyacentes de una
misma construcción son de 1 Y2 Y Y2 pulgada, el valor del asiento diferencial sería
de 1 pulgada. En general el asiento uniforme de una construcción, aunque su valor
sea grande, es menos perjudicial que el asiento diferencial de la misma, incluso
aunque fuera de menor magnitud.
Los esfuerzos normales, en especial los de compresión, alteran el espesor de un
estrato, pero afectan muy poco a su forma, si es que la llegan alterar. Los
esfuerzos cortantes, por lo contrario, son los causantes de todos los casos d
cambio en la forma de una masa de terreno. Por ejemplo: el estrujamiento y
expulsión de una arcilla en estado semi fluido (fluencia plástica) de por debajo de
una construcción sobrecargada es consecuencia de esfuerzos cortantes. Los
esfuerzos cortantes propenden, en muchos casos, a separar una porción de la masa
de terreno (una cuña) del resto de la misma. Se denomina superficie cortante (o de
falla o de resbalamiento), a la superficie de separación. Una construcción alta,
tiende a desplomarse y se desarrolla bajo ella una superficie cortante potencial.
~
(Linea axil)
I
.AWtariento
50
Existen dos sistemas de esfuerzos cortantes a lo largo de la superficie cortante
potencial.
Los esfuerzos cortantes activos que son consecuencia inmediata del peso, tienden
a desplazar la cuña. La masa de suelo moviliza esfuerzos resistentes en cada
proceso de desgarre, que actúan en oposición al sentido de la dirección de
tendencia del movimiento de la cuña. Estos esfuerzos resistentes son exactamente
iguales a los esfuerzos activos, pero no pueden llegar más allá de cierto límite
marcado por la resistencia al esfuerzo cortante propia del material. Cuando los
esfuerzos cortantes activos están en equilibrio con la resistencia al esfuerzo
cortante, se dice que la masa está en equilibrio límite. Un incremento adicional,
aunque sea pequeño, del esfuerzo cortante activo (o disminución de la resistencia)
originará una ruptura cortante. Habrá un movimiento de la cuña hacia fuera y un
hinchamiento del terreno desplazado.
Se considera en general que hay falla de la masa del terreno sí una parte
considerable de él resulta desgarrada por superficies cortantes, o bien si una
cantidad considerable del material que soporta la construcción es desplazado por
presión. Puede fallar una construcción, esto es, volverse incapaz de llenar su
cometido, como consecuencia de: 1) falla cortante de la masa soportante, o 2) de
considerable asiento diferenciaL
s Cv._A••_/-e ,Je¡
y-
CeJO'")
r<e(-k_
ro. f) l) lo ~
fU
¡, C/~o
_C1
Desgarres de los suelos carentes de cohesión. Una masa de grava o arena limpia
carentes de cohesión están en estado de equilibrio límite cuando:
'2:-\ ~v
Q
~~~LCi-"",--O
th c..
lv br-,tt<.V\.-k_
t = p tang fjJ
p c;¡ re:,
k1!..• .rr-e-J
cu"¿vf()JO
R...w- tl Ll<-l
evl e.o r +-c
El valor de t en la ecuación corresponde al mayor esfuerzo que el material en
cuestión es capaz de soportar. 0, dicho en otras palabras, la ecuación expresa la
resistencia al esfuerzo cortante s de determinado material (s-t). El símbolo fjJ
representa, en este caso, el ángulo de fricción interna del material. Este valor varía
de arena o arena o de grava a grava y depende, en general, de la densidad del
material y de la forma y tamaño de sus granos o partículas. Los valores mayores
de fjJ van ligados a: 1) materiales angulosos más bien que a los redondeados, como
consecuencia de la mayor trabazón de los granos en el primer caso; 2) materiales
de buena gradación más bien que a los que la ofrecen escasa, y 3) a los materiales
densos más bien que a los flojos y sueltos. Se emplea a menudo un valor para fjJ de
30° en el caso de las arenas. En este caso tang fjJ = 0.577. puede admitirse que en
un depósito natural de arena el ángulo de fricción interna varía entre 30 y 40°, Y es
mayor a veces en depósitos densos. Bajo el agua el valor de fjJ es de 1 ó 2° menos,
aunque a veces se suponga de 25° en los cálculos ingenieriles. Cuando más bajo
sea el valor de fjJ adoptado en el. proyecto, tanto mayor margen de seguridad
51
tendrán los resultados calculados, pero será mayor la probabilidad de un exceso
del mismo y mayor también el gasto innecesario.
Si se vierte cuidadosamente y sin impacto arena limpia o grava sobre la superficie
del terreno, constituirá una pila. El ángulo que el flanco de la pila forma con la
superficie horizontal del terreno (pendiente natural) se conoce con la
denominación de ángulo de reposo. Esté es ligeramente menor que el ángulo rjJ de
fricción interna. El empleo de aquél en vez de éste garantiza una mayor seguridad,
pero es ligeramente más costoso.
Resulta evidente que la parte superior de una masa limpia y seca de arena no
ofrece resistencia cortante, puesto que no ejerce presión sobre los granos y la
arena está suelta. La resistencia cortante de tal masa aumenta con la profundidad,
como consecuencia del incremento de presión. Por la misma razón, cualquier
carga uniformemente distribuida sobre la superficie de una masa de arena tiene
como consecuencia el incremento automático de la resistencia de la arena a los
esfuerzos cortantes.
r
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O Cl..A_O
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S" C'
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t
0
Presión de poros en arenas finas. En las construcciones que se proyecta colocar
al pie de colinas o emplazamientos análogos, el agua contenida en los poros puede
encontrarse bajo presión. Si una excavación corta a través de una capa
impermeable de suelo, hasta llegar a una arena fina saturada sometida a presión,
fluirá hacia fuera una suspención de arena. Esté es el estado de arena movediza. Si
hay agua bajo presión aprisionada en un material no susceptible de fluir con ella,
el agua es expulsada de la excavación bajo forma de agua artesiana. Según la
expresión del profano, arena movediza equivale a decir depósito de arena seca o
húmeda, suelta _y fina, en la que pueda hundirse un peatón. Pero no debería
emplearse en ese sentido.
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El valor de la presión de poros se denomina en general esfuerzo neutro (_¡i). Puesto
que la presión de poros actúa en todas direcciones, trae como consecuencia una
disminución de la presión mutua entre los granos de arena. En este caso la
ecuación sería:
s = ( P - Ji ) tang rjJ
Si Ji = p, la masa de arena pierde totalmente su resistencia y fluye. Esté es el
fenómeno de licuefacción de una masa de arena fina o de cualquier masa
constituida por un material semejante.
Las escombreras de materiales químicos se componen a menudo de polvos finos
saturados con una costra superficial seca. El agua de lluvia que se filtra a través de
las finas fisuras aumenta la presión del agua contenida en los poros, y cuando su
52
presión equilibra a las presiones normales, la pila de escombros fluye. Los limos
saturados fallan de la misma manera cuando están sujetos a vibraciones. Este caso
de ruptura en suelos finamente granulados y desprovistos de cohesión, tales como
limos y arenas finas, no debería confundirse con los fenómenos taxi trópicos de las
arcillas.
Desgarres en suelos dotados
expresarse simplemente como:
de cohesión.
La fórmula de Coulomb pude
s = e + p tang rjJ
en que e es la cohesión unitaria y p es la presión unitaria entre las partículas.
Si llevamos la presión normal p a las coordenadas horizontales y la resistencia
CI)
o
Presión normal p
cortante S a las verticales, se obtendrá una línea como la de la figura. Sí e == 0, la
ecuación se convierte en:
t = p tang rjJ
y la línea pasa entonces por el origen de coordenadas. En ambos casos la
resistencia cortante de la arcilla deberá aumentar con la profundidad. En la medida
del estado actual de conocimientos la ecuación:
s = e + p tang rjJ
puede emplearse, aun en ensayos, para las arcillas saturadas parcialmente. En la
naturaleza no ocurre prácticamente nunca un fenómeno puro de tipo cortante, ya
53
que generalmente va acompañado de compresión, en especial en las pruebas de
laboratorio.
Pruebas de laboratorio referentes a los fenómenos de esfuerzos cortantes.
Una arcilla precomprimida es aquella de la que se cree que ha estado sometida a
pesadas sobrecargas durante su historia geológica y que luego se ha visto quizás
liberada de una carga mediante erosión o por la acción de otros agentes. También
existe la posibilidad de precompresión por desecación, por mantos de hielo o por
ación química. Las arcillas que nunca hayan estado sometidas a presión mayor
que el peso de la sobrecarga existente se consideran sometidas a carga normal.
Ensayo de compresión triaxial. Este ensayo se lleva a cabo sobre suelos
contenidos en cilindros de material transparente, que por lo general es de lucita.
Las muestras de suelo miden de 1,4 pulgadas de diámetro en adelante y están
encerradas en una membrana de caucho. Deberían llevarse a cabo, por lo menos
con presión lateral variable (es decir, de presión en el líquido que llena el
cilindro). Si la muestra de suelo está sólo parcialmente saturada y se puede aplicar
la ecuación:
s
= c + p tang fjJ
el diagrama de Mohr resultante es el tipo del que aparece en la figura. Si, no
obstante, la muestra está saturada, el ensayo se hace de diferente manera.
Ensayo lento (S): Después de alcanzada la consolidación total de la muestra en el
o
Presión normal p
cilindro de ensayo mediante la aplicación de una presión lateral determinada, la
carga axil (vertical) que actúa sobre la muestra de aplica a.su destrucción, pero tan
lentamente como para permitir que el agua de la muestra pueda escapar con
facilidad tal que impida la nociva acción de la presión de poros. Este ensayo imita
el comportamiento de una masa de terreno sobre la que se ha edificado lentamente
una construcción; por ejemplo, una presa. Si la arcilla no ha estado sometida a
54
compresión por la naturaleza misma. La envolvente de Mohr pasa por origen de
coordenadas O del diagrama experimental. Si la arcilla esta precomprimida la
resistencia cortante de la muestra que se ensaya no aumenta y las deformaciones,
cuando se somete a la acción de carga, son muy pequeñas hasta el momento en
que la carga ( es decir, presión unitaria normal ejercida obre el material) alcanza
cierto valor f.c. denominado carga unitaria de preconsolidación.
t\ Ensayo rápido. En este ensayo no se permite la consolidación ni la eliminación
del agua de poros. Mientras que en el ensayo S se lleva acabo mediante
escurrimiento del agua contenida, el Q se hace sin escurrimiento. La carga axil se
aplica con rapidez, y la envolvente de Mohr es una línea horizontal, lo que quiere
decir que el ángulo de resistencia al esfuerzo cortante fjJ = O. La carga unitaria
crítica PI' es igual, en este caso, a la resistencia la compresión qu que se obtiene
mediante la prueba de compresión sin contención.
El denominado método fjJ = O, se basa en el ensayo triaxial Q, es decir, en la
hipótesis de que el ángulo de resistencia al esfuerzo cortante de un suelo es nulo,
aunque en realidad pueda ser muy distinto de cero. Esto corresponde a la situación
que supone la falla de drenaje bajo la construcción.
Ensayo de compresión sin contención. Esta prueba se emplee en los materiales
dotados de cohesión, lo mismo en el caso de que ofrezcan alguna fricción o que
estén totalmente desprovistos de ella (fjJ = O). La carga unitaria que logra la
destrucción de la muestra es la resistencia a la compresión sin contención del
material (cuyo símbolo es qll)' Por o general, para las arcillas y para aquellos
materiales que se componen como ellas, la resistencia es más o menos la mitad de
la resistencia a la compresión sin contención (1/2 qll)' Las mezclas de arena y
arcilla manifiestan un valor excesivamente pequeño de la resistencia a la
compresión, lo cual, sin embargo, no es Índice de la capacidad del material.
El esquema de destrucción de la muestra en este ensayo es el mismo que en las
rocas. Las muestras plásticas se dilatan en forma de barril. En este caso la carga
unitaria que origina un decremento predeterminado de la altura de la muestra (por
lo general, de un 15 ó 20%) se admite que la resistencia a la compresión sin
contención.
55
Ensayos directos de resistencia cortante. En esta clase de pruebas la carga normal
P tiende a retener en su sitio la probeta o muestra, mientras que la fuerza
tangencial T, directamente aplicada, tiende a separar una porción de la muestra de
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la otra. Esto se consigue colocando la muestra en dos cajas superpuestas, una de
las cuales es movible. En el dispositivo de doble prueba cortante, una probeta
cilíndrica queda contenida dentro de los tres anillos que constituyen palie
integrante de un desmuestrador de campo para suelos, y luego se desaloja el anillo
medio. Se muestra un procedimiento gráfico para la determinación de los valores
rjJ y c. Como consecuencia de la irregular distribución de esfuerzos y de la
variación de la sección transversal real de la probeta durante el ensayo, solamente
se obtiene una idea bastante aproximada de la resistencia cortante del material.
Ms~
Ensayos de esfuerzos cortantes mediante aspa. El método de medida de la
StA. - ~l9-
resistencia de los suelos al esfuerzo cortante, sobre el terreno, mediante molinillo,
aspa o paleta fue ideado en Suecia y luego se extendió a Inglaterra.
tH~~áJ
S~.
En su forma más sencilla, el dispositivo se compone de una aspa de cuatro brazos
fija a una varilla vertical. El aspa puede hincarse dentro de un tubo, como en los
de toma muestras, o también directamente en el terreno, caso de que las
circunstancias del suelo lo permitan. La varilla dl aspa gira arrastrada por la
rotación de una palanca unida aun extremo superior a razón de 0,10 /seg,
aproximadamente. El ángulo de rotación 2 a se mide en el circulo graduado
horizontal del aspa. La fuerza aplicada se mide mediante uno o dos muelles
compensadores fijos a la palanca y la placa fija (lecturas PI y P2). Cuando queda
rebasada
la resistencia del material térreo, comienza a descender las lecturas de
{f
los compensadores. Para calcular la resistencia del material al esfuerzo cortante se
aplican las lecturas críticas correspondientes a 2a, PI y P2 en la ecuación:
f
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t ( "f\ -l: c. \. -\-b
(D'
tCW~~1
56
C> ------
a
y la resistencia del material s al esfuerzo cortante es:
Si Pi Y P2 se expresan en libras, la ecuación nos da la resistencia s al esfuerzo
cortante del material en libras por pulgada cuadrada.
Parece ser que los resultados que proporciona el método del aspa están de
acuerdo, con bastante exactitud, con los que se obtiene por el método de ensayos
de compresión sin contención, para muestras obtenidas en profundidades de hasta
15 metros.
18.- INVESTIGACION SUBTERRANEA.
Método de sondeo por tubo hincado. Cuenta de golpes. Los tres métodos que
hay para clavar el tubo en el terreno son el gato, el empuje continuo y el martillo.
En el primero se produce un lento movimiento intermitente del tubo con palancas,
tomillos comerciales o gatos hidráulicos. En el segundo se comunica al tubo un
movimiento continuo aplicándole una fuerza constante que lo empuja sin
interrupción hacia abajo. Los dos primeros métodos, se consideran preferibles al
martilleo, es decir, golpes repetidos de un martinete de caída libre, o unos cuantos
golpes con una barra maestra pesada que produce un movimiento rápido e
intermitente del tubo. En el método del martilleo, el impacto y las vibraciones del
cuerpo pesado aplicado al tubo producen grandes daños en la estructura del testigo
y disminuyen su resistencia a los esfuerzos cortante y de compresión. No obstante
se emplea mucho este procedimiento, puesto que la cuenta de golpes hecha
mientras se martillea da, en el campo, siquiera aproximadamente, una
característica del terreno, fácilmente obtenible y muy palpable (yen muchos casos
suficientemente correcta).
Ensayo normalizado de penetración. Este ensayo consiste en clavar una cuchara o
tubo portatestigos normalizados por medio de un peso de 140 libras que cae
libremente de una altura de 30 pulgadas. Las primeras 6 ó 7 pulgadas de
penetración no se consideran, pero se cuentan los golpes necesarios para clavar el
tubo en los pies siguientes.
Terzaghi propuso un gráfico para ,estimar, a partir del ensayo normalizado de
penetración, las presiones permisibles para zapatas de cimentación en arena. Fue
57
';['
un comienzo excelente, pero todo el que vaya a utilizar las curvas debe ajustarlas
de acuerdo con su propia práctica de sondeos en arenas y otros suelos. Por
ejemplo, se ha admitido a veces que la cuenta de 10 golpes por pie indica un
terreno razonablemente bueno que puede soportar una carga total (es decir, peso
muerto, vivo más sísmico) de una 4.000 libras por pie cuadrado a más, según la
profundidad de la base de la zapata bajo la superficie del terreno.
Los datos de las investigaciones, indican que, además de la densidad relativa y,
por tanto, densidad en seco, la cuenta de golpes en un terreno arenoso, uniforme y
homogéneo aumenta con la profundidad. En otras palabras, par hacer que penetre
el tubo un pie en el terreno se necesita más energía a profundidad mayor que cerca
de la superficie. En efecto, el ensayo de penetración es básicamente un ensayo de
resistencia al esfuerzo cortante y esta resistencia, en un depósito de arena,
uniforme depende, del peso del recubrimiento o de la sobrecarga, es decir, de la
profundidad desde la superficie. El aumento en el contenido de agua en arenas
sueltas tiene solamente un efecto de menor cuantía en la resistencia a la
penetración. Sin embargo, par fuertes contenidos de agua, hay tendencia a
disminuir la resistencia a la penetración.
CORRELACION EN ARCILLAS
Consistencia
No. de golpes N
Muy blanda
Blanda
Media
Firme
Muy firme
Dura
<2
2-4
4-8
8 -15
15 - 30
> 30
Resistencia a la compresión
simple qll
< 0,25
0,25 - 0,50
0,50 - 1,00
1,0 - 2,0
2,0-4,0
> 4,0
58
La arena fina es, en general, un terreno excelente para cimentaciones si se evitan
que puedan fluir de debajo de la fundación o si es ligeramente cohesiva por estar
mezclada con algo de arcilla. Sin embargo, la cuenta de golpes en este terreno
puede ser baja. A veces, por la proximidad del agua freática, se puede explicar un
decrecimiento del número de golpes en un terreno aparentemente uniforme. Las
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10
15
20
Anchura B de la zapata del
muro, en pies
arenas finas saturadas de agua pueden parecer fluidas bajo el golpe del martinete.
Una cuenta elevada de golpes indica buenas características para cimentación en
terrenos con una estructura estable, principalmente en arenas gruesas. En terrenos
de estructura alterable, como arcillas o limos, la cuenta de golpes indica solamente
la resistencia al esfuerzo cortante en el momento en qué se hizo el ensayo.
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3,0
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20
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N, número de golpes para 30 cm de penetración
59
I
I
I
suelta
Compacidad relativa
(2) Relación para arenas finas y para arenas limosas
I
En tal caso, los resultados del ensayo no pueden aplicarse para largos períodos,
por las variaciones del contenido de agua, alteración de la estructura debida al
aumento de aquélla, cambios en sus propiedades fisicoquímicas de los minerales
constituyentes de la arcilla y otros factores. La cuenta de golpes sólo puede
considerarse como un método burdo, semicualitativo, de las condiciones que
reúne cierto terreno para cimentaciones.
I
I
I
I
60