Introducción a la Mecánica de Suelos

Introducción a la Mecánica de Suelos

• El estudio de la Mecánica de Suelos es fundamental en ingeniería porque toda obra se cimenta en el suelo.
• La economía y seguridad de una construcción dependen en gran medida del comportamiento del suelo.
• La precisión en el diseño estructural se compromete si se desconoce el comportamiento del suelo donde se cimenta la estructura.
• Antes, las construcciones se cimentaban en roca o suelos compactos pero, debido al aumento de la población, se construye en zonas con suelos de baja resistencia.
• Los suelos con deformaciones o filtraciones complican la cimentación.
• El suelo puede usarse como material de construcción en bases de caminos, presas de tierra, muros, etc.
• El suelo varía en sus propiedades de un lugar a otro, haciendo necesario su estudio para garantizar seguridad y economía.
• La Mecánica de Suelos estudia las características del comportamiento del suelo como material de construcción o soporte.
• Terzaghi definió la Mecánica de Suelos como la aplicación de leyes de la Mecánica e Hidráulica a sedimentos y acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas provenientes de la desintegración de rocas.
• La definición anterior es independiente del contenido de materia orgánica.

Definición de Suelo

• El término "suelo" tiene diferentes significados según el contexto:
• Para el agrónomo, es la capa superficial de la corteza que sustenta la vida vegetal, concepto limitado para la ingeniería.
• Para el geólogo es material que da vida (materia orgánica), o capas sueltas hasta la roca sólida formadas por intemperismo y desintegración de rocas.
• Para el ingeniero civil es una acumulación de materiales poco o nada cementados, de naturaleza y espesor variable, donde el agua juega un papel fundamental.
• En resumen, suelo es todo material de la corteza terrestre que no es roca dura.
• A los ingenieros les interesan las propiedades mecánicas del suelo medidas con parámetros cuantitativos para calcular la estabilidad de fundaciones y estructuras de tierra.
• Las propiedades mecánicas incluyen:
  • Resistencia al corte: medida por la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (φ).
  • Deformación del suelo: medida por asentamientos (Δa) y el coeficiente de consolidación (Cc).
  • Permeabilidad: medida por el coeficiente de permeabilidad (k).

Formación de los Suelos

Desintegración de Rocas

• Las rocas de la corteza terrestre se transforman en materiales sueltos a través de la desintegración mecánica y la descomposición química.

Definición de Roca

• Es fundamental comprender qué se concibe como roca.

Perspectivas sobre la Roca

• Para el geólogo, es cualquier material coherente de la corteza terrestre con más de un millón de años.
• Arcillas, lutitas y arenas son rocas para el geólogo y suelos para el ingeniero.
• Para el ingeniero civil, es un material endurecido que requiere taladros, cuñas o explosivos para excavar.
• También se define como un depósito coherente, duro y rígido de origen ígneo, sedimentario o metamórfico.

Clasificación de las Rocas

• Rocas ígneas: Formadas por el enfriamiento del magma fundido y clasificadas por textura, composición mineralógica, color y origen.
  • Rocas ígneas intrusivas (plutónicas): El magma se solidificó dentro de la corteza terrestre.
  • Rocas ígneas extrusivas: El magma se solidificó después de alcanzar la superficie.
  • Ejemplos: granito, gabro, riolita, basalto, obsidiana y escoria.
• Rocas sedimentarias: Formadas por procesos de meteorización, transporte, depositación y cementación.
  • Ejemplos comunes: lutita, arenisca y caliza.
• Rocas metamórficas: Formadas por metamorfismo a altas temperaturas y presiones de rocas sedimentarias o ígneas ubicadas profundamente en la tierra.
  • El proceso causa alteraciones químicas y físicas.
  • Ejemplos: pizarra, esquisto, gneis, cuarcita y mármol.

Procesos de Formación del Suelo

• Procesos mecánicos (intemperismo mecánico o meteorización física): Desintegración de la roca sin cambiar la mineralogía de los granos.
  • Solidificación del magma
  • Agentes de intemperismo mecánico: cambios de temperatura, congelación del agua, viento, y lluvia.
  • Erosión del material adyacente: debido a la liberación de esfuerzo tras la remoción de material superficial.
  • Transporte del material: por gravedad, agua y viento.
  • Depositación del material
• Descomposición química: Acción de agentes que modifican la constitución, mineralogía o química de las rocas.
  • Carbonatación, oxidación e hidratación.

Agentes de Cambios Físicos

• El sol: Calienta el exterior de las rocas, causando expansión diferencial y esfuerzos que resultan en rompimientos y desprendimientos.
• El agua: En movimiento, erosiona al arrastrar fragmentos angulares, formando partículas redondeadas conocidas como "de canto rodado" que se encuentran en ríos.
  • La lluvia erosiona al formar grietas y desintegrar partículas.
• El viento: Erosiona al arrastrar arena, como en médanos (suelos arenosos desérticos) y loess (suelos eólicos).
  • Afecta taludes de suelos arenosos al desprender y arrastrar partículas.

Agentes de Cambios Químicos

• Oxidación: Reacción química en rocas al recibir agua de lluvia, donde el oxígeno reacciona en presencia de humedad, oxidando principalmente rocas con hierro.
• Hidratación: Combinación de un cuerpo con agua, formando hidratos o compuestos químicos con agua en combinación, absorbiéndose y formando nuevos minerales.

Transporte y Deposición

• Arroyos, corrientes oceánicas, olas, viento, aguas subterráneas, glaciares y gravedad erosionan y transportan suelo, fragmentos de rocas y sedimentos.
• Los agentes transportadores ocasionan cambios físicos en las partículas transportadas.
• La erosión es la desintegración de la superficie terrestre por acción mecánica.
• Las partículas erosionadas disminuyen de tamaño para facilitar su transporte.
• Los depósitos de suelo se clasifican según el modo de transporte.
• Depósitos Eólicos: El viento transporta sedimento de partículas pequeñas.
  • El depósito ocurre cuando la velocidad del viento disminuye.
  • El viento clasifica las partículas, dejando las más grandes y llevándose las más pequeñas.
• Depósitos Glaciales: Los glaciares transportan rocas de todo tamaño y sedimentos desde laderas.
  • La confluencia de glaciares causa la formación de morrenas, las cuales transportan material de todo tamaño.
  • Los depósitos glaciales varían mucho en sus propiedades físicas.
• Depósitos Aluviales: La lluvia desprende partículas sueltas y polvo de rocas.
  • Los depósitos aluviales son resultado de deposición pluvial (lluvia) y fluvial (ríos).
  • Las partículas son transportadas por una corriente de agua.
  • La deposición se realiza al disminuir la pendiente de la corriente, perdiendo velocidad.
  • Las partículas de todo tamaño colisionan constantemente, resultando en bordes redondeados.
• Depósitos Lacustres: La deposición en lagos de agua dulce o salada consiste en sedimento pequeño en el fondo.
  • En agua salada, la floculación de partículas coloidales se acelera.

Ciclo de la Roca

• Proceso geológico lento donde la roca se transforma en rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.
• El ciclo inicia cuando el magma sale a la superficie por erupciones volcánicas, enfriándose y formando rocas ígneas extrusivas o intrusivas.
• Las rocas pueden volver a fundirse en erupciones futuras o sufrir metamorfismo por presión y temperatura, transformándose en rocas metamórficas.
• Durante una erupción, el material piroclástico se esparce y meteoriza, formando suelo.

Tipos de Suelo

• Gravas: Acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas de más de 2 mm de diámetro, transportadas por agua y con desgaste en sus aristas (varían de 2 a 76.2 mm).
• Arenas: Partículas de grano fino procedentes de la trituración de rocas, con proporciones de grava y arcilla.
  • Las arenas limpias no se contraen al secarse ni son plásticas, son menos compresibles que las arcillas y se comprimen instantáneamente bajo carga (diámetro de 0.05 a 2 mm).
• Limos: Suelos de grano fino con nula o poca plasticidad.
  • Sueltos y saturados, son inadecuados para soportar carga por zapatas.
  • Varían de color claro a gris oscuro, con permeabilidad baja y compresibilidad alta, por lo que no son aptos para cimentar (diámetro de 0.005 a 0.05 mm).
• Arcillas: Partículas sólidas con un diámetro menor de 0.005 mm y adquieren plasticidad al mezclarse con agua.
  • Generalmente tienen alta compresibilidad, siendo pobres como suelo de cimentación, aunque hay métodos para mejorar sus características.
• Talpetate: Material de consistencia dura y color café oscuro, compuesto de arenas, limos y arcillas en proporciones variables.
  • Tiene un cementante de arcilla o carbonato de calcio.
  • Es un suelo compactado y duro debido a la consolidación bajo cargas grandes.
  • Es un buen material para cimentaciones.

Otras Definiciones

• Suelos residuales: Remanentes de la intemperización de rocas no acarreadas.
• Suelen ser arenosos o gravosos con óxidos resultantes de la lixiviación como laterita y caolinita.
• Perfil de meteorización: Secuencia de materiales con diferentes propiedades formados tanto por ataque mecánico como por descomposición química.
• Varía por el tipo y estructura de la roca, topografía, condiciones de erosión, régimen de aguas subterráneas y clima.
• Estructuras heredadas: Juntas, grietas, fallas y otros defectos estructurales que el suelo hereda de la roca original
• Suelos Transportados: Son depósitos removidos de su lugar de formación y redepositados en otra zona, como aluvión o arena arrastrada por el viento.
• Suelos Aluviales (aluvión): Materiales depositados por corrientes y ríos como arenas y gravas.
  • Los depósitos aluviales tienen buena graduación, pero se presentan en formaciones discontinuas e irregulares.
• Suelos Cohesivos: Contienen partículas de arcilla y/o limo que imparten cohesión y plasticidad.
• Suelos no Cohesivos: Partículas redondas (no laminares) y sin plasticidad, como arenas o gravas.
• Suelo Orgánico: Mezcla de granos minerales y materia orgánica de origen vegetal en diversos grados de descomposición.
  • Se origina en lagos, bahías, estuarios, puertos y pantanos.
  • Tiene textura tersa al tacto, color oscuro y olor peculiar.
• Turba: Constituida totalmente por materia orgánica, es esponjosa, compresible y combustible.
  • Representa muchos problemas en ingeniería debido a su alta compresibilidad, relación de vacíos, contenido de humedad y acidez.
• Loess: Limo depositado por el viento, de partículas uniformes y baja densidad natural.
  • Contiene agujeros verticales o huecos dejados por raíces y cierta aglomeración.
  • Difícil de compactar, y requiere un control estricto del contenido de agua.
  • Si se satura, las cimentaciones pueden sufrir asentamientos.