Megaapunte Geotecnia PDF

MEGA APUNTE GEOTECNIA 1  CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ¿Qué es la ingeniería Geotécnica? Principios de Ingeniería. Fundamentos de la Mecánica. Comportamiento del Material. Características básicas de los suelos. Tipos de estructuras geotécnicas. Factores de seguridad y de c...

MEGA APUNTE GEOTECNIA 1  CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ¿Qué es la ingeniería Geotécnica? Principios de Ingeniería. Fundamentos de la Mecánica. Comportamiento del Material. Características básicas de los suelos. Tipos de estructuras geotécnicas. Factores de seguridad y de carga. Suelo: Se define como el agregado no cementado de granos minerales y materia orgánica descompuesta (partículas sólidas) con líquido y gas en los espacios vacíos entre las partículas sólidas. INGENIERIA GEOTECNICA: Es la rama de la Ingeniería Civil que enfoca su estudio en las propiedades mecánicas e hidráulicas de suelos y rocas, tanto en superficie como en subsuelo, incluyendo la aplicación de la mecánica de suelos y mecánica de rocas en el diseño de cimientos de estructuras de contención y estructuras de tierra. Principios de ingeniería En términos de ingeniería civil, la comprensión de la ingeniería geotécnica, como se conoce hoy en día, comenzó a principios del siglo XVIII. La Geotecnia surge a partir de tratar de explicar los fenómenos de asentamiento que se daban en estructuras que a pesar de que estaban bien diseñadas y calculadas en base a los materiales disponibles para la época se deformaban y rompían. En algunos casos la presión de base excedía la capacidad de soporte de carga del suelo y con ello se causaban grandes daños estructurales. Después de encontrarse con varios problemas relacionados con la cimentación durante la construcción en los siglos pasados, los ingenieros y científicos comenzaron a estudiar las propiedades y el comportamiento de los suelos de una manera más metódica comenzando en la primera parte del siglo XVIII. Basado en el énfasis y la naturaleza del estudio en el área de la ingeniería geotécnica, el período que se extiende desde 1700 hasta 1927 se puede dividir en cuatro periodos principales: ▪ Periodo Preclásico de la mecánica de suelos (1700 a 1776) ▪ Mecánica de suelos: periodo Clásico-Fase I (1776 a 1856) ▪ Mecánica de suelos: periodo Clásico-Fase II (1856 a 1910) ▪ Mecánica de suelos moderna (1910 a 1927) Período preclásico de la mecánica de suelos (1700 a 1776) Estudios relativos a la pendiente natural (hoy conocido como ángulo de reposo) y pesos unitarios de diversos tipos de suelos (por Gautier), así como las teorías de empuje semiempíricas (por Belidor) y se propone una clasificación de suelos: 2  También se descubre la existencia de planos de deslizamiento en el suelo como fallas (Gadroy) y se estudia la estabilidad de taludes distinguiendo la tierra intacta de la saturada (Perronet). Mecánica de suelos: periodo clásico - fase I (1776 a 1856) En 1776, Coulomb utilizó los principios de cálculo de máximos y mínimos para determinar la verdadera posición de la superficie de deslizamiento en el suelo detrás de un muro de contención, utilizando las leyes de la fricción y la cohesión de los cuerpos sólidos (teoría deCoulomb). Luego en 1820, los casos especiales de trabajo de Coulomb fueron estudiados por Francais y Navier, relacionados con rellenos y rellenos de apoyo con recargo inclinados. Más tarde en 1840, Poncelet extendió la teoría de Coulomb, proporcionando un método gráfico para determinar la magnitud de la presión lateral de la tierra en las paredes de retención verticales e inclinadas con superficies poligonales de tierra arbitrariamente rotas, y proporcionó la primera teoría sobre cojinetes de capacidad extrema en cimentaciones superficiales. En 1846, Collin proporcionó los detalles de deslizamientos profundos en las laderas de arcilla, cortes y terraplenes. Teorizaba que, en todos los casos, la falla se lleva a cabo cuando la cohesión movilizada excede la cohesión existente del suelo. También observó que las superficies reales de fallo pueden ser aproximadas como arcos de cicloides. El final de la primera fase del periodo Clásico de la mecánica de suelos está generalmente marcado por el año 1857, donde Rankine proporciona una teoría notable sobre el empuje y el equilibrio de las masas de tierra. La teoría de Rankine es una simplificación de la teoría de Coulomb. Mecánica de suelos: periodo clásico - fase II (1856 a 1910) Varios resultados experimentales de las pruebas de laboratorio en la arena aparecieron. Darcy, en 1856, publicó un estudio muy importante sobre la permeabilidad de los filtros de arena, definiendo el coeficiente de permeabilidad (o conductividad hidráulica) del suelo, parámetro muy útil hasta hoy en día. Darwin llevó a cabo pruebas de laboratorio para determinar el momento de vuelco en una pared de arena con bisagras de retención en los estados suelto y denso de la compactación. En 1885, Boussinesq, desarrolló la teoría de la distribución de tensiones bajo las áreas de rodamientos cargados en un medio homogéneo, semiinfinito, elástico e isótropo. En 1887, Reynolds demostró el fenómeno de dilatancia en la arena. Clibborn y Beresford estudiaron en relación con el flujo de agua a través del lecho de arena y la presión de elevación. Mecánica de suelos moderna (1910 a 1927) En este periodo, los resultados de la investigación llevada a cabo en arcillas se publicaron y se establecieron las propiedades y los parámetros fundamentales de la arcilla. Las publicaciones más relevantes se describen a continuación: En 1908, Atterberg define las fracciones de arcilla de tamaño natural como el 3 porcentaje en peso de partículas menores de 2 micras de tamaño. Se dio cuenta de la importancia del papel de las partículas de arcilla en un suelo y la plasticidad de los mismos. En 1911 explicó la consistencia de los suelos cohesivos mediante la definición de líquido, plástico y los límites de contracción. También definió el índice de plasticidad como la diferencia entre el límite líquido y límite plástico. Bell en 1915 desarrolló relaciones de presión lateral y resistencia en la arcilla, así como de capacidad de carga en cimentaciones superficiales en arcilla. También utilizó las pruebas de caja de cizalla para medir la resistencia al corte sin drenaje de las muestras de arcilla inalteradas. Fellenius desarrolló el análisis de la estabilidad de las pistas de arcilla saturadas (es decir, condición fi = 0) con el supuesto de que la superficie de deslizamiento crítico es el arco de una circunferencia, y dio soluciones numéricas correctas para los números de estabilidad de las superficies de deslizamiento circulares que pasan por el pie del talud. Como hito importante, Terzagui desarrolló la teoría de la consolidación de las arcillas como la conocemos hoy en día, que fue publicada en 1925 y estudiada desde 1919 a 1924 con cinco diferentes suelos arcillosos. Terzaghi descubrió que las estructuras estaban sobre suelos que se deformaban con el tiempo, y desarrolló la teoría de consolidación, y fue esta teoría la que dio inicio a la mecánica de suelos. Al vincular la mecánica de suelos con las estructuras, nace la Geotecnia. La mecánica de suelos por si sola es más teórica y no se vincula de forma práctica e interrelacionada con las estructuras. Con respecto a la ingeniería geotécnica después de 1927, Karl Terzaghi es conocido como el padre de la mecánica de suelos moderna, fue quien guió el desarrollo de la mecánica de suelos e ingeniería geotécnica en todo el mundo. La primera conferencia de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones (ISSMFE) se celebró en la Universidad de Harvard en 1936, presidida por Karl Terzaghi, donde llevo documentos que cubrieron temas como: - Esfuerzos efectivos - Resistencia al corte - Prueba con el penetrómetro de cono holandés - Consolidación - Pruebas de centrifugado - Teoría elástica y distribución de los esfuerzos - Precarga para el control de asentamiento - Expansión de las arcillas - Acción del hielo - Terremoto y licuefacción del suelo - Vibraciones de máquinas - Teoría de arco de presión de tierras A continuación, se presentan algunos aspectos destacados en el desarrollo de la mecánica de suelos e ingeniería geotécnica que se desarrolló después de la primera conferencia de la ISSMFE en 1936: - Publicación del libro teórico Mecánica de suelos de Karl Terzaghi en 1943 (Wiley, Nueva York); - Publicación de Mecánica de suelos en la práctica de ingeniería de Karl Terzaghi y Peck Ralph en 1948 (Wiley, Nueva York); 4  - Publicación de Fundamentos de mecánica de suelos, de Donald W. Taylor, en 1948 (Wiley, Nueva York), e - Inicio de la publicación en 1948 de Geotechnique, la revista internacional de la mecánica de suelos, en Inglaterra. - Conferencia Regional Europea de Estabilidad de Taludes, Estocolmo (1954) - Primera Conferencia de Australia y Nueva Zelandia sobre las Características de Corte de Suelos (1952) - Primera Conferencia Panamericana, Ciudad de México (1960) - Conferencia de Investigación de Resistencia al Corte de los Suelos Cohesivos, Boulder, Colorado (1960) - En 1948 la publicación del artículo de A. W. Skempton sobre los coefi cientes de presión para diversas obras de ingeniería y (2) - En 1960 la publicación del libro titulado The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Text, por A. W. Bishop y B. J. Henkel (Arnold, Londres) en 1957. A principios de la década de 1950, las soluciones a diferencias finitas y de elementos finitos, con ayuda de computadoras se aplicaban a varios tipos de problemas de ingeniería geotécnica. Éstos siguen siendo una herramienta de cálculo importante y útil en nuestra profesión. En 1960, Bishop, Alpan, Tizón y Donald proporcionan pautas tempranas y resultados experimentales de los factores que controlan la resistencia de los suelos cohesivos parcialmente saturados. Desde ese momento se han hecho avances en el estudio del comportamiento de los suelos insaturados en relación con la fuerza y la compresibilidad, y otros factores que afectan a la construcción de apoyos y estructuras de retención de tierra. Ralph B. Peck Durante el periodo 1938-1939 tomó cursos de Arthur Casagrande en la Universidad de Harvard sobre un nuevo tema llamado “Mecánica de suelos”. De 1939 a 1943 el Dr. Peck trabajó como asistente de Karl Terzaghi, el “padre” de la mecánica de suelos moderna, en el proyecto del metro de Chicago. Algunos ejemplos de sus principales proyectos de consultoría incluyen: Los sistemas de tránsito rápido en Chicago, San Francisco y Washington, DC El sistema de oleoducto de Alaska Proyecto de James Bay en Quebec, Canadá Proyecto de tren expreso de Heathrow (Reino Unido) Diques del Mar Muerto El Dr. Peck fue autor de más de 250 publicaciones técnicas altamente distinguidas. Él fue presidente de la ISSMGE de 1969 a 1973. En 1974 recibió la Medalla Nacional de Ciencia del presidente Gerald R. Ford. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS SUELOS La geotecnia es un área o disciplina que está en una posición intermedia entre las materias, ciencias básicas y las materias de aplicación. Vinculamos esos dos puntos a través del comportamiento de los suelos. Es la mecánica de suelos aplicada a las obras de ingeniería. MECÁNICA DE LOS SUELOS: Es la mecánica aplicada a los suelos. Estudia el comportamiento de un material (aspectos básicos y aplicados del mismo), dicho material es el suelo. 5  Las tres principales propiedades que estudia la mecánica de suelos: o PERMEABILIDAD: capacidad del suelo de permitir a un fluido que lo atraviese por sus poros o vacíos sin alterar su composición. o RIGIDEZ: capacidad o medida de la resistencia del suelo a las deformaciones elásticas, frente a una fuerza aplicada. o RESISTENCIA AL CORTE: medida de la oposición del suelo al deslizamiento de sus partículas a lo largo de cualquiera de sus planos frente a una fuerza externa. Caracterización del suelo según su tamaño predominante de grano (granulometría) en arena, limo, arcilla. Clasificamos al tipo de suelo a través de sus propiedades intrínsecas, es decir que dependen de ellos mismos, y granulometrías. A continuación, imágenes macro y microscópicas de cada una. Los microscopios ópticos y electrónicos miden en micrones. Tipo de suelo: arenas Cuando la vemos en su forma macroscópica se observan piedras o partículas grandes. En las partículas de arena predominan el cuarzo y el feldespato. A veces también pueden estar presentes granos de otros minerales. Está compuesta por finos como arcillas y limos. Tipo de suelo: limos Los limos son las fracciones microscópicas del suelo que consisten en fragmentos de cuarzomuy finos y algunas partículas en forma laminar que son fragmentos de minerales micáceos. Es la tierra marrón que vemos en todos lados, después de muchos años de sedimentación forman estructuras de grandes espesores que son los terrones de suelo. En este caso, el microscopio óptico no funciona porque son pequeñas las partículas, entonces usamos microscopios electrónicos. Estos Impactan con electrones sobre la superficie y dependiendo de cómo refracta el electrón y dónde es capturado por los sensores, nos da una idea sobre la superficie. En la imagen, las piedritas más grandes son las de limo en micrómetros (casi no se pueden tocar con la mano) y las más pequeñas son partículas de arcilla. 6  Tipo de suelos: arcillas Las arcillas son en su mayoría partículas en forma de láminas microscópicas y submicroscópicas de mica, minerales de arcilla y otros minerales. Materiales más finitos que el limo y tienen todos ellos comportamientos completamente diferentes. Cuando se los observa de cerca para comprender su estructura se puede ver un comportamiento relacionado a pequeñas láminas o exfoliaciones. Son extremadamente pequeñas. El comportamiento que el suelo va a tener en su estado macroscópico depende de cómo se comportan las partículas entre ellas a nivel microscópico. De esta manera los materiales gruesos van a estar gobernados por fuerzas gravitatorias; las más finas por fuerzas electrostáticas, fuerzas de Van Der Waals y de atracción entre partículas; y el limo estará comprendido entre esos dos comportamientos típicos. Estudiaremos la escala pequeña para llevarlo a un nivel mayor y luego vincularemos esos conocimientos con la estructura. Todas las estructuras civiles están asentadas sobre el terreno y necesitamos que el comportamiento de ese material de asiento sea predecible para evitar fallas de la estructura. Se presentan las propiedades del suelo a continuación, las cuales interesan para luego poder aplicar las teorías de comportamiento a cada una de ellas, y tratar de interpretar y materializar una teoría que permita comprender el comportamiento de los suelos. Estas teorías están estructuradas para poder calcular estructuras geotécnicas como taludes, capacidad de carga en pilotes, zapatas, estabilidades de suelos, muros, efectos de consolidación, resistencia de materiales, etc. PROPIEDADES DEL SUELO Permeabilidad Es la capacidad que tiene un material de permitirle a un fluido que lo atraviese sin alterar su composición. Nos permitirá conocer mediante un parámetro cómo escurre el agua 7 mediante un medio poroso. Se tratará de entender el comportamiento de ese flujo mediante mediciones indirectas ya que no es posible ver como pasa el líquido dentro del suelo. Se puede conocer las condiciones de borde o de contorno del lugar de estudio, a través de las cuales puedo establecer parámetros* que permiten definir las condiciones de permeabilidad. *Parámetros: coeficientes que me permiten conocer o gobernar la tendencia de una curva, aproximar el comportamiento de algo que no es uniforme a algo aproximadamente uniforme. Compresibilidad Es la capacidad que tiene la materia de disminuir su volumen cuando se aumenta la presión sobre ella manteniendo la temperatura constante. Se utiliza para saber la capacidad de deformación de un material. A eso lo vamos a contrastar con nuestra flexibilidad (admisibilidad) del diseño que se está ejecutando. Compactibilidad Capacidad que nosotros le podemos aportar al suelo para remover el aire que está dentro de su matriz y de esa forma hacerlo más denso, de esta manera mejoramos comportamiento de permeabilidad y compresibilidad. Se lo puede: apisonar, vibrar y darle energía. 8  Elasticidad Se estudian materiales con comportamiento elástico (recuperar su forma cuando cesa la fuerza que la altera) en general y para caracterizar ese comportamiento elástico se realizan ensayos. Esos ensayos permiten determinar los módulos de elasticidad, que son parámetros con los cuales se puede conocer cuál es el valor de la carga que se le debe aplicar al material para que se genere una determinada deformación. La curva que aparece muestra el comportamiento del acero. Observamos un tramo lineal donde el comportamiento es elástico, es decir que no se originan deformaciones remanentes en el material, luego tenemos un período de fluencia donde se estira sin incremento de carga y posteriormente un endurecimiento en cual la tensión se incrementa ante deformaciones crecientes, y el espécimen comienza a desarrollar un estrechamiento o cuello, en la cual la sección transversal del espécimen disminuye a causa de un flujo plástico. Superado ese límite de fluencia toda carga aplicada deja deformación permanente que es lo que se llama plasticidad. Resistencia al corte Es el criterio de falla a utilizar para establecer en qué momento el material sale de servicio, el suelo se ha roto y no lo podemos considerar como material de asiento. Esta resistencia se vincula entonces con el criterio de falla. Hemos visto diferentes criterios: - Criterio de Tresca: establece relaciones entre las tensiones que actúan sobre una pieza. - Criterio de Von Mises. - Criterio de Mohr-Coulomb: es el que estudiamos. Se basa en dos parámetros, uno es la ordenada al origen y el otro es la pendiente de la recta sobre la cual se considera que el material es fallable. Esta recta es la envolvente de los círculos de Mohr de las tensiones. Para eso estudiaremos entonces como obtener estos dos parámetros que corresponden a la cohesión y a la fricción. 9 Estos dos parámetros son: Pendiente Ordenada al origen Se traza una recta, la envolvente de los círculos de Mohr en tensiones. Estudio de sus propiedades a partir de ensayos in situ Finalmente vamos a estudiar cuales son las propiedades de un material sin necesidad de llevarlo a un laboratorio. Tratar de medir en el campo estas propiedades anteriores y cuales son los ensayos que se pueden ejecutar para realizarlos y tienen su aplicación en la teoría del comportamiento. Los ensayos in situ son las técnicas con las cuales podemos hacer introspecciones en el terreno para entender su comportamiento. 10  Teorías de comportamiento y aplicaciones Cada una de las propiedades tiene su aplicación con teorías de comportamiento a las estructuras geotécnicas. Por lo tanto, si vamos a estudiar la permeabilidad me va a permitir conocer cómo escurre el agua en un medio de poroso; eso me va a permitir conocer como es el flujo de agua a través del núcleo de presa, cómo fluye el agua por debajo de una tablestaca o cómo filtra en un pozo absorbente. La compresibilidad nos va a permitir estudiar sobre la distribución de las presiones en la masa de suelo, nosotros asentaremos una estructura sobre un estrato de material y ese material se va a deformar. Cuánto se va deformar y qué nivel de carga se le va a poder aplicar es lo que vamos a estudiar cuando veamos la distribución de presiones sobre las masas. La resistencia al corte y los estudios de las propiedades in situ nos permiten estudiar los empujes y las estabilidades de los taludes; las llamamos estabilidades porque están al límite, un poco más de fuerza y se deslizan, dejan de ser estables y pertenecen a una estructura dinámica. Las imágenes a continuación son representaciones esquemáticas de diferentes problemas. Escurrimiento del agua en un medio poroso Cuando hay infiltración sobre la superficie el agua se infiltra, se genera el nivel freático y finalmente termina en los ríos o en los lugares donde la carga hidráulica es baja. Empuje activo, empuje pasivo, capacidad de carga Se observan también los muros de sostenimiento sometidos a empuje. Cuando las paredes no tienen contacto con agua el suelo es quien realiza la fuerza de empuje y cuando existe agua hay combinación de empujes entre el realizado por el agua y el realizado por el suelo. Estabilidad de taludes Estas imágenes se vinculan a la estabilidad de taludes. Los taludes son diferencias de nivel entre terrenos. Los mismos se rompen o fallan dependiendo del material. 11 Distribución de presiones 12  CAPÍTULO 2: PROPIEDADES GEOLOGICAS Y FORMACION DE DEPOSITOS NATURALES Ciclo de la formación del suelo y de la roca. Rocas ígneas. Suelos transportados y depositados. Rocas sedimentarias clásticas (detriticas). Rocas sedimentarias calcáreas. Rocas metamórficas. Desarrollo del perfil. Pedogénesis. Agua subterránea. Clasificación y descripción de las rocas. ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA Hoy en día hay teorías de cómo es la estructura interna de la tierra, que se han verificado por diferentes métodos, pero la realidad es que nadie ha podido ver cómo es realmente. La ciencia acepta que la tierra tiene forma esférica, no perfecta, sino que tiene cierta deformación sobre todo en la zona del Ecuador, debido a la forma en la que gira, el eje de rotación, cómo están ubicados los polos, que se mueve en forma inclinada alrededor del sol. También se cree que en el centro de la Tierra existe un núcleo semisólido o más próximo a un líquido, conocido como núcleo interno, de un material de gran densidad (próxima a la del acero). Este núcleo tiene una temperatura tan elevada y una masa tan grande que es lo que genera atracción de todo lo que se encuentra sobre la superficie hacia el centro de la Tierra. Finalmente, luego del manto se encuentra la corteza que es donde se desarrolla la vida. Esa corteza tiene varios kilómetros de espesor, donde encontramos los océanos, los continentes, donde nos interesan los movimientos de suelo y donde vamos a construir. 13  ¿Cómo se sabe que esto es realmente así? Se han desarrollado técnicas, tales como detectar transmisiones de ondas sísmicas: En el gráfico anterior se muestran profundidades en el eje horizontal y velocidades de propagaciones de onda en el eje vertical, eso quiere decir que, si una persona realiza un golpe sobre el suelo, otra persona que se encuentre próxima tal vez sentirá una pequeña vibración pero mientras más alejada se encuentre, dicha vibración se verá atenuada. La onda se propaga y viaja en distancia con una amplitud y frecuencia determinadas. Amplitud: movimiento máximo en ese lugar (a medida que nos alejamos del lugar del golpe la amplitud disminuye porque la onda se va atenuando). Frecuencia: se va a mantener constante la onda si no hay perturbaciones como oquedades o discontinuidad de material (más o menos denso). Es así como existen diferentes tipos de ondas: ondas P (primarias) que son de compresión, ondas S (secundarias) que son transversales, y ondas R o L (Rayleigh) que son superficiales. Estas ondas se propagan de diferentes maneras en diferentes materiales. Imaginemos entonces que se efectúa un gran golpe en un determinado lugar y colocamos a diferentes distancias transductores (acelerómetros) para medir esa vibración, y definimos así cómo se propagan las ondas por la superficie a través de determinado material (estas grandes perturbaciones pueden generarse por ejemplo a través de bombas nucleares, sismos, etc). Una onda de compresión (P) se puede propagar solo a través de medios sólidos. Si la onda choca con algo líquido, se desvía y aparece en un punto que no era el previsto originalmente. Si se alteró la trayectoria, quiere decir que hay un líquido. Justamente esto es lo que sucede al acercarnos al núcleo de la Tierra. 14  MORFOLOGIA TERRESTRE Tectónica de placas Los primeros geólogos detectaron que había una cierta congruencia entre los continentes, como si se tratara de un rompecabezas. Pruebas geográficas: Wegener sospechó que los continentes podrían haber estado unidos en tiempos pasados al observar una gran coincidencia entre la forma de las costas de los continentes, especialmente entre Sudamérica y África. Si en el pasado estos continentes hubieran estado unidos formando solo uno, (Pangea), es lógico que los fragmentos encajen. La coincidencia es aún mayor si se tienen en cuenta no las costas actuales, sino los límites de las plataformas continentales. Pruebas geológicas: Se basaban en los descubrimientos a partir de esta ciencia. Cuando Wegener reunió todos los continentes en Pangea, descubrió que existían cordilleras con la misma edad y clase de rocas en distintos continentes que, según él, habían estado unidas. Estos accidentes se prolongaban a una edad que se pudo saber calculando la antigüedad de los orógenos. Pruebas paleoclimáticas: Utilizó ciertas rocas sedimentarias como indicadores de los climas en los que se originan, dibujó un mapa de estos climas antiguos y concluyó que su distribución resultaría inexplicable si los continentes hubieran permanecido en sus posiciones actuales. A causa de antiguas glaciaciones se han encontrado tillitas en zonas muy separadas geológicamente. Pruebas paleontológicas: Alfred Wegener también descubrió otro indicio sorprendente. En distintos continentes alejados mediante océanos, encontró fósiles de las mismas especies, es decir, habitaron ambos lugares durante el periodo de su existencia. Y, lo que es más, entre 15 estos organismos se encontraban algunos terrestres, como reptiles o plantas, incapaces de haber atravesado océanos, por lo que dedujo que durante el periodo de vida de estas especies Pangea había existido. Finalmente, todas estas conclusiones dan origen a todo lo que se conoce como la Teoría de la Tectónica de Placas, una teoría que explica razonablemente todas las observaciones. Esta dice que los 100 km más superficiales de la Tierra, que comprenden la corteza (continental y oceánica) y parte del manto superior, forman la litosfera, dividida en placas que se mueven como los trozos rígidos de un cascaron esférico, unos respecto a otros. Este movimiento relativo es la causa principal de la formación de montañas, valles, cadenas volcánicas, y es un proceso conocido como tectonismo, y nos da una idea de la Tierra sobre cómo se han movido los continentes que se denomina Deriva Continental. La corteza terrestre está compuesta por, al menos, una docena de placas rígidas que se mueven. Estas placas descansan sobre una capa de roca caliente y flexible, llamada Astenósfera. El movimiento del material espeso y fundido de la Astenósfera fuerza a las placas superiores a moverse, hundirse o levantarse. La siguiente imagen muestra fallas según la Teoría de la tectónica de placas. Falla: grieta que tiene movimiento de manera relativa. Se mueven permanentemente. Sismo o terremoto: movimiento de la tierra. Los movimientos de las placas los generan. Dorsal Oceánica: Una de esas fallas es la dorsal oceánica, allí se separan las placas superficiales producto del aporte del magma que viene del interior de la tierra, el mismo ejerce una presión tal que logra aflorar a la superficie y cuando se encuentra con el agua en estado frío se solidifica, cerrando la grieta. Al ocurrir este proceso en forma sucesiva, se produce un desplazamiento de los continentes produciéndose el choque con otras placas laterales. Una dorsal es por tanto el borde divergente de dos placas oceánicas. Este mecanismo está relacionado a la existencia de los polos, N y S, y a porque, cada cierto tiempo, éstos se invierten. Los polos magnéticos se modifican cada millón de años. Y esto sucede porque a medida que el magma sale y se solidifica, se polariza acorde a los polos magnéticos existentes en ese momento, de modo que cuando se acumula mucho material polarizado, genera la inversión de los polos. El fenómeno se denomina magnetización termo-remanente. Esta evidencia de la magnetización de la roca al solidificarse aporta a creer que el modelo de la estructura terrestre es correcto. 16  Movimiento entre placas Hay diferentes formas de movimientos entre placas tectónicas: o Convergencia océano - continente: Fronteras convergentes: cuando las placas colisionan, se forman cordilleras en la corteza. La placa más densa (oceánica) se hunde por debajo de la menos densa (continental) generando fosas oceánicas. Ejemplos: India y Asia impactaron hace 55 millones de años, provocando la lenta formación del Himalaya, el sistema montañoso más alto del planeta. Mientras el choque continúa, las montañas se elevan cada vez más. Por ejemplo, el monte Everest, el pico más alto de la Tierra, podría ser mañana un poquito más alto que hoy. Ej: Cordillera de Los Andes. La placa hundida se funde, el magma menos denso asciende formando volcanes. Fronteras de transformación: dos placas friccionan la una con la otra a lo largo de fallas de desgarre. Estos límites no crean espectaculares fenómenos como montañas u océanos, sin embargo, pueden provocar terremotos. Ejemplo: la falla de San Andrés que tiene lugar en el estado de California. o Convergencia continente - continente: Fronteras divergentes: El magma surge en la superficie desde las profundidades del manto de la Tierra, separando dos o más placas y renovando el fondo oceánico. Así, montañas y volcanes se elevan por esta grieta. Una única dorsal oceánica (elevación submarina) conecta los océanos, convirtiéndola en el sistema montañoso más largo del mundo. Todo esto es teoría y se debe demostrar, se necesitan evidencias. Sabemos que esos movimientos generan terremotos y los mismos afectan a las construcciones ya que están apoyados sobre el suelo. Debemos calcular cómo hacer para que el suelo no se rompa. Las evidencias tienen lugar a partir de la Geología que es la ciencia natural que estudia a las rocas, los yacimientos, el movimiento entre las placas, materiales superficiales y en 17 profundidad. Interpreta las diferentes formaciones y brindan entendimiento a aquellos que no están vinculados con la rama. Como ingenieros se necesita predecir sucesos para evitar problemas de colapso de las estructuras, ya sea por fallas de vigas o columnas o porque se encuentren problemas de asentamiento. FENÓMENOS RELACIONADOS CON LAS FALLAS En el planeta existen numerosas zonas donde se presenta actividad sísmica y volcánica; estas “zonas de actividad” son límites entre segmentos que se mueven unos respecto de otros. Volcanes o La línea de falla permite que aflore el magma del interior. o El magma que fluye genera cono de materia fundida (chimenea). o En la cima del cono se encuentra el cráter. Erupciones volcánicas: el magma es una combinación de líquidos, gases y cristales que se forma y permanece bajo la superficie de la tierra. Puede solidificar bajo la superficie o extruir como líquido el exterior (lava). Terremotos o Las placas naturalmente tienden a moverse. o Inicialmente la fricción impide el movimiento: acumulación de energía. o La tensión de corte aumenta tanto que rompe el suelo bruscamente. o La energía se libera: genera ondas sísmicas muy destructivas. Tsunamis o El terremoto produce una gran deformación entre las placas que colisionan. o La deformación empuja violentamente una gran masa de agua en sentido horizontal. o La masa de agua para equilibrarse genera una gran ola. o La ola toma mayor altura al llegar a la costa (en ocasiones mucho tiempo después). Nosotros nos situamos y enfocamos en las soluciones ingenieriles basadas en la geotecnia y vamos a tomar consideraciones de la geología, ingeniería geológica, ingenierías en general: como mecánica, eléctrica, metalúrgica, entre otras para dar respuesta a las obras deingeniería. Durante la planificación, diseño y construcción de cimientos, muros de contención, etc. a los ingenieros les resulta útil conocer el origen del depósito de suelo sobre el que van a trabajar, ya que cada depósito posee características geomecánicas únicas. La mayor parte de los suelos que cubre la superficie de la tierra están formados por la erosión de las rocas, y por ende las propiedades físicas del suelo van a depender de la roca de la cual se derivó. 18  CICLOS DE LAS ROCAS Y ORIGEN DEL SUELO Los granos minerales que forman la fase sólida de un agregado del suelo son el producto de la intemperización y la erosión de la roca. El tamaño de los granos individuales varía en un amplio intervalo. Muchas de las propiedades físicas del suelo son dictadas por el tamaño, forma y composición química de los granos. Para entender mejor estos factores, uno debe estar familiarizado con los tipos de roca que forman la corteza terrestre. Las rocas se pueden dividir en 3 tipos básicos de acuerdo con su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas. En la imagen se puede ver el diagrama del ciclo de formación de diferentes tipos de roca y los procesos asociados con ellos. Rocas ígneas Se forman por el enfriamiento, solidificación y cristalización del magma, fundido silicato expulsado del manto de la tierra después de una erupción volcánica o fisura. El magma, a su vez, es la consecuencia de la fusión parcial de una roca preexistente. - Rocas plutónicas o intrusivas: A veces el magma cesa su movilidad bajo la superficie terrestre y se enfría para formar rocas ígneas intrusivas que se llaman plutónicas. Las rocas intrusivas formadas en el pasado pueden estar expuestas en la superficie como resultado del proceso continuo de la erosión de los materiales que las cubrían. - Rocas volcánicas o extrusivas: Solidificación magmática que tiene lugar en la superficie terrestre. - Rocas filonianas, hipoabisales o subvolcanicas: Solidificación magmática que se produce cerca de la superficie de la tierra, de una manera relativamente rápida cuando el magma rellena pequeños depósitos. Se presentan en forma de filones o diques, lajas, rellenando grietas. 19  Generalmente las rocas que han quedado atrapadas en la tierra son las que tienen mayores resistencias: granitos, mármoles, rocas de gran densidad. Aquellas que han aflorado a través del volcán o se han depositado en la lava son materiales porosos, lajosos y tienen otro tipo de propiedades. Son las rocas más firmes. Los tipos de rocas ígneas dependen de factores tales como la composición del magma y la velocidad de enfriamiento asociado con él. La “serie de reacción de Bowen”, describe la secuencia por la cual se forman nuevos minerales a medida que se enfría el magma. Por lo tanto, dependiendo de las proporciones de minerales disponibles se forman diferentes tipos de roca ígnea. Granito, gabro y basalto son algunos de los tipos comunes de roca ígnea que se encuentran generalmente en el campo. Los minerales que forman parte de casi todas las rocas ígneas son cuarzos (blanco) , feldespato potásico (rosado) , biotita y mica (negritas con pequeños vidriecitos). Granito: Es una roca plutónica constituida esencialmente por cuarzo, feldespato y normalmente también mica; es la roca más abundante de la corteza continental. Su magma contiene menos magnesio que la corteza continental, tiene menor peso específico y por ello asciende a través de esta en forma de gota invertida que suelen solidificarse antes de llegar a la superficie. Para que la roca que se forme sea granito es necesario que se solidifique lentamente y a gran presión. Basalto: Roca ígnea de grano fino debido a su alto enfriamiento del magma y color oscuro debido a su contenido de Hierro y Magnesio. Es una roca muy resistente. El color rojizo de la tierra superficial se debe al contacto de la piedra con el oxígeno del aire, lo que genera suoxidación. 20  METEORIZACIÓN | La meteorización o intemperismo es el proceso de descomposición de macizos rocosos solidos por procesos mecánicos y químicos en fragmentos más pequeños de diferentes tamaños que pueden ir desde los cantos rodados grandes a muy pequeñas partículas de arcilla. Los agregados no cementados de estos pequeños granos en diversas proporciones forman diferentes tipos de suelo. Se incorpora el transporte de las rocas. Es la rotura o disgregación de una roca sobre la superficie de la Tierra, esto permite la transformación de la roca en suelo. Es la degradación de la roca madre para transformarse en un material más fino. Si se realiza una perforación, el orden en el que aparecen los tipos de rocas son (como muestra la imagen anterior): suelo (humus, vegetación), arenas (ríos), arcillas, arcillas coloradas, lecho de roca (igual que en la montaña). En una matriz rocosa que comienza su proceso de desintegración, de meteorización en donde se va degradando la parte superficial por estar en contacto con el aire, el oxígeno, el agua (que se mete dentro de la matriz de la roca) hace que cuando se enfríe se expanda y va generando la meteorización. Las fisuras permiten el ingreso de agua, se va partiendo en otro material de gran superficie, se cae al pie de la formación. Las primeras grietas se forman por los movimientos del suelo. La EROSIÓN incluye tanto la meteorización como el proceso del transporte del suelo. Existe una relación entre el suelo transportado y las características del yacimiento: vientos (pequeñas), aguas (dependen de la energía, son más grandes y redondas como la piedra bola), agua congelada (en glaciares, piedras planas o redondas y achatadas). En los ríos hay limo y en el mar arcillas más finas. Tipos de meteorización Meteorización física o mecánica Es la desintegración de la roca en trozos cada vez más pequeños. Se generan materiales más gruesos como arcillas y gravas. Puede ser causada por la expansión y contracción de las rocas a partir de la ganancia o pérdida continua de calor, que da lugar a la desintegración final. Con frecuencia el agua se filtra en los poros y fisuras existentes en las rocas, a medida que la temperatura desciende,el agua se congela y se expande. La presión ejercida por el hielo debido a la expansión de volumen es lo suficientemente fuerte como para romper rocas incluso de gran tamaño. Otros agentes físicos que ayudan a desintegrar las rocas son los glaciares, el viento, el agua de los arroyos y ríos y las olas del mar. En este tipo de meteorización, rocas grandes se descomponen en partes más pequeñas sin ningún cambio en la composición química. 21  Se dan en lugares muy pequeños donde se acumula agua y luego se congela. La grieta se hizo un poco más grande. Esto se repite muchas veces hasta que se produce el desdoblamiento de la matriz que se va acumulando al pie de la ladera. En lugares donde la roca está muy expuesta, las capas superficiales pueden llegar a partirse si las presionamos fuerte porque están en proceso de transformación roca – suelo, lo mismo si rascamos con algo metálico. Mecanismos de la meteorización física: Este tipo de meteorización puede darse por: - Presencia de zonas (planos) de debilidad: como estratificación, diaclasas, foliación, fracturas, etc. Entre más cercanos se encuentren estos planos entre sí, más favorecerán la desintegración de las rocas. 22  Expansión provocada por la descompresión: La eliminación de una fuente de presión, provoca el fenómeno de “lajeamiento” o da lugar a formas de domo. Fragmentación por crecimiento de cristales: El agua se expande un 9% al congelarse, y cuando ocurre en un espacio confinado, ejerce gran presión en las paredes rocosas provocando fracturas. - Fragmentación por actividad biológica: Las raíces de los vegetales, al penetrar por las grietas de las rocas, pueden actuar como cuñas, contribuyendo a la rotura y disgregación de la misma. 23 Meteorización química Los minerales de la roca originales se transforman en nuevos minerales (más finos) por reacciones químicas produciendo la segregación de las rocas y la transformación de suelos. El agua y el dióxido de carbono de la atmósfera forman ácido carbónico, que reacciona con los minerales de las rocas existentes para formar nuevos minerales y sales solubles; las sales solubles presentes en el agua subterránea y ácidos orgánicos formados a partir de la materia orgánica descompuesta también por el desgaste químico. O sea, es la descomposición de los componentes originales de la roca en otros diferentes. Es más efectivo en regiones húmedas templadas, tropicales y ecuatoriales, en las que está disponible el agua y las temperaturas medias son moderadas o altas. En todas las reacciones químicas que conducen a la alteración de la roca intervine el oxígeno como reactante o como agente de transporte. El proceso de meteorización no se limita a las rocas ígneas. Como se muestra en el ciclo de las rocas, las rocas sedimentarias y metamórficas también se meteorizan de una manera similar. Los minerales de arcilla dan la propiedad plástica a los suelos. Hay tres minerales de arcilla importantes: caolinita, ilita y montmorilonita. Procesos químicos que intervienen Disolución: Consiste en disociar moléculas de rocas por ácidos como el carbónico; el PH también puede aumentar la solubilidad de los componentes. Este proceso tiene gran relación con el futuro comportamiento mecánico. El PH también puede aumentar la solubilidad de los componentes. Ejemplos de rocas solubles:calizas, yeso y sal. Hidratación: Las rocas compuestas por silicatos aluminosos al hidratarse se transforman en arcillas expansivas. Hidrólisis: Consiste en la incorporación de iones de H+ y OH- a la red estructural de minerales. Supone separar una sal en ácido y base. Carbonatación: Interviene en forma directa o indirecta el dióxido de carbono; es más soluble a bajas temperaturas y a mayores presiones. Oxidación: Contacto del aire con rocas que poseen materiales ferrosos, carbonatos o sulfuros que forman óxidos e hidróxidos. TRANSPORTE Y DEPOSITO DEL SUELO PRODUCTO DE LA METEORIZACION El transporte está vinculado con la energía requerida para atrapar esas partículas. Pueden permanecer en el mismo lugar o pueden ser movidos a otros lugares por lugares por el hielo, el agua, el viento y la gravedad. Suelos residuales Los suelos formados por los productos en su lugar de origen. Una característica importante es la graduación del tamaño de las partículas. Los suelos de grano fino se encuentran en la superficie y el 24 tamaño de grano aumenta con la profundidad; a mayores profundidades se pueden encontrar rocas angulares. Se encuentran en zonas donde la tasa de meteorización es mayor que la velocidad a la que los materiales intemperizados son llevados lejos por los agentes de transporte; la tasa es mayor en las regiones cálidas y húmedas en comparación con las regiones más frías y secas y, dependiendo de las condiciones climáticas, el efecto de la intemperie puede variar ampliamente. La naturaleza del suelo residual depende, por lo general, de la roca madre. Cuando las rocas madres como el granito y el gneis, se someten a la intemperie, la mayoría de los materiales son propensos a permanecer en su lugar y estos depósitos suelen tener una capa superior de material arcilloso o limoso. Suelos transportados Son el lugar donde van a parar los suelos meteorizados. Normalmente el mecanismo de transporte es primero por gravedad, luego por agua, y una vez que las partículas son pequeñas, por viento. En zonas de planicie, el suelo es más fino, menos resistente. En zonas montañosas, el suelo es más resistente. Se pueden clasificar en varios grupos, dependiendo de su modo de transporte y deposición: Por gravedad Se dan por ejemplo cuando los suelos residuales se mueven lentamente hacia abajo por estar sobre una pendiente natural pronunciada (fluencia). Cuando el movimiento descendente del suelo es repentino y rápido, se le llama deslizamiento de tierra. Otros ejemplos son: Derrubios: Conjunto de fragmentos de roca desplazados por una corriente o agentes atmosféricos que se depositan en una pendiente o al pie de una montaña. Se producen sobre grandes superficies y son las primeras nociones sobre las cuales se desarrollan las teorías de suelos. Reptación o creep: Corrimiento del suelo en las laderas provocado por la inestabilidad de un talud y la gravedad. Se manifiestan en forma de pequeñas ondulaciones. Es un fenómeno agrológico que ocurre a lo largo del tiempo. Se desplaza como si fuera un fluido a lo largo de la ladera. 25  Corrientes de fango (solifluxión): Consiste en el desplazamiento masivo y lento por gravedad de formaciones arcillosas u otros tipos de suelo a causa de la plasticidad y fluidez adquirida por aquellos cuando absorben gran cantidad de agua. Ríos de lodo, arrasan con todo lo que se encuentra en su camino. Infiltra agua por la parte superior de la montaña en material muy permeable que cuando entran en contacto con agua se vuelven muy blandos y escurren. Contiene mucha densidad. Presas naturales: lo que estaba sobre la montaña colapsó por algún motivo y los taludes quedaron en el fondo generando una gran presa. Donde se junta material, siempre por debajo sale un poco, entonces se acumula agua y se produce un sobrepaso que comienza a lavar la parte de la cresta en la cima de la presa natural, arrastrando todo para abajo. Por el viento Es uno de los principales agentes erosivos ya que los sedimentos finos están directamente expuestos a su acción. Nos interesan porque son los depósitos frecuentemente utilizados en la instalación de las infraestructuras civiles. Su capacidad erosiva es una función exponencial de su velocidad según: 𝐸 = 𝑉3 ∗ 𝑃𝑎 Donde “E” es la erosividad del viento, “V” es su velocidad y “Pa” la densidad del aire. Mientras mayor es el diámetro de la partícula más fuerte debe ser el viento. Pueden transportar partículas de hasta 1mm, es decir, las arenas. Suelos limosos: su deposición es particular, cuando están secos son estructuras muy estables, pero en contacto con el agua pierden su resistencia, tienen una disminución de volumen tal qué sus características mecánicas importantes son las que generan las fallas en las estructuras, por lo cual se deben tomar precauciones para la construcción de cimientos. 26  La distribución de tamaño de grano es bastante uniforme y la cohesión deriva de una capa de arcilla que se encuentra sobre las partículas de sedimento de limo. La cohesión también puede ser el resultado de la precipitación de los productos químicos lixiviados por el agua de lluvia. Suelos arenosos: Un ejemplo son las dunas que nos permiten identificar desde donde vienen los vientos predominantes de acuerdo con los taludes. A medida que se forman, la arena es arrastrada por el viento sobre la cresta. Más allá de la cresta, las partículas ruedan por la pendiente y este proceso tiende a formar un depósito compacto del lado del barlovento y un depósito suelto del lado del sotavento. Algunas de las propiedades típicas de las dunas de arena es que la granulometría de la arena en un lugar particular es sorprendentemente uniforme y se debe a la acción de clasificación del viento. Por otro lado el tamaño de grano en general disminuye con la distancia desde la fuente, debido a que el viento lleva las pequeñas partículas más lejos que las grandes. Ceniza volcánica: El tamaño de grano es 0,25 a 4mm y el polvo volcánico es menor a 0,25mm. Por agua: El agua ya sea de ríos, mares o lagos a lo largo de su ciclo del agua transporta materiales. Los ríos además de transportar el agua excedente de precipitación son importantes agentes geológicos externos, tanto de erosión, transporte y depósito. Son los principales modeladores del relieve. Si el agua tiene mucha energía (por la gran altura) arrastra rocas más grandes (por eso en los ríos de montaña hay muchos sectores de piedras y son rocas redondas, que durante el arrastre se van limando), si es llanura arrastra material más fino. Si estamos en un río se trata de arcillas y limos, si estamos en el mar se trata de arenas finas. Por glaciares: Son masas de gran peso en movimiento y permiten el arrastre de materiales gruesos. Se tratan del transporte de rocas planas y alargadas ya que son aplastadas por el hielo y se 27 arrastran sobre una superficie más firme. La acción del glaciar sobre la piedra hace que en la parte donde toman contaa se forme una pequeña película de líquido, es lo que permite el desplazamiento (similar al movimiento de los patinadores). Todo lo que quede atrapado entre el hielo y la roca va a ser arrastrado y deja raspaduras notorias en la roca. “DRIFT” es un término general que se da a los depósitos establecidos por los glaciares. Los depósitos estratificados establecidos por el derretimiento de los glaciares se llaman “TILL”. Suelo orgánico: Se encuentran generalmente en zonas bajas donde el nivel freático está cerca o por encima de la superficie del suelo, esto ayuda al crecimiento de las plantas acuáticas que, al descomponerse, forman el suelo orgánico. Se suelen encontrar en zonas costeras y en las regiones de glaciar. Sus características son: - Contenido de humedad natural entre 200% y 300%. - Altamente compresibles. - Se producen grandes asentamientos por consolidación secundaria. Rocas sedimentarias Son aquellas que se forman por acumulación de sedimentos que sufrieron la erosión y meteorización (partículas de diversos tamaños transportadas por el agua, hielo, viento o gravedad) que forman un depósito y entonces son sometidos a procesos físicos y químicos, diagénesis dando lugar a este tipo de rocas. Diagénesis Conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos que sufre un sedimento desde el momento 28 de su deposición hasta que concluye con la litificación, es decir, su transformación a roca sedimentaria. Se desarrolla a diferentes profundidades, donde se reduce la porosidad del material y por ende aumenta la compactación del mismo. Procesos diageneticos: La LITIFICACIÓN se basa en: - Cementación: a través de la calcita y dolomita disuelta en agua. - Consolidación y desecación: drenaje y evaporación del agua. - Cristalización: neocristalizacion y recristalización. Dentro de las rocas sedimentarias existen de diversos tipos como: Rocas detríticas Mantienen su integridad física durante el transporte; se forman por acumulación mecánica de fragmentos de sus minerales y de rocas más antiguas. Ejemplos son el conglomerado, brecha, la arenisca, lutita, lodolita y limolita. Los depósitos de grava, arena, limo y arcilla formados por meteorización pueden compactarse por presión de sobrecarga y cimentado por agentes como el óxido de hierro, calcita, dolomita y cuarzo. Agentes cementantes son transportados generalmente en solución por el agua subterránea. Llenan los espacios entre las partículas y forman rocas sedimentarias detríticas. Cuando materiales gruesos se juntan con materiales finos, son depositados y pasa mucho tiempo, no es necesario que se lleve adelante un proceso químico, sino que el hecho que estén en contacto y con tierra a presión que las compacta, generan algo similar a una roca detrítica y lo restante se trata de materiales arenosos o limosos. 29  Rocas sedimentarias de precipitación química Son las que se originan a partir de materiales depositados por medios químicos, es decir por precipitación de sustancias químicas (por ejemplo, la creación de estalactitas y estalagmitas), donde los cristales son mantenidos juntos por uniones químicas. Surgen de procesos químicos inorgánicos. Son depósitos consolidados como: Rocas sedimentarias biogénicas: Son similares a las anteriores, pero se originan por procesos químicos producidos por organismos. O sea, la descomposición rápida de plantas y animales, por la acción de bacterias anaeróbicas. La roca sedimentaria puede someterse a la meteorización para formar sedimentos o puede ser sometida al proceso de metamorfismo para convertirse en roca metamórfica. 30  Rocas metamórficas El metamorfismo es el proceso de cambiar la composición y la textura de las rocas (sin fusionarse) mediante calor y presión. Durante el metamorfismo se forman nuevos mineralesy los granos minerales son sometidos a esfuerzos para dar una textura foliada de roca metamórfica. Por ejemplo, el gneis, la pizarra, clorita y mica, filita, esquisto, mármol, cuarcita. Generalmente, contienen grandes cantidades de feldespato y cuarzo. Bajo el calor y la presión extrema, las rocas metamórficas pueden fundirse para formar el magma y el ciclo se repite. 31  CAPÍTULO 3: PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS SUELOS Meteorización. Origen y tipos de depósitos de suelo. Propiedades electroquímicas de los minerales arcillosos. Estructura de los Depósitos de arcilla. Propiedades físicas de los suelos. Clasificación y descripción de los suelos utilizados en ingeniería. En los suelos encontramos granos gruesos (su comportamiento gobernado por fuerzas másicas) y granos finos (como arcilla y limo y su comportamiento depende de las fuerzas de interacción entre partículas. Los tamices se utilizan para realizar la métrica de granos (granulometría) para poder determinar el % de pasante de un determinado diámetro de partículas que me permite después diseñar los pastones de hormigón. En geotecnia nos permite obtener la distribución de partículas y como pueden relacionarse. El densímetro es un dispositivo que se hunde una determinada cantidad en un fluido. Mientras más denso sea el fluido va a flotar cada vez más, por un empuje mayor. El cascador de Casagrande se utilizó para encontrar una metodología eficaz y eficiente para poder determinar los límites de consistencia de los suelos. Buscamos comprender con este ciclo porque las partículas se comportan de determinada manera, para determinar su comportamiento macroscópico, el desempeño que tienen las estructuras que se van a asentar sobre los depósitos. TAMAÑO Y FORMA DE LAS PARTICULAS Se debe realizar un proceso para poder caracterizar un material, mediante un análisis físico del material y algunos principios químicos. A través de la meteorización química (descomposición química de los materiales) obtenemos materiales arcillosos y limosos. 32  A través de la meteorización física (fragmentación física y desintegración) obtenemos materiales más gruesos como arenas y gravas. La degradación física lleva a diferenciar tamaños de elementos. Mineralogía geotécnica: El suelo está compuesto por partículas sólidas de distintos tamaños y formas, líquidos y gases como el oxígeno, hidrógeno, silicio, aluminio, calcio, potasio, magnesio y sodio. Arena del Río Suquía a través de microscopio óptico. Arcilla tomada a través de un microscopio electrónico. 33  Con respecto a su forma, se ve determinada por la esfericidad, rugosidad y delgadez. Las partículas tienen diferentes formas y rugosidades superficiales, con lo cual es de esperarse que, a mayor rugosidad e irregularidad en la forma, mayor fricción exista entre ellas. Las piedras redondas se resbalan y no traban. Se puede conocer que ambos tipos de materiales como muestra la imagen, sufrieron distinto tipo de meteorización. TAMAÑO Vamos a ver como analizar las partículas de roca. Independientemente de su origen, los tamaños de partículas que conforman el suelo pueden variar en un amplio intervalo. Ya habíamos visto que, según el tamaño, los suelos son generalmente llamados grava, arena, limo o arcilla, dependiendo del tamaño predominante de las partículas dentro del mismo. Diferentes autores han investigado el comportamiento interpartículas para luego llevarlo a una escala mayor. Gravas: son fragmentos de rocas con partículas ocasionales de cuarzo, feldespato y otros minerales. Arenas: en las partículas de arena predominan el cuarzo y el feldespato. A veces tambiénpueden estar presentes granos de otros minerales. Limos: son las fracciones microscópicas del suelo que consisten en fragmentos de cuarzo muy finos y algunas partículas en forma laminar que son fragmentos de minerales micáceos. Arcillas: son en su mayoría partículas en forma de láminas microscópicas y submicroscópicas de mica, minerales de arcilla y otros minerales. Las partículas se clasifican como arcilla sobre la base de su tamaño, ya que no pueden contener necesariamente minerales de arcilla. Desarrollan plasticidad cuando se mezclan con una cantidad limitada de agua. Para describir los suelos por su tamaño de partícula, varias organizaciones han desarrollado límites de separación de tamaño de suelo, siendo en la actualidad el Sistema Unificado el casi universalmente aceptado: 34  Granulometría Pretende entender la métrica de los granos, saber qué tamaño tienen las partículas. Es el estudio de la distribución estadística de los tamaños de los mismos dentro de una muestra de suelo. Los tamaños de partículas nos permiten conocer el desempeño de los materiales en relación con las fuerzas que intervienen en su comportamiento. Se puede realizar un análisis granulométrico mediante acciones físicas como el tamizado. El tamiz es un collar con malla que posee determina separación entre huecos. Es una clasificación mediante vía seca. El tamaño se lo enumera según la cantidad de huecos por pulgadas cuadradas. De forma general, podemos decir que: Suelos gruesos: son aquellos en que la relación entre el diámetro y el espesor de la partícula es mayor a 10, con forma de “cubo” y su comportamiento está gobernado por 35  fuerzas másicas (masa). Serían las gravas, arenas y limos. Suelos finos: los asumimos o idealizamos como placas delgadas, donde las fuerzas gravitacionales no son tan relevantes y si lo son las electro-químicas (superficie). Ellos son las arcillas. En el hormigón descartamos lo pasante por el tamiz 200, porque no queremos partículas finas que interfieran con la hidratación del cemento. Este tamiz es casi como una tela. Para que pase la arcilla se ejecuta el lavado tamiz 200 en donde se pone la muestra que pasó por el tamiz 100, retenemos el sueño de este tamiz y lo ponemos sobre una canilla. Antes lo peso y lo lavo. Sale por debajo agua marrón. Cuando deja de salir marrón se lavaron todos los finos. Lo secamos y pesamos, la diferencia es el contenido de arcillas. FORMA La forma de las partículas presentes en la masa de un suelo tiene la misma importancia que la distribución de tamaño de partícula debido a su influencia significativa en las propiedades físicas de un suelo determinado, como los radios anulares máximos y mínimos, los parámetros de resistencia al corte, compresibilidad, etcétera. Sin embargo, no se presta demasiada atención a la forma de la partícula debido a que es más difícil de medir. La forma de la partícula, en general, puede dividirse en tres categorías de importancia: - Voluminosa: se forman en su mayoría por intemperismo mecánico. Dentro están las angulares, subangulares, subredondeadas y redondeadas. - Escamosa: tiene una baja esfericidad, generalmente 0.01 o menos. Estas partículas son predominantemente minerales de arcilla. - Nodulosa: son mucho menos comunes que los otros dos tipos de partículas. Ejemplos de suelos con ellas son algunos tipos de depósitos de coral y arcillas de atapulgita. Entonces, a microescala observando las partículas podemos clasificar por comparación la rugosidad y esfericidad. Se utilizan cartas de comparación como las de la figura. Hay cartas que, además, asocian la forma y textura con la resistencia al corte, y mediante una fórmula en la que se ingresan la esfericidad y redondez, podemos obtener el valor de la resistencia al corte que tendría ese depósito de suelos. 36  PARTÍCULAS DE GRAVA, ARENA Y LIMOS En cuanto a las características que estamos mencionando, se destacan dos de importancia: las físicas y mineralógicas (hacen referencia a las capacidades resistentes que tiene el material y a la composición). Ambos aspectos nos van a permitir conocer cuan resistente esun material. La granulometría nos permite también clasificar a los materiales. Características físicas - Tamaño de partículas - Forma - Textura de la superficie - Distribución de tamaño - Comportamiento gobernado por fuerzas gravitatorias Composición mineralógica - Rigidez: capacidad de deformarse frente a una fuerza aplicada. - Resistencia física - Resistencia química COMPOSICION DEL SUELO Métodos de análisis - Tamaño de partículas por separación - Análisis químicos par determinación de óxidos y materia orgánica - Estudio petrográfico mediante microscopio - Empleo de microscopio electrónico - Difracción de rayos x para determinación de minerales cristalinos - Análisis térmicos - Determinación de superficie específica 37  - Análisis químicos para evaluación del intercambio catiónico MINERALES ARCILLOSOS Composición Los diferentes minerales de arcilla son silicatos de aluminio complejos compuestos de una de las dos unidades básicas: Sílice Tetraédrico: Consiste en cuatro átomos de oxígeno que rodean un átomo de silicio. La combinación de unidades tetraédricas de sílice da una lámina de sílice, donde tres átomos de oxígeno en la base de cada tetraedro son compartidos por tetraedros en la vecindad: Aluminio Octaédrico: Consisten en seis hidroxilos rodeando un átomo de aluminio. Y su combinación da una capa/lamina octaédrica. *Si el átomo central es Aluminio: Lámina de Gibbsita. *Si el átomo central es Magnesio: Lámina de Brucita. Cuando la lámina de sílice se apila sobre la lámina octaédrica, como se muestra en la figura a continuación, estos átomos de oxígeno remplazan los hidroxilos para satisfacer sus enlaces de valencia. 38  Minerales de arcilla Con diferentes combinaciones de estas uniones se forman los diferentes minerales de arcilla, como por ejemplo caolinita, illita, monmorilonita, clorita, haloisita, vermiculita y atapulgita. A continuación, algunos de ellos: Caolinita: Consiste en dos capas repetidas de láminas de Sílice-Gibbsita que son elementales y se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno; cuando se las coloca en contacto con el agua no colapsa ni se expande. - Relación diámetro/espesor: 10-20. - Baja absorción de agua. - Superficie específica: 15m2/g. - Baja susceptibilidad a la expansión o retracción. - Materiales estables. - No trae problemas a la hora de diseñar estructuras civiles. Ilita: Illita o arcilla micácea. Consiste en una lámina de Gibbsita unida a dos láminas de Sílice, una en la parte inferior y otra en la superior. Las capas de ilita están unidas entre sí por iones de potasio. 39 - Relación diámetro/espesor: 20-50. - Mayor absorción de agua. - Superficie específica: 80m2/g. - Mayor susceptibilidad a la expansión o retracción. - Materiales estables. - No trae problemas a la hora de diseñar. - No presenta fenómenos de adiposidad o expansión, esto genera presión en las estructuras y las levanta. - En caso de contracción generan tal magnitud en la disminución de su volumen que provoca que las estructuras tengan asentamientos diferenciales y se rajen. Montmorillonita: O monmorilonita, tiene una estructura muy similar a la Illita, pero sin los iones de potasio; una gran cantidad de agua es atraída al espacio entre las capas. - Relación diámetro/espesor: 200-400. - Muy alta absorción de agua. - Superficie específica: 800m2/g. - Muy alta susceptibilidad a la expansión o retracción. - Es isomorfa (no hay cambio en la estructura cristalina). - Es la más complicada para diseñar. - Necesitamos generar una compactación para estabilizar el material, incorporar iones de calcio o generar una cementación para evitar que haya movimiento relativo entre las partículas. Deben ser estabilizadas. - Hay en abundancia en el país. Las partículas de arcilla tienen una carga neta negativa en su superficie que provoca una orientación del medio en el cual se encuentra vinculado a los cationes. 40  DOBLE CAPA DIFUSA: En la arcilla seca la carga negativa se compensa con cationes intercambiables como, Ca++, Mg+, Na+ y K+, rodeando las partículas y sostenidos por atracción electrostática (esto la hace más estable, disminuyendo la permeabilidad y mejorando su comportamiento en cuanto a su estabilidad dimensional). Cuando se añade agua a la arcilla (arcilla húmeda), estos cationes y un pequeño número de aniones flotan alrededor de las partículas de arcilla, esto se conoce como doble capa difusa. La concentración de cationes disminuye con la distancia desde la superficie de la partícula. Es un es esquema conceptual donde la partícula sólida que correspondería a la arcilla, tiene una carga negativa sobre la superficie y provoca una orientación del medio en el cual se encuentra vinculada a los cationes. La incorporación de cationes genera una atracción entre las partículas que la hace como un material más estable. Esto disminuye la permeabilidad. 41  Las moléculas de agua son polares, entonces el agua “dipolar” es atraída por la superficie cargada negativamente de las partículas de arcilla y por los cationes de la capa doble. Los cationes, a su vez, son atraídos hacia las partículas de suelo y un tercer mecanismo por el cual el agua es atraída por las partículas de arcilla es mediante el puente de Hidrógeno; (se comparten los átomos de hidrógeno del agua con las del oxígeno de la arcilla”. La fuerza de atracción entre el agua y la arcilla disminuye con la distancia desde la superficie de las partículas. Toda el agua que se unió a la arcilla por la fuerza de atracción se conoce como “Agua de la capa doble” y a la capa más interna del agua de la capa doble, se la conoce como “Agua absorbida”, que es más viscosa que la común, ésta no se puede quitar, aunque se la trate de evaporar, la misma brinda las propiedades plásticas de las arcillas. 42  ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DEL SUELO Es la determinación de la gama de tamaños de partículas presentes en un suelo, expresado como un porcentaje de la masa o peso seco total. Generalmente se usan dos métodos para encontrar la distribución y análisis de tamaños de partículas de suelo: - Análisis de tamiz: para partículas de diámetro mayor a 0,075mm (gravas y arenas). - Análisis de hidrómetro: para tamaños de partículas más pequeñas que 0.075 mm de diámetro (limos y arcillas). ANÁLISIS DE TAMIZ (VÍA SECA) Consiste en agitar una muestra del suelo, previamente secada en el horno y roto todos los grumos en pequeñas partículas, a través de un conjunto de tamices apilados que tienen aberturas de tamaño decreciente de arriba hacia abajo. Después de agitar el suelo, se determina la masa de suelo retenido en cada tamiz. Es una separación mecánica. Cuando se analizan los suelos cohesivos, romper los terrones en partículas individuales puede ser difícil. En este caso el suelo se puede mezclar con agua para formar una suspensión y después lavarse a través de los tamices. Las porciones retenidas en cada tamiz se recogen por separado y se secan al horno antes de medir la cantidad recogida en cada tamiz. Puede hacerse a mano o en un dispositivo con un motor excéntrico que lo hace vibrar de modo que la clasificación se hace automáticamente, aunque no es tan eficiente como el método manual. El tamiz de tamaño más pequeño que se debe utilizar para este tipo de prueba es el tamiz núm. 200. Los números estándar de tamiz (todos de generalmente 203mm de diámetro) y los tamaños de las aberturas se dan a continuación. El número de malla surge de considerar cuantas aberturas hay en 1” pulgada cuadrada: 43  Los destacados en rojo son los que clasifican: - El 4 separa gravas de arenas. - Los 20 y 30 son los utilizados para separar la “arena de Otawa”, que se utiliza en el ensayo del cono invertido para medir compactación en campo. Esa arena es pasante al 20 y retenida por el 30. - El 200 separa arenas de limos y arcillas. Procedimiento de cálculo (curva granulométrica): Los siguientes son los pasos que sigue el procedimiento de cálculo para un análisis granulométrico: 1) A partir de la criba superior se determina la masa de suelo retenido en cada tamiz (es decir, M1, M2, …, Mn) y en la bandeja (es decir, Mp). 2) Se determina la masa total del suelo: ∑ 𝑀 = 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑛 + 𝑀𝑝 3) Se suma la masa acumulada de suelo retenida por encima de cada tamiz. Esto es: 𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑖 4) La masa de suelo que pasa el tamiz i-ésimo es: ∑M - (M1 + M2 + … + Mi). ∑ 𝑀 − (𝑀1 + 𝑀2 + ⋯ + 𝑀𝑖) 5) El porcentaje de suelo que pasa el tamiz i-ésimo (o por ciento más fino) es: 44  Los cálculos se representan en el papel de gráfico semilogarítmico con el por ciento más fino (pasante) como la ordenada (escala aritmética) y el tamaño de la abertura del tamiz como la abscisa (escala logarítmica). Esta trama se conoce como curva de distribución de tamaño de partícula o curva granulométrica, la cual entonces permite obtener los porcentajes de grava, arena, limo, arcilla y partículas de tamaño de arcillapresentes en un suelo. Los coeficientes de uniformidad se indican dependiendo de como es la curva en mayor o menos cantidad de un tipo o tamaño de partícula. ANÁLISIS DE HIDRÓMETRO (VIA HÚMEDA) El análisis de hidrómetro se utiliza entonces para fracciones finas de suelo, de entre 75 micras (suelo pasante por el tamiz 200) a 1 micra. Se basa en el principio de la sedimentación de los granos del suelo en agua. Cuando una muestra de suelo se dispersa en agua, las partículas se depositan a diferentes velocidades, en función de su forma, tamaño y peso. Por simplicidad, se supone que todas las partículas de suelo son esferas y que la velocidad de las partículas del suelo puede ser expresada por la ley de Stokes, según la cual: Donde v = velocidad de caída/sedimentación = Longitud/tiempo. 𝛾𝑠 = peso específico de las partículas del suelo. 𝛾𝑤 = peso específico del agua. η = coeficiente de viscosidad del agua. D = diámetro de las partículas de suelo. Despejando el diámetro de la ecuación anterior se tiene: 45  A través de ciertas operaciones matemáticas se obtiene que: Donde: K es una función de Gs y η, que son dependientes de la temperatura de la prueba. La variación de K con la temperatura de la prueba y Ge se muestra en la tabla: Entonces, básicamente conociendo la velocidad de caída (a través de mediciones con hidrómetro en laboratorio) y K de tabla, podemos determinar el diámetro de la partícula. 46  Procedimiento de laboratorio 1) A través de horno y balanza, se seca y pesa 50g de muestra fina de suelo (