Ing. Luis Segura TerronesIng. Luis Segura Terrones

INGENIERIA CIVIL

MECANICA DE SUELOS I

La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por la desintegración mecánica o la descomposición química de las rocas, independientemente de que tengan o no materia orgánica.

Terzaghi dijo:

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.

La Mecánica de Suelos es una ciencia que trata de responder, entre otras, a las siguientes cuestiones:

1)Comportamiento del suelo cuando es sometido a una carga externa (resistencia del suelo, deformaciones que experimenta, distribución interna de las tensiones, etc.)2)Comportamiento y calidad del suelo para su uso como material de construcción (terraplenes de carreteras, presas de materiales sueltos, etc.)3)Calculo de las acciones que un suelo ejerce sobre una estructura (acciones sobre estructuras como muros de contención de tierras, pantallas, túneles, etc.)4)Análisis de la estabilidad de taludes naturales o artificiales como los de presas de materiales sueltos.

I.1. INTRODUCCIÓN.

La consecución de estos objetivos requiere datos sobre las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los suelos y para ello, la Mecánica de Suelos emplea las siguientes herramientas:

a)Realización de ensayos “in situ”b)Sondeos y/o calicatas para la toma de muestras para su posterior ensayo en laboratorio.

El objetivo de estas técnicas es determinar parámetros característicos del suelo (cohesión, ángulo de rozamiento interno, módulo de elasticidad, etc.) que empleándolos en modelos matemáticos den respuesta a los objetivos anteriores. A este conjunto de técnicas es a lo que se denomina “Reconocimiento y/o estudio geotécnico del terreno”.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.1. INTRODUCCIÓN.

La dificultad con la que nos encontraremos se debe a que el suelo tiene dos características:

a)Variabilidad espacial de sus propiedades. Las propiedades de un suelo pueden ser muy diferentes de un punto a otro relativamente próximos (suelos poco homogéneos).b)Variabilidad temporal. Como ejemplo, las arcillas en período húmedo tienen poca resistencia pero cuando se secan tienen una resistencia media-alta.

Estas dos características originan incertidumbre ante el comportamiento del suelo. Para estar del lado de la seguridad se deberán usar factores de seguridad que oscilarán entre dos y tres.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.1. INTRODUCCIÓN.

El suelo es la capa más superficial de la corteza terrestre, constituida por fragmentos de roca de diferente tamaño. Esta capa puede tener hasta varios cientos de metros y se distinguen dos capas:

La más superficial presenta una intensa actividad biológica (contiene micro-organismos, raíces, materia orgánica, etc). Este es el suelo edáfico y no es apto como material de construcción ni para soportar cargas significativas. La retirada de esta capa es necesaria para construir y serealiza mediante la operación de desbroce.

La capa más profunda está constituida por materiales totalmente inertes y es el objeto de laMecánica de Suelos.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I .2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

El suelo procede de la fragmentación de grandes masas de rocas. Los distintos tipos de roca son:

Ígneas: Formadas por el enfriamiento de magma. Se dan en las proximidades de rocas volcánicas.

• De grano grueso: granito, diorita, gabro.• De grano fino: ryolita, basalto.• Lavas: Escorias, obsidiana.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

Sedimentarias: los fragmentos de roca meteorizados son transportados por el viento, agua o gravedad y se depositan en estratos o capas que posteriormente son compactados y cementados. Destacan las areniscas, conglomerados, calizas y dolomías.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

Metamórficas: Se originan por la acción de altas presiones y temperaturas sobre rocas sedimentarias o ígneas. Cabe destacar la antracita, la cuarcita, y el gneis.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

A su vez, los suelos se clasifican en:

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

a) Suelos residuales: no han experimentado ningún fenómeno de transporte, es decir, se han formado “in situ”. Son típicos de zonas llanas y con intensas lluvias (trópicos).

b) Suelos transportados: Coluviales: trozos de roca que por gravedad caen por la ladera y se

depositan de una forma anárquica.

Aluviales: se producen en las zonas medias y bajas de las cuencas de grandes ríos donde los materiales son arrastrados por el río y son depositados de una manera estratificada en función de su peso.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.2. ORIGEN Y FORMACIÓN DE UN SUELO.

Existen tres factores que influyen en el comportamiento de un suelo:

1)Naturaleza y composición mineralógica.Los silicatos son los minerales más abundantes y forman los minerales de las arcillas. Éstas tienen una estructura laminar en capas y presentan un déficit de carga negativa en su superficie que es compensado por cationes positivos adsorbidos que compensan el déficit creando una doble capa difusa.

Algunos minerales de arcilla, por su estructura laminar, pueden absorber mucha cantidad de agua y tienen un gran poder de retención de la misma. Este agua produce un incremento de volumen en el mineral que disminuye drásticamente cuando se seca (retracción). Se trata, por tanto, de suelos expansivos muy perjudiciales para la construcción porque los incrementos devolumen no se producen de manera uniforme, es decir, se originan empujes relativos de una zona a otra y los procesos de retracción producen importantes asientos.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

Existen tres factores que influyen en el comportamiento de un suelo:

1)Naturaleza y composición mineralógica.

Por otro lado cabe mencionar los sulfatos, que son muy solubles, pudiendo ser disueltos y arrastrados por los flujos de agua subterránea, perdiéndose material y aumentando, consecuentemente, la porosidad. A veces se llegan a formar oquedades pudiendo producir el colapso de una estructura.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

Existen tres factores que influyen en el comportamiento de un suelo:

2) Textura.

Se trata de la distribución por tamaños de las partículas de un suelo. Siguiendo la clasificación propuesta por la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), éste se clasificará dependiendo de su textura en arcilla, limo, arena, grava y cantos rodados.

La textura afecta al comportamiento del suelo porque al aumentar el tamaño de las partículas también aumenta la resistencia de éste. La textura también influye en la conductividad hidráulica; los materiales finos tienen baja conductividad hidráulica.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

A la fracción de arenas, gravas y cantos rodados se le suele denominar fracción gruesa y a la fracción de limo y arcilla se le denomina fracción fina.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

Existen tres factores que influyen en el comportamiento de un suelo:

3) Estructura.Es la disposición relativa de unas partículas respecto a otras. En los suelos granulares la estructura viene determinada por la forma de las partículas, mientras que en los suelos de textura fina depende del tipo de fuerzas que predominan.

Las partículas de los suelos de textura gruesa pueden ser desde angulosas hasta redondeadas, existiendo también tipos intermedios.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

A: Angulosas; B: Subangulosas; C: Subredondeadas; D: Redondeadas; E: Muy redondeadas.

Las partículas angulosas pueden provenir de una roca o material que no ha sido erosionado por el agua de manera importante. Las partículas redondeadas son cantos rodados y están en las laderas y proximidades de los ríos. Las partículas angulares encajan mejor y tienen mayor resistencia y mejor comportamiento que los cantos rodados.

En los suelos de textura fina, como las arcillas, la estructura viene determinada por la fuerza predominante, pudiéndose distinguir:

Estructura dispersa: se debe a las fuerzas de repulsión y se puede explicar diciendo que son paquetes dispuestos paralelamente. Existe anisotropía siendo los valores de la conductividad hídrica considerablemente mayores en la dirección de los paquetes.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

Estructura floculada: se asemeja a un castillo de naipes y se debe a las fuerzas de atracción. Tiene una conductividad hidráulica y una porosidad mayor que la estructura dispersa ya que el diámetro efectivo de los poros es mayor. Además presenta un mayor grado de isotropía y menor densidad, sin embargo la resistencia es menor.

I. EL SUELO COMO MATERIAL DE I. EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.CONSTRUCCIÓN.

I.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DEL SUELO

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

a) Relaciones peso-volumen

Como se mencionó en el apartado anterior, el suelo constituye un sistema de varias fases. La figura siguiente muestra un elemento típico de suelo que contiene 3 fases diferenciables: sólida (partículas minerales), líquida (agua generalmente) y gaseosa (aire o gas). La parte de la izquierda representa las tres fases como podrían presentarse en un elemento de suelo natural. En la parte de la derecha se han separado las tres fases con el fin de facilitar la deducción de las relaciones entre ellas.

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Para desarrollar las relaciones Volumétricas y gravimétricas, separamos las tres fases:

V: Volumen total del elemento de sueloVs: Volumen ocupado por las partículas de sueloVw: Volumen ocupado por la fase líquida (agua)Va: Volumen ocupado por la fase gaseosa (aire)Vv: Volumen ocupado por los huecos (fase líquida+fase gaseosa)

W: Peso total del elemento de sueloWs: Peso de las partículas de sueloWw: Peso de la fase líquida (agua)Wa: Peso de la fase gaseosa (aire)≈ 0

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Relaciones en volumen

Índice de vacios:

Porosidad:

Grado de saturación:

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Las relaciones entre el índice de vacíos y la porosidad son las siguientes:

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Relaciones en peso:

Humedad:

Peso específico de las partículas sólidas:

Peso específico del agua:

Peso específico seco:

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Relaciones en peso:

Peso específico aparente:

Peso específico saturado (Vv = Vw =e)

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

Peso específico saturado (Vv = Vw =e)

b) Densidad o compacidad relat ivaUna magnitud muy empleada para caracterizar la compacidad de un suelogranular es la densidad relat iva, definida como:

RELACION VOLUMETRICA Y GRAVIMETRICA

• EL peso especifico se expresa en kN/m3. Como el N es una unidad derivada, a veces es conveniente trabajas con densidades del suelo. La unidad SI de densidad es Kg/m3.

• Densidad • Densidad seca

LA MECÁNICA DE SUELOS INCLUYE:

• Teorías sobre el comportamiento de los suelos sujetos a cargas, basadas en simplificaciones necesarias dado el estado actual de la teoría.

• Investigación de las propiedades físicas de los suelos.

• Aplicación del conocimiento teórico y empírico de los problemas prácticos.

Edificios

Todas las estructuras deben fundarse sobre el suelo

Puentes

Todas las estructuras deben fundarse sobre el suelo

Carreteras

Todas las estructuras deben fundarse sobre el suelo

Tuneles

Todas las estructuras deben fundarse sobre el suelo

FUNDACION ADECUADA

CIMENTACIONES SUPERFICIALES (ZAPATAS)

CIMENTACIONES PROFUNDAS

TIPOS DE CIMENTACIONES

EL SUELO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCION

G R A C I A S . . . !G R A C I A S . . . !