Apuntes Geotecnia Basica

APUNTES DE GEOTECNIA BASICA

OSCAR RAMÍREZ Ingeniero Civil

2000

PROLOGO

En la vida profesional a diario encontramos diversos problemas relacionados con nuestro campo de acción. Si bien sabemos, debemos estar preparados para solucionarlos de la mejor manera, por ejemplo, cuando se realiza una obra civil de grandes dimensiones en al que se debe alterar un terreno natural, no se trata de deteriorar el medio sino de hacer una obra de arte cuyo fin puede ser el de dar seguridad para un usuario. Para nosotros como ingenieros esta consideración implica relacionar el conocimiento con la experiencia y aplicar esta combinación correctamente. Siendo un poco más objetivos, el área de Geotecnia (tema base de éste texto) es la que proporciona gran parte de las herramientas que se deben utilizar en el momento de buscar dar solución a problemas en los suelos, cualesquiera que sean. Como parte de esas herramientas, se a da a conocer el presente libro que tiene como función orientar, instruir y preparar al estudiante de la rama de Ingeniería Civil o disciplinas relacionadas, el cual desea obtener de éste una guía de consulta durante el transcurso de su estudio de Geotecnia. Los temas de la presente obra hacen parte del curso de Geotecnia Basica , por consiguiente pueden acudir a ella no solo los estudiantes en cuyo programa académico se encuentre incluida la materia ya mencionada o sus afines como lo es la Mecánica de Suelos, sino aquellas personas interesadas en obtener conceptos básicos de la teoría de suelos. El libro contiene ocho capítulos básicos. En el primero de ellos presenta en forma descriptiva el origen y constitución de la Tierra. En el segundo capítulo se encuentran resumidas todas las propiedades físicas que un suelo posee, producto de la formación de estos; así mismo, se describen algunos de los ensayos de laboratorio que permiten obtener estas propiedades. Podemos mencionar que este capítulo es la parte introductoria a la Geotecnia, ya que los conceptos puestos en él son la base fundamental para el desarrollo de los demás temas. El tercer capitulo nos muestra las clasificaciones básicas de los suelos y las rocas, esta fundamentación teórica nos da pie para establecer el comportamiento de estos ya sea en su estado natural o como muestra alterada, factor fundamental en el momento de realizar cualquier tipo de obra. Debido a la aplicación de una carga en un deposito de suelo o por su propio peso se generan esfuerzos en éste; estos esfuerzos son el tema del cuarto capítulo, el cual los describe con breves

ilustraciones. En el siguiente capítulo se describe cada uno de los tipos de sobrecargas que incrementan los esfuerzos en una masa de suelo; se anexan algunos de los ábacos de Newmark (1942) para calcularlos más rápidamente. El comportamiento geomecánico de una estructura de un suelo puede ser alterado por el factor agua, a este respecto da prioridad el capítulo No. seis cuyo enfoque es el flujo de aguas subterráneas. En el séptimo capitulo entenderemos por qué se producen cambios de volumen en un depósito de suelo cuando se somete a un incremento de esfuerzos o a la carga resultante de la construcción de una obra como un edificio. Para finalizar, el autor presenta en su último capítulo la teoría de la resistencia al corte de los suelos y rocas, factor indispensable para el ingeniero que desea obtener un análisis detallado del comportamiento de una masa de suelo con el fin de conocer, por ejemplo, la estabilidad de un talud. Como lo podrán ver, los temas del presente texto son la base de todo un proceso en el estudio de suelos. El libro se complementa con algunos ejemplos ilustrativos que pueden motivar al estudiante y que él vea la importancia de esta área para su formación profesional. El libro se editó con la colaboración de los estudiantes de últimos semestres de Ingeniería Civil de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia con sede en Tunja a partir de 1997, quienes fueron un pie de apoyo para que el Autor realizara esta obra con la mayor claridad a fin de que el estudiantado comprendiera cada uno de los temas en este expuestos. Deive Yesid Pinto Después de la presentación hecha por Deive, estudiante de ultimo semestre, considero importante mencionar que el contenido del texto son los temas incluidos en el programa de ingeniería civil en asignatura Geotecnia Básica hasta la fecha de publicación de esta la primera edición. En la elaboración del texto participaron todos los estudiantes que hasta la fecha han cursado la asignatura, seis promociones. De igual manera quiero agradecer la colaboración dada por Sandra Ospina Lozano, estudiante de ingeniería civil, quien ayudo en la diagramación del texto y elaboración de un buen número de graficas.

EL AUTOR

CONTENIDO PROLOGO

Capítulo 1

CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE

1

1.1. ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS

3

1.2. EL CICLO ROCA SUELO

4 5 6 6 6

1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4.

Rocas ígneas Rocas sedimentarias Rocas metamórficas El ciclo roca suelo

1.3. MOVIMIENTOS DE LA CORTEZA

8

1.4. METEORIZACION 1.4.1. Procesos físicos de la meteorización (Intemperísmo) 1.4.2. Procesos químicos de la meteorización

9 9 10

1.5. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACIÓN DE SUELOS

12

1.6. PERFIL ESTRATIGRAFICO

13

1.7. TIPOS DE SUELOS

1.7.1. Suelos residuales 1.7.2. Suelos transportados 1.7.2.1 Formados por la acción del agua 1.7.2.2 Formados por acción de la gravedad 1.7.2.3 Formados por la acción del viento 1.7.2.4 Formados por la acción de glaciales

14 14 15 15 18 18 19

1.8. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DEPÓSITOS

21

1.9. COMPONENTES DE LOS SUELOS

1.9.1. Propiedades físicas de los minerales 1.9.2. Suelos granulares 1.9.3. Suelos finos (Arcillas y Limos)

21 21 23 27

1.10. ESTRUCTURA DE LAS PARTÍCULAS MINERALES

29

1.11. ESTRUCTURA ATÓMICA

32

1.12. FUERZAS DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE UNA PARTICULA DE SUELO

33

Capítulo 2

1.13. FUERZAS DE REPULSIÓN Y ATRACCIÓN

35

1.14. FORMA DE LOS GRANOS

36

1.15. COMPORTAMIENTO DE UNA PARTÍCULA EN PRESENCIA DE AGUA

37

1.16. IDENTIFICACION DE SUELOS

38

PROPIEDADES FÍSICAS

44

2.1. FASES

44 44 44 45

2.1.1. Fase sólida 2.1.2. Fase líquida 2.1.3 Fase gaseosa 2.2. RELACIONES DE FASE

2.2.1. 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6

Relación de vacíos Porosidad Saturación Humedad Peso unitario Gravedad específica

2.3. DIAGRAMAS DE FASE

2.3.1 Suelo saturado 2.3.2 Suelo semisaturado 2.3.3 Suelo seco 2.4. LIMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG

2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8

Limite plástico Limite líquido Limite de contracción Índice plástico Índice de liquidez Índice de consistencia Densidad relativa Absorción

2.5. ENSAYOS DE LABORATORIO

2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4. 2.5.5. 2.5.6. 2.5.7. 2.5.7. 2.5.8.

Capitulo 3

Humedad natural Volumen Peso total Granulometría Hidrómetro Gravedad específica Límite plástico Límite líquido Densidad relativa

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Y ROCAS

45 46 46 46 47 47 48 49 49 50 51 53 54 54 54 54 54 55 55 55 55 56 56 58 58 62 64 67 68 71

82

3.1. CLASIFICACIÓN DE SUELOS 8

3.1.1. Finalidad de una clasificación de suelos 3.1.2. Propiedades índice 3.2. CLASIFICACIONES PROPUESTAS PARA SUELOS

3.2.1. Clasificación primaria de los suelos. “Los grandes grupos de los suelos” 3.2.2. Clasificación preliminar por tipos de suelo 3.2.3. Clasificación por origen 3.2.4. Clasificación de suelos sedimentarios por su estructura 3.2.5. Clasificación por tamaño de granulación 3.2.6. Clasificación del M.I.T.

84 84 87 88 89 88 90

3.3. CLASIFICACION DE LA PUBLIC ROADS ADMINISTRATION

91

3.4. CLASIFICACIÓN UNIFICADA DE LOS SUELOS

3.4.1. Procedimiento de clasificación 3.4.2 Simbología Utilizada 3.4.3. Bases de la clasificación

92 93 93 98

3.5. CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS FAA

108

3.6. SISTEMA BRITÁNICO DE CLASIFICACIÓN DE SUELO

108

3.7. CLASIFICACI0N DE SUELOS AASHO

111 111 112 113 117

3.7.1 3.7.2 3.7.3. 3.7.4.

Bases de la clasificación Suelos Granulares Suelos Finos Metodología de clasificación

3.9. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS

3.9.1. 3.9.2. 3.9.3. 3.9.4. 3.9.5. 3.9.6. 3.9.7.

Clasificación de las Rocas Terzaghi Clasificación de Stini y Lauffer Índice de calidad de roca de Deere Merrit Clasificación CSIR de los Macizos Rocosos Fisurados Indice de calidad de túneles (NGI) Notas complementarias para el uso de estas tablas

3.10. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS

3.10.1 Identificación de Suelos Gruesos 3.10.2 Identificación de campo de suelos finos 3.11. PRUEBAS CUALITATIVAS PARA DISTINGUIR ENTRE LIMOS Y ARCILLAS

Capítulo 4

83 83 83

ESFUERZOS

120 120 125 126 128 129 134 137 132 132 132 133

135

4.1. CLASIFICACION DE LOS ESFUERZOS

135

4.2. ESFUERZOS NATURALES

136

137 138 140 141 142 145 151

4.3. ESFUERZOS GEOSTATICOS

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.4 4.3.5.

Esfuerzo vertical Esfuerzos Horizontales Esfuerzos Totales Esfuerzos efectivos Esfuerzos horizontales efectivos Presión artesiana

4.4. FUNDAMENTOS DE LA MECANICA DEL CONTINUO

4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 4.4.8 4.4.9

Esfuerzos en un punto Componentes del esfuerzo Equilibrio de ecuaciones Esfuerzos sobre un plano Esfuerzos sobre un plano oblicuo, que pasa por un punto Transformación de esfuerzos Esfuerzos principales Esfuerzos invariantes Esfuerzos desviadores

184 185 188

4.5. MAXIMO ESFUERZO DE CORTE

4.5.1 Esfuerzos octaédricos 4.5.2 Círculo de Mohr 4.6. INTRODUCCION A LA TEORIA DE LA ELASTICIDAD

194

4.7. RELACIÓN DE POISSON

196

4.8. ESTADO PLANO DE DEFORMACIÓN

196

4.9. DEFORMACIONES EN UN MATERIAL HOMOGENEO Y ORTOTROPICO

ELASTICO, LINEAL,

4.10. DEFORMACION EN UN PUNTO

4.10.1 Deformaciones

Capítulo 5

152 152 155 159 166 170 175 178 181 183

197 198 198

4.11. DESCRIPCION LAGRANGIANA

200

4.12. DESCRIPCION EULERIANA

200

4.13. MECANICA DEL CONTINUO

201

4.14. METODOS NUMERICOS EN INGENIERIA GEOTECNICA

202

SOBRECARGAS

204

5.1. ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LAS CARGAS APLICADAS

205

5.2. FORMA DE CARGA Y EVALUACIÓN DEL INCREMENTO DE ESFUERZOS

206

5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.2.4. 5.2.5. 5.2.6. 5.2.7. 5.2.8. 5.2.9. 5.2.10. 5.2.11. 5.2.12. 5.2.13. 5.2.14. 5.2.15.

Carga puntual vertical Carga lineal vertical Carga vertical por unidad de longitud en un suelo estratificado Carga vertical incrustada en la masa de suelo Carga uniformemente distribuida sobre una franja infinita Carga uniformemente distribuida localizada debajo de una masa de suelo Carga triangular sobre una franja infinita Carga uniformemente distribuida sobre un área rectangular Carga uniformemente distribuida sobre un área circular Carga vertical en una masa semi-infinita de suelo ocasionada por un terraplén Esfuerzos producidos por una línea de carga horizontal Esfuerzo debido a una carga de línea horizontal dentro de una masa de suelo semi-infinita Carga horizontal uniforme sobre una franja infinita de suelo Cálculo aproximado del incremento del esfuerzo vertical Diagramas de influencia de Newmark para el cálculo de esfuerzos

5.3. SOBRECARGAS PARA SUELOS ESTRATIFICADOS

Capítulo 6

EL AGUA EN LA GEOSFERA 6.1. CICLO HIDROLÓGICO

6.1.1. 6.1.2. 6.1.3.

Infiltracion del agua en los suelos Zonas por nivel del agua Usos del agua infiltrada

6.2. CONCEPTOS BÁSICOS DE FLUJO EN MEDIOS POROSOS

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

Descripción del movimiento de flujo Permeabilidad Flujo transitorio Flujo estacionario

6.3. LEY DE DARCY

6.3.1 6.3.2. 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6

Gradiente hidráulico Velocidad de flujo Validez de la ley de Darcy Límites de la ley de Darcy Ley de Darcy en suelos parcialmente saturados Ley de darcy en materiales saturados

6.4. OTRAS EXPRESIONES

206 209 211 212 215 217 219 220 227 232 235 236 237 240 240 241

253 253 254 255 255 257 257 259 260 260 261 263 264 264 264 265 266 267

6.5. CAPILARIDAD

270

6.6. ENSAYOS DE LABORATORIO

273 273 274 277

6.6.1 6.6.2 6.6.3

Ensayo de carga o cabeza variable Ensayo de carga o cabeza constante Ensayos de campo

6.7. ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL FLUJO ESTACIONARIO 6.8. SOLUCION PARA A LA ECUACIÓN DE FLUJO

6.8.1.

Flujo unidimensional

6.9. FLUJO UNIDIMENSIONAL ASCENDENTE

6.9.1.

Flujo bidimensional

279

281 283 287

6.10. DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO 6.10.1 Método Euleriano 6.10.2 Método lagrangiano 6.10.3 Concepto de trayectoria

287 288 288 288

6.11. SUELOS ESTRATIFICADOS

297 298

6.11.1. Ecuaciones 6.12. METODOS DE ANALISIS AL FLUJO BIDIMENSIONAL

6.12.1. Solución grafica de problemas de flujo 6.13. REDES DE FLUJO PARA PRESAS DE TIERRA

6.13.1 6.13.2 6.13.3. 6.13.4

Evaluacion del caudal ( ß < 30 °) Cálculo de la infiltración Consideraciones para redes de flujo Cálculo directo de la cantidad de filtración

300 300 307 308 312 316 318

6.14. REDES DE FLUJO PLANAS O RADIALES

319

6.15. RED DE FLUJO POR DIFERENCIAS FINITAS

319 320

6.15.1 Ecuaciones

Capítulo 7

277

CONSOLIDACION

327

7.1 CONSOLIDACION UNIDIMENSIOMAL

329

7.2. SOLUCION ECUACION DIFERENCIAL

330

7.3. GRADO DE CONSOLIDACIÓN

346

7.4. ANÁLISIS DEL FACTOR TIEMPO

350

7.5. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN

350

7.5.1. Descripción general del ensayo 7.5.2. Gráficas del ensayo 7.5.3 Esfuerzo de Preconsolidación 7.6. ASENTAMIENTO EN SUELOS COHESIVOS (CONSOLIDACIÓN PRIMARIA)

7.6.1. 7.6.2. 7.6.3 7.6.4

Suelos normalmente consolidados Suelos sobreconsolidados o preconsolidados Calculo de Asentamiento.. Suelos sobrecosolidados

7.7. ASENTAMIENTO PRIMARIO CON EL TIEMPO

7.7.1. 7.7.2

Asentamiento primario Métodos alternos para hallar t50

7.8. CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA 7.9. OTROS CASOS DE CONSOLIDACIÓN DE ESTRATOS HORIZONTALES DE ARCILLA

7.9.1. 7.9.2. 7.9.3.

Capítulo 8

Estratos horizontales de arcilla drenadas por ambas caras Estratos horizontales drenados por una sola cara Curva experimental de consolidación de Terzaghi

RESISTENCIA DE SUELOS Y ROCAS

360 353 354 355 356 362 357 360 362 362 363 364 365 366 368 368

371

8.1. CONDICIONES QUE CONTROLAN LA RESISTENCIA AL CORTE

373

8.2. CRITERIOS DE FALLA

374 375 375 375 375 376 376 376 377 378 384 385 387 388 389 389 390 390 392

8.2.1. 8.2.2. 8.2.3. 8.2.4. 8.2.5. 8.2.6. 8.2.7. 8.2.8. 8.2.9 8.2.10. 8.2.11. 8.2.12. 8.2.13. 8.2.14. 8.2.15. 8.2.16 8.2.17

Teorías de falla Teoria de Saint Venant Teoría del máximo esfuerzo normal de Rankine Teoría de Coulomb Teoría de Mohr Teoría de Von Mises Teoría de Guest Teoría de Tresca Teoria de Mohr Coulomb Otros conceptos sobre criterios de falla en rocas Criterio de debilitamiento de un macizo rocoso Propuesta de Balmer Teoría de Griffith Criterio de Fairhuret Teoría de Hoeck (1968) Comportamiento Dúctil Fases del Debilitamiento

8.3. COMPARACIÓN DE CRITERIOS 8.4. ENSAYOS DE LABORATORIO

8.4.1. 8.4.2. 8.3.3.

Ensayos de compresión inconfinada Ensayo de corte directo Ensayo de compresión Triaxial

8.4. CLASES DE ENSAYOS SEGÚN LA APLICACIÓN DEL ESFUERZO DE CORTE

393 394 396 399 404

8.5. DIRECCION DEL PLANO DE FALLA Y RELACION ENTRE ESFUERZOS PRINCIPALES Y PARAMETROS DE RESISTENCIA AL CORTE 8.6. PARAMETROS DE PRESION INTERSTICIAL 8.7. ESFUERZOS DE CORTE

BIBLIOGRAFIA

416 420 421 427

Capítulo 1 CONSTITUCIÓN INTERNA DEL GLOBO TERRESTRE

De acuerdo a teorías recientes y que gozan de gran aceptación, la tierra se formó hace 4.500 millones de años de una gigantesca bola de gases y escombros cósmicos. Con el enfriamiento de esta masa se formó la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Teoría del Big Bang. En un esquema simplista el globo terrestre está constituido, primeramente, por un núcleo formado predominantemente por compuestos de hierro y níquel. Actualmente se considera que la densidad media de este núcleo es considerablemente superior a la de capas más superficiales; también se deduce del estudio de ondas sísmicas que el núcleo carece de rigidez, característica que ha inducido a los investigadores a juzgarlo fluido.1 Luego del núcleo, existe un manto fluido (magma) que lo rodea. Envolviendo este manto se encuentra la corteza terrestre, capa que presenta una densidad decreciente hacia la superficie, y está formada esencialmente por silicatos. Esta capa constituida por grandes masas heterogéneas, tiene un espesor medio de 30 a 40 Km. en las plataformas continentales, y de aproximadamente 10Km en los océanos. Toda la corteza se encuentra aproximadamente en estado de balance isostático, flotando sobre el magma terrestre más denso. La separación entre la parte fluida y la corteza que la envuelve suele considerarse abrupta, antes que gradual ; la han llamado Discontinuidad de Mohorovich. La corteza terrestre está compuesta por roca en estado sano y roca meteorizada (suelo) que corresponde a la parte sólida o estructura y los vacíos que se presentan en esta armazón; en algunos casos es ocupada por agua. El estudio del comportamiento de estos materiales, en las condiciones expuestas es lo que hemos llamado Geotecnia Básica. En la capa mas superficial (suelo), aparece en la mayoría de los casos, una capa vegetal de material no consolidado que tiene gran importancia por la función que cumple. 1

Vídeo No. 1 “El Interior de la Tierra

2

Constitución interna del globo terrestre

Los principales elementos que componen la corteza exterior de la tierra presentan la siguiente composición promedio: Tabla 1. Elementos que componen la capa terrestre ELEMENTO Oxígeno Silicio Aluminio Hierro Magnesio Calcio Sodio Potasio

SÍMBOLO O Si Al Fe Mg Ca Na K

% EN PESO 46.6 27.7 8.1 5.0 2.1 3.6 2.8 2.6

% EN VOLUMEN 93.8 0.9 0.5 0.4 0.3 1.0 1.3 1.8

Estos elementos rara vez existen solos, sino más bien, en combinación, con otros elementos.

2

Figura 1.1. Dimensiones aproximadas de la tierra incluyendo la atmósfera

2

Fuente: Tomado de “Propiedades Geofísicas de los Suelos” de J. Bowles.

Geotecnia I

Constitución interna del globo terrestre

3

1.1 ORIGEN Y FORMACIÓN DE SUELOS Y ROCAS El origen y formación de los depósitos de suelo y de roca hace parte de un ciclo geológico donde toda la materia se esta transformando en forma continua en periodos de tiempo muy superiores a los de diseño de las obras que se desarrollan sobre estos. Esto debe tenerse en cuenta, pues casi siempre se asumen parámetros constantes para establecer comportamientos. Una simplificación de “ El ciclo Geológico” se presenta en el esquema siguiente:

Materiales piroclástico

Procesos de degradación de las rocas Suelos ⇒

Formación Rocas igneas extrusivas

⇐ Rocas sedimentarias Rocas metamórficas

Vulcanismo

Formación Rocas igneas intrusivas

Sedimentación litificación intemperismo

Subducción

Tectónica de placas

Subducción Magma

Figura 1.1.a. Ciclo Geológico

ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS En Geotecnia se llama suelo a los sedimentos no consolidados y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas, producidas por desintegración física y por descomposición química de rocas que pueden o no contener materia orgánica. Por otra parte la roca es un material mineral natural, sólido, duro que se presenta en grandes masas o en fragmentos de tamaños considerables.

Geotecnia I

4

Constitución interna del globo terrestre

La mecánica de suelos y la mecánica de rocas se pueden definir como la aplicación de las leyes y los principios de la mecánica y la hidráulica, al modelamiento de estos depósitos para predecir su comportamiento y plantear soluciones en ingeniería que utilizan el suelo o las rocas como material estructural o elemento de construcción. Estas disciplinas también pueden definirse como la rama de la ingeniería geotécnica que estudian las propiedades, el comportamiento y la utilización de estos materiales como elementos estructurales. Las propiedades importantes de los suelos y rocas desde el punto de vista de la ingeniería son esencialmente las siguientes: a) Tamaño, forma y disposición de los granos: granulometría, textura y estructuras. b) Propiedades de la fracción de partículas muy finas de un suelo. c) Porosidad. d) Densidad: de la parte sólida y del conjunto sólido poroso. e) Contenido de humedad y su influencia. f) Consistencia y plasticidad. g) Permeabilidad y características del agua intersticial: sus diversas formas; el nivel freático, presiones intersticiales, movimiento del agua a través del suelo y capilaridad. h) Deformabilidad: deformaciones plásticas, elásticas, por compactación y Consolidación. i) Resistencia al corte: los parámetros de cohesión y resistencia por fricción interna de los granos. Relación Esfuerzo-Deformación. j) Características de compatibilidad del suelo.

1.2 EL CICLO ROCA SUELO Las rocas de acuerdo a su origen se clasifican en tres grupos básicos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Las rocas son mezclas de varios minerales o compuestos y varían grandemente en composición. La historia geológica documentada de aproximadamente mil millones de años, indica que la tierra está cambiando continuamente. Los procesos de meteorización, ayudados por las deformidades de la corteza, reducen la roca sólida a fragmentos, dando origen a diferentes tipos de suelo. La corteza terrestre consta aproximadamente de un 95% de rocas ígneas, y de solo un 5 % entre rocas sedimentarias y metamórficas.

Geotecnia I

Constitución interna del globo terrestre

5

1.2.1 Rocas Ígneas Son rocas formadas por el enfriamiento del magma fundido, gran parte de este se encuentra a considerable profundidad bajo la corteza terrestre, excepto en áreas volcánicas activas, donde se encuentra superficialmente, producto de las erupciones volcánicas. Debido al enfriamiento, los ajustes periódicos producen tensiones que generan grietas y fallas en la corteza rocosa. El magma puede encontrar salidas por estas grietas y fallas, ya sea en trayectorias parciales sin afloramientos o bien, en algunos casos, directamente hacia la superficie por medio de volcanes. Los flujos de trayectorias parciales forman en la corteza rocas intrusivas o plutónicas. Puesto que los magmas, son fusiones complejas que contienen muchos componentes, la temperatura a la que un mineral determinado comienza a cristalizar depende de su solubilidad relativa bajo las condiciones químicas y físicas prevalecen y no de manera estricta y directa de su punto de solidificación, un Mineral cristaliza cuando el magma, en las condiciones reinantes, llega a la saturación de sus componentes. El que aparezcan unos u otros minerales parece depender en gran medida de la temperatura de metamorfismo, y Bowen ha mostrado que es posible reconocer una sucesión de etapas, marcadas por la desaparición de minerales que han cesado de ser estables en el ámbito químico correspondiente La velocidad de enfriamiento del magma determina el tamaño de la estructura cristalina; la gruesa obedece a un enfriamiento lento; la fina, a un enfriamiento rápido. Las rocas ígneas extrusivas se forman cuando la roca fundida se endurece después de alcanzar la superficie. Algunas rocas ígneas son : Granito, Diorita, Riolita, Gabro, Pumita, etc.3

3

Vídeo No. 2 “Volcanismo”

Geotecnia I

6

Constitución interna del globo terrestre

1.2.2 Rocas Sedimentarias Las rocas expuestas en la superficie de la tierra, son especialmente vulnerables a los agentes de la meteorización; está reduce la masa de roca a partículas fragmentadas que pueden ser transportadas más fácilmente por el viento, el agua y el hielo. Cuando son depositadas por agentes transportadores, reciben el nombre de sedimentos. Los sedimentos son depositados en capas o camas denominadas estratos. Cuando los estratos son compactados y cementados (Litificación), forman las rocas sedimentarias. Estas rocas componen alrededor del 75% de las rocas expuestas en la superficie de la tierra. Las rocas sedimentarias se subdividen en clásticas y químicas. Entre ellas se encuentran : Arenisca, Lutita, Caliza, Dolomita, Evaporita, Coquina, 4 Carbón, etc. 1.2.3 Rocas Metamórficas Son rocas producidas por el metamorfismo a través de altas presiones, que actúan ya sea en rocas sedimentarias o en rocas ígneas que han estado profundamente ubicadas en la tierra. Durante el proceso de metamorfismo, la roca original experimenta tanto alteraciones químicas como físicas que cambian la textura y la composición del mineral. La redisposición de los minerales durante el metamorfismo da por resultado dos texturas rocosas básicas : foliada y no foliada. La foliación consiste en que los minerales de la roca se vuelven aplanados o anchos y dispuestos en bandas paralelas o capas. Las rocas metamórficas más comunes en Colombia son : Pizarra, Esquisto, Gneis, Cuarcita, Marmol, Antracita, etc.5 1.2.4 El Ciclo Roca Suelo La corteza terrestre experimenta un cambio constante en su topografía o formas al igual que en la composición de los materiales que la conforman. Son diversos los fenómenos que se presentan dando origen a un cambio casi constante en los tres tipos de roca; en la figura anterior se muestran los fenómenos presentes.6

4

Vídeo No. 3 “Rocas Sedimentarias” (Origen y Formación) Videos No. 4 y 5 “Origen y Formación de las Rocas” 6 Fuente: Tomado de “Propiedades Geofísicas de los Suelos” de J. Bowles. 5

Geotecnia I

Constitución interna del globo terrestre

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Erosión Transporte Depositación Litificación

Erosión, Transporte, Depositación, Litificación.

Figura 1.2. Ciclo Roca Suelo

Geotecnia I

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1.3 MOVIMIENTOS DE LA CORTEZA La corteza terrestre ha experimentado un cambio estructural considerable durante los períodos pasados de la historia de la tierra. La evidencia geológica indica que grandes áreas de tierra de todos los continentes han sido cubiertas periódicamente por mares poco profundos. La evidencia a sido obtenida del 7 estudio de los fósiles encontrados en sedimentos y en rocas expuestas. Los movimientos de la corteza producen deformaciones estructurales como pliegues, fallas, diaclasas, etc., que dependen del tipo de movimiento relativo entre las placas. La mayoría de los movimientos ocurren a lo largo de zonas estrechas entre placas (límites de placa), donde los resultados de fuerzas entre placas tectónicas son más evidentes. Hay tres tipos de limites de placas : Límites Divergentes donde se apartan las placas una respecto de la otra. límites Convergentes donde dos placas se empujan entre sí, límites de Transformación donde las placas se deslizan horizontalmente una respecto de la otra. En zonas afectadas por límites de placas divergentes se forma nueva corteza ; si la zona es un océano, este crece ; en una zona continental es notoria la actividad sísmica y vulcanológica, y cicatrices como grietas (a veces terminan con la división de un continente) y elevaciones del terreno son comunes. En los límites convergentes se destruye material. La convergencia puede ocurrir entre una placa oceánica y una continental, o entre dos placas oceánicas, o entre dos placas continentales. En la convergencia oceánica - continental son comunes fosas que son creadas por subducción de una placa bajo otra. En el continente se crean sobresalientes montañas (cordilleras) y se producen grandes terremotos acompañados de actividad volcánica. Cuando dos placas oceánicas convergen, una es subjuntada bajo la otra, y en el proceso una Zanja es formada. En el piso marino se forman arcos de volcanes, y es fuerte la actividad sísmica. Cuando dos continentes se encuentran frente a frente ninguno es subjuntado porque las rocas continentales son relativamente livianas ; la corteza tiende a doblarse y emerger, formándose las cordilleras más altas del mundo. En los Límites de Falla de Transformación, las fallas o zonas de fractura conectan dos centros de despliegue (límites divergentes de placas). La mayoría de las Fallas de transformación son encontradas en el piso del océano. Estas 7

Vídeo No. 6 “Fósiles”

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comúnmente desplazan las Cordilleras en despliegue, y generalmente causan terremotos superficiales. 1.4 METEORIZACIÓN La meteorización es el resultado principalmente de la acción de los agentes atmosféricos que originan los suelos, los cuales se generan por procesos físicos y/o químicos. Lo que hace la meteorización, es producir una alteración de la roca 8 basal, para dar origen a fragmentos que son los suelos. La meteorización es otra forma de cambiar el paisaje y se presenta en diferentes formas: 1.4.1 Procesos Físicos de la Meteorización (Intemperísmo) a) Exfoliación: Por acción de fuerzas físicas internas se separan de una roca grandes placas curvas a manera de costras. Este proceso origina dos rasgos bastante comunes en el paisaje: unas colinas grandes abovedadas, llamadas domos de exfoliación, y peñascos redondeados llamados cantos. En muchas rocas macizas existen fracturas o planos de separación llamados juntas. Estas juntas forman curvas amplias más o menos paralelas a las superficie de la roca. La distancia entre las juntas es de sólo unos centímetros, pero aumenta de uno a varios metros a medida que se profundiza en la roca. Bajo ciertas condiciones, una tras otra de esas hojas curvas, separadas por las juntas, se descascaran o separan de la masa de roca. Finalmente se desarrolla un cerro o una colina de roca, con superficie curva, de tipo dómico. Las rocas ígneas, tales como el granito, la diorita y el gabro son particularmente susceptibles a este tipo de intemperismo, porque contienen grandes cantidades de feldespato, el cual, cuando se intemperiza químicamente, produce nuevos minerales de gran volumen. b) Erosión: Producida por el viento y la lluvia. Este es un proceso continuo que se desarrolla de diversas formas dependiendo del tipo de material, de la topografía y el clima. El agua que escurre llevando pequeñas partículas en suspensión puede erosionar o desgastar la roca más sólida a través de periodos geológicos. Esto tiene especial significación en áreas de topografía escabrosa, en las que pueden producirse altas velocidades de escorrentía.

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Vídeo No.7 “Erosión climática”

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c) Abrasión: Es el desgaste producido cuando dos materiales duros en contacto entre sí experimentan un movimiento relativo; éste puede presentarse cuando uno de los materiales está suspendido en agua y por el movimiento muele o desgasta los materiales hasta tamaños menores. También se presenta abrasión cuando una masa de hielo deslizante de los glaciares arrastra pedazos de roca consigo, y en las arenas arrastradas por el viento en la regiones desérticas. d) El Impacto de las Olas Contra las Rocas en los Litorales: El choque continuo de las olas contra la masa rocosa del litoral produce cambios en el material. e) Actividad Orgánica: Las raíces de los árboles y arbustos que crecen en las grietas de las rocas ejercen, a veces, presión suficiente para desalojar fragmentos de roca que han quedado sueltos previamente. También las raíces de los árboles levantan y agrietan los suelos. Animales, tales como insectos y gusanos, que cavan sus viviendas en el interior del terreno pueden llevar fragmentos de roca a la superficie o, de otras maneras, exponer los fragmentos a una meteorización adicional. f) Congelación del Agua (Efecto Cuña): La densidad de un fluido congelado es menor que la densidad del fluido a temperatura ambiente. Puesto que muchas cavidades de las rocas están expuestas al aire, la congelación preliminar en la parte superior de las mismas cuando están llenas de agua, pueden formar sistemas cerrados en los cuales la congelación continúa y se propaga pudiendo llegar a desarrollar presiones de ruptura. Puesto que el hielo continúa a manera de cuña, el mecanismo descrito se denomina acción de cuña de hielo. 1.4.2 Procesos Químicos de la Meteorización La meteorización química comprende la alteración de los minerales de la roca a nuevos compuestos. Puede incluir los siguientes procesos. a) Oxidación: Proceso por el cual se agrega oxigeno a las rocas, actúa más sobre los minerales de hierro y es favorecida por la humedad, sin la cual este proceso es más lento. Por este efecto se crean suelos de colores rojizos (lateritas), o amarillentos, óxidos hidratados de hierro, carbonatos y sulfatos. En algunos casos por estas reacciones resulta un aumento de volumen, lo cual conlleva a un subsecuente fracturamiento o desintegración de la roca. * Lateritas : Depósitos de suelo formado a partir de rocas con contenido ferroso, en el cual se ha presentado un proceso de oxidación. Suelo tropical rico en aluminio hidratado con óxidos de hierro.

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b) Disolución: Algunas rocas carbonosas se diluyen en presencia del agua, como las calizas. El Carbonato Cálcico es poco soluble en agua pura, pero en presencia de Anhídrido carbónico, es disuelto lentamente en forma de Bicarbonato cálcico. Son suelos inestables en estado húmedo, pero en estado seco presentan buenas características desde el punto de vista ingenieril. CO3 Ca + CO2 + H2O --------

(CO3H)2Ca

Esta es la causa de la gran cantidad de grietas, cavernas y conductos que hacen muy permeable y débil este tipo de roca. Otro fenómeno de disolución, es el que se presenta en el yeso, que en presencia de agua origina la Karsticidad. c) Lixiviación: El agua lluvia que se infiltrada en la superficie del terreno arrastra el material cementante de las rocas sedimentarias que atraviesa, aflojando las partículas y arrastrando las más pequeñas y los agentes cementantes a estratos más profundos. En áreas de baja precipitación pluvial, el vapor de agua puede llevar los agentes cementantes, tales como sulfatos, carbonatos, etc., a la superficie del terreno, formando una corteza de sal que puede hacer al suelo inapropiado para el desarrollo de cobertura vegetal. d) Hidrólisis: Corresponde a la formación de iones H+, la cual se produce por un intercambio iónico del agua con un mineral. El grado de acidez del agua acelera todos los procesos, pues con esto gana actividad. A partir de materiales presentes en las rocas sedimentarias e ígneas como los silicatos; se llega por medio de la hidrólisis, a un producto como la arcilla. Por esta razón es que más arcillas están compuestas principalmente de Silicatos de Aluminio, producto de la descomposición de los feldespatos. La descomposición del feldespato ortoclasa es un mejor ejemplo de lo expuesto: 2K(AlSi3O8) + H2CO3 + H2O ----- Al2Si2O5(OH4) + K2CO3 + 4SiO2 2 partes Ortoclasa

Ácido Carbónico

Arcilla

Carbonato de Potasio

Sílice

O también la ortoclasa así : 2Si3O8AlK + CO2 + 6H2O

------ 2SiO2Al2O3H2O + K2CO3 + 4SiO3H2 Caolinita

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No se sabe exactamente qué factores determinen la clase de arcilla que se forma por efecto del intemperismo de un feldespato, pero se cree que el clima juega un papel importante, pues la Caolinita tiende a formarse en climas cálidos y húmedos en tanto que la Illita y la Montmorillonita se desarrolla mejor en climas fríos. Observando la ecuación de la descomposición de la ortoclasa se nota que el segundo producto que es el Carbonato de Potasio, soluble en agua, que puede ser arrastrado por infiltración, o consumido por las plantas, o también puede formar parte de la arcilla. e) Carbonatación: Consiste en la acción del agua, conjuntamente con la del anhídrido carbónico, con lo cual se forma ácido carbónico, que reacciona con minerales de hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio; como resultado de esta unión se producen carbonatos (solubles) y bicarbonatos (menos solubles) de estos elementos. La velocidad de meteorización es inversamente proporcional al tamaño de las partículas; a mayor diámetro, menor velocidad y a menor diámetro mayor velocidad de meteorización. Todos estos procesos revisten gran importancia para la estabilidad de una obra y cuando se encuentran evidencias de estos procesos en sitios donde se adelantan proyectos, es muy importante determinar la aceleración o retraso de los mismos, por el cambio de las condiciones que impone el proyecto y el impacto de estos cambios sobre la estabilidad de la obra. 1.5 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACIÓN DE SUELOS Se puede decir que los factores que influyen en la formación de suelos son los 9 siguientes : a) El clima. Especialmente la lluvia y la temperatura. b) El material. Llamado material parental. c) La topografía. Debe señalarse su incidencia en la cantidad y velocidad del agua que corre por encima del suelo y el agua que se infiltra. d) La vida de las plantas. e) El tiempo transcurrido. Desde que inició la meteorización de un material transcurrido.10 9

Vídeo No.7 “Planeta Tierra”

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Vídeo No. 7 “Planeta Tierra”

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1.6 PERFIL ESTRATIGRAFICO Corresponde a la descripción litológica del material presente en cada nivel, determinando su ubicación y el espesor del mismo. La descripción se hace de la superficie del terreno hacia abajo. A continuación se hace una descripción de los materiales que se pueden encontrar. • Capa Orgánica: Es un suelo, muy poco utilizado en las obras de ingeniería, por su contenido de nutrientes que se descomponen con el tiempo y por lo tanto presenta una mayor compresibilidad. Su color más usual es negro, contiene raíces y algunas veces olor. Para minimizar el impacto de la obra en el sitio, el ingeniero constructor debe conservar este material evitando su contaminación y utilizando como protección contra el interperismo del material sano. El intemperismo juega un papel importante en el desarrollo de obras de ingeniería, y en los últimos años se ha utilizado este material como protección de cortes. El suelo orgánico o capa orgánica es el material superficial que sostiene la vida vegetal. PERFIL DE METEORIZACIÓN DE DEER Y PATTON • Suelo: Se habla de arenas, limos, arcilla y bloques de roca en cualquier matriz.

• Roca Sana: Es la roca primitiva y fase inicial de la desintegración; no ha sufrido cambios físicos ni químicos notorios.

Figura 1.3. Perfil de meteorización de DEER y PATTON

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1.7. TIPOS DE SUELOS En el estudio de la meteorización se ha encontrado que estos se pueden formar de diferentes maneras. Además se ha sugerido que estos restos no consolidados pueden yacer en su posición de origen sobre la roca subyacente, o ser removidos hacia nuevas posiciones por la fuerzas mecánicas de la naturaleza o del hombre. Basándose en esto se reconocen dos grupos de materiales originarios. Los productos del ataque de los agentes de intemperismo, pueden quedar en el lugar, directamente sobre la roca de la cual procederían dando origen a los llamados suelos residuales, conocidos también como suelos “in situ” o secundarios. Pero estos productos pueden ser removidos del lugar de formación por los Figura 1.4. Perfil de un suelo mismos agentes geológicos y redepositados en otra zona, generándose así suelos que subyacen sobre otros estratos sin relación directa con ellos; a estos se les denomina suelos transportados. 1.7.1 Suelos Residuales Estos suelos no han sufrido ningún tipo de transporte, se encuentran sobre la roca parental y además tienen como característica fundamental, la descripción de 3 horizontes principales bien definidos (A, B, C). * Horizonte C: En si es la roca intacta y donde se inicia la desintegración; en este horizonte se encuentran dos capas. Una en la cual la roca primitiva es casi intacta en su totalidad, en su parte superior presenta hendiduras que disminuyen con la profundidad ya que los agentes desintegradores como las raíces de los árboles actúan con mayor intensidad en la superficie, al igual que el agua. La otra capa, donde se presentan las fracturas y la roca se divide en microelementos desapareciendo su continuidad. * Horizonte B: Se conoce como fase de sedimentación, los fragmentos de roca disminuyen notoriamente en cantidad y volumen, ofreciendo grandes soluciones

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de continuidad, rellenas con material mas pequeño, constituyendo así su unión, originando un nuevo suelo. * Horizonte A: Es la fase agrogénica, son ricas en materia orgánica, por esto es común su coloración, en su mayoría oscura. Cabe destacar que este suelo como material de ingeniería no es adecuado, pero su conservación es fundamental para la estabilidad en todo proyecto. 1.7.2 Suelos Transportados La roca que dio origen a estos suelos se encuentra en un sitio diferente al depósito del suelo y el medio de transporte puede ser el : Agua, Viento, Gravedad y los Glaciares. 1.7.2.1 Formados por la Acción del Agua Llanuras de inundación: Una corriente de agua sobre el lecho inclinado por lo general empieza oscilando de este lado para otro, en curvas variables depositando los materiales de aluvión en el interior de las curvas y erosionando las laderas opuestas. Esto da origen a los llamados Yugo de buey y lagunas, que son ideales para la futura sedimentación de material aluvial y desarrollo de pantanos. Parte de este sedimento se deposita encima de las áreas antes sumergidas, las más superficiales tocan cerca del canal, constituyendo diques naturales, existiendo dos tipos de deposito en el lecho de los ríos : Los meandros y el de inundación. Los de inundación en las llanuras son variables, de textura gradual desde gravas hasta arcillas. Valles de inundación: Son los dejados por el material arrastrado por las corrientes de agua en los aluviones o crecientes, en periodos de lluvias intensos en que el agua de los ríos y quebradas inunda las llanuras; y en la vega aledaña van quedando estos depósitos que en muchas ocasiones presentan estratificación pero que son frecuentemente heterogéneos. Meandros: Este rasgo característico frecuente de todos los cursos fluviales, se encuentra generalmente en ríos de baja pendiente, pero en algunos ríos rápidos también se ha conservado este fenómeno. Sin embargo es raro que un río describa meandros durante un largo recorrido. Los meandros se forman debido a la erosión del centro del canal cuando este comienza a serpentear de un lado a otro. Se pueden distinguir dos tipos de meandros.

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•

Meandro de valle. Llamado también meandro encajado. Se presenta cuando las curvas descritas por el valle coinciden en tamaño con los dibujados por los meandros.

•

Meandro de llanura aluvial. Cuando las sinuosidades del río son independientes o a menor escala que las del trazado en el valle.

Depósitos Lacustres: Son los que se han formado por sedimentos en lagos y lagunas existentes o desaparecidas. Este tipo de formación da origen a masas de suelo bien estratificadas y con homogeneidad en sus tamaños de partículas, generalmente muy finas; la masa tiende a ser poco densa y en consecuencia muy inestable. Terrazas Aluviales: Ofrece una superficie llana, limitada en un reborde abrupto. La cumbre plana a menudo es una superficie terminal de colmatación. Puede presentarse como el resto de un nivel de erosión tallado en la roca “in situ” y recubierto tan solo por algunos aluviones. Algunas veces pueden Figura 1.5. Terraza aluvial faltar estos aluviones, entonces se está en presencia de un nivel o de una terraza rocosa. La disposición de las capas aluviales que constituyen la terraza varia según la historia morfológica del valle. Deltas: Se forman cuando la acumulación de los sedimentos aportados por el río supera la erosión. Numerosos deltas se encuentran en mares sin mareas o de marca débil, la ausencia y debilidad de la marca son condiciones favorables. Para ciertas corrientes de agua muy cargadas, la marca aun de gran amplitud no llega a destruir los aluviones aportados. Un delta puede no estar sumergido, existen deltas submarinos que en mayor incremento en la acumulación pueden transformarse en verdaderos deltas. En un delta hay una formación de canales o distributarios para que el río vaya mar adentro. El delta es una forma muy móvil, ya que cada brazo fluvial se levanta por la deposición de aluviales.

Figura 1.6. Deltas

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Cono Aluvial: Donde la corrientes descienden de las tierras altas, existe a veces un notable cambio de gradiente, al emerger la corriente en los niveles más bajos. Aparece entonces un deposito de sedimentación, dando nacimientos a los conos aluviales. Estos difieren del deposito de delta en su localización y en el carácter de sus restos. Los materiales de un cono suelen ser de grava y piedra Figura 1.7 más o menos porosa y en general bien drenadas. Los restos de los conos aluviales son hallados en extensos arcos de regiones áridas y semiáridas. Vía Capitanejo el Espino. Se forman cuando el torrente llega al valle principal donde termina su curso, ocurren en los frentes de una montaña y algunas veces coinciden con cuencas secas. El valle principal es por lo general de pendiente transversal débil. También la pendiente del torrente ha disminuido bruscamente y la velocidad del agua se ha reducido. Las pendientes de los conos sobrepasan por lo general el 5% y son particularmente temidas. Los abanicos se encuentran en áreas áridas en donde fluyen arroyos montañosos a amplios valles o hacia la llanura en la desembocadura del arroyo. Depósitos Marinos: Muchos de los sedimentos acarreados por la acción de las corrientes son depositados eventualmente en los océanos, mares y golfos; los fragmentos más toscos cerca del litoral y las más finas partículas a distancia. Los depósitos marinos han sido trasladados y meteorizados por varios agentes. Primero meteorización y erosión para arrojarlos en suspensión dentro de las corrientes, donde se han transportado. Mas tarde el sedimento se sumerge en el océano para ser depositado y estratificado posiblemente después de haber sido presionado y erosionado por las olas durante años. Los últimos efectos son de gran importancia, ya que determinan la topografía y en gran parte la naturaleza química y física del material original.

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1.7.2.2 Formados por Acción de la Gravedad Cuando los materiales asumen ángulos mayores a los de estabilidad, se producen movimientos de diferentes tipos de materiales que forman diversos depósitos.

Escombros de Falda (Aluvión): Son depósitos de roca o suelo formado en la base de acantilados, cuando la meteorización de la roca hace que la cara de aquellos se suelte, produciendo un montón de fragmentos.

Figura 1.8 Aluvión

1.7.2.3 Formados por la Acción del Viento En muchos sectores el viento arranca y transporta materiales en forma no continua, dando origen a diversos depósitos.

Figura 1.9 Dunas

Dunas: Son grandes acumulaciones de arena con movimiento propio. Son depósitos de arena formados por el viento; al hacer rodar las partículas de arena demasiado grandes para transporte aéreo, arrastrándolas sobre el terreno hasta que encuentren una obstrucción formando la duna. Vientos posteriores pueden remover la duna y formar una nueva. Hay varios tipos de Dunas: Barjan. transversales, longitudinales y en estrella parabólica.

Loess: Es un depósito amarillo y homogéneo en principio no estratificado ni consolidado, pero suficientemente coherente para formar taludes casi verticales. Relativamente homométrico con granos de orden de 50 a 100µ. Los loess se distribuyen sobre una amplia banda zonal. Durante mucho tiempo se ha creído que procedían del desierto y que se formaron durante el periodo interglaciar. Actualmente se ha podido comprobar que proceden de la erosión de suelos, locales sin vegetación, formados durante los periodos fríos. El viento desempeña un papel predominante en su transporte. Este proceso es el origen de la desertificación.

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1.7.2.4 Formados por la Acción de Glaciales Esker: Acumulaciones de sedimentos que dan geoformas parecidas a los meandros, son cerros alargados formados por sedimentos de materiales suspendidos en agua que han fluido en túneles de hielo. Drumlis: Son montículos asociados a escombros glaciales que varían desde 10 m a 70 m de alto y entre 200 m y 800 m. de longitud. Se puede distinguir el drumli en un afloramiento de roca erosionada, porque la piedra y grava interior están rodeadas por abrasión glacial. Morrenas: Depósitos de suelo empujados que forman cordones o cerros de alrededor de la periferia del glacial; se dividen en morrenas terminales y laterales. Bloque Herrático: Grandes clastos levantados por los glaciales, transportados a una nueva ubicación. Kletlers: Son depresiones en el deposito creadas por la fusión de protuberancias de hielo subyacentes, también conocidas como (marmitas) que son formas complementarias de los Kames. Lago de Sedimentación: Se dan posteriores a la zona marginal del glacial, son lagos pero cubiertos con sedimentos.11

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Vídeo No. 9

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Figura 1.10 Valle glaciar

Depósitos Glaciares 1. Lóbulo de casquete glaciar 2. Morrena frontal 3. Hielo estancado 4. Túnel en el hielo 5. Grietas 6. Canal de desagüe 7. Lago pre-glacial 8. Morrena frontal 9. Bloque de hielo estancado 10. Deslaves

11. Morrena de fondo 12. Tillitas 13. Drumlins 14. Esker 15. Kames 16. Grietas 17. Morrena de fondo 18. Llanura de lago glacial 19. Pozos de hielo 20. Llanura de deslave

Figura 1.11 Valle Post-glaciar

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1.8 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DEPÓSITOS Tomando como base el posible perfil que podemos encontrar en una excavación, hacemos una descripción de lo mas superficial hacia abajo. Capa Orgánica: Tiene una alta compresibilidad, baja permeabilidad, poco drenaje y baja resistencia. Arcillas: Tiene compresibilidad moderada, es un material impermeable, tiene una expansibilidad de baja a alta (la mas expansiva es la Montmorillonita), resistencia moderada y es utilizada como material de construcción o también de cementación. Limos: Tiene una degradación menor que la arcilla, menos expansiva y una resistencia similar. Arenas: La resistencia depende de la densidad, es altamente permeable, con expansividad baja o casi nula, se emplea en filtros, drenes y concretos. Roca: En estado sano presenta alta resistencia, de compresibilidad muy baja, con permeabilidad primaria baja y de gran uso en las obras de ingeniería. 1.9 COMPONENTES DE LOS SUELOS Los suelos están compuestos principalmente por minerales. Un mineral es una sustancia inorgánica y natural, que tiene una estructura interna característica, determinada por un cierto arreglo especifico de sus átomos e iones. Su composición físico-química y sus propiedades físicas, o son fijas o varían dentro de límites definidos. Sus propiedades físicas más interesantes desde el punto de vista de identificación son: color, lustre, tonalidad de sus raspaduras, raya, forma de cristalización, dureza, forma de su fractura, disposición de sus planos, tenacidad, capacidad para permitir el paso de ondas radiales o luz y la densidad relativa. 1.9.1 Propiedades Físicas de los Minerales Forma Cristalina: Cuando un mineral crece sin interferencia, desarrolla una forma cristalina, característica producida por su estructura cristalina. Peso unitario: Cada mineral tiene un peso definido por centímetro cúbico; este peso característico se describe generalmente comparando con el peso unitario del agua. El peso unitario de un mineral aumenta con el numero de masa de los

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elementos que lo constituyen y con la proximidad o apretamiento con que estén arreglados en la estructura cristalina. Color: No es propiedad segura para la identificación de la mayoría de los minerales, pero es empleada en ciertas distinciones de carácter general. Huella o Raspadura: Es el color de una línea de polvo mineral formada cuando la superficie se raya con un objeto duro. Estriaciones: Propiedad de algunos minerales que presentan líneas paralelas, como fibras o bandas angostas, llamadas estriaciones. que atraviesan sus superficies. Lustre: Es la apariencia de una superficie recién quebrada vista en luz reflejada por ella (brillante, grasosa, lustrosa, metálica, opaca, etc.). Gravedad Especifica: Relación del peso del material con el peso de un volumen de agua igual al volumen del material. Clivaje: Ruptura a lo largo de superficies planas, tersas o definidas. Los planos de clivaje son consecuencia del arreglo interno de los átomos y representan las direcciones en que las ligaduras atómicas son relativamente débiles. El mineral tiende a romperse a lo largo de planos paralelos a esta dirección. Fractura: Ruptura a lo largo de líneas de fractura. Forma de romper el material. Dureza: Propiedad física gobernada por el arreglo atómico interno de los elementos de los minerales. La dureza es la medida de la resistencia que la superficie tersa de un mineral ofrece al ser rayada. La escala de dureza de MOHS se utiliza como base de evaluación de la dureza de los minerales, tal como se indica en orden creciente de dureza: Talco (El más blando, dureza 1). Yeso Calcita Fluorita Apatita Feldespato Cuarzo Topacio Corindón Diamante (El mas duro, dureza 10). Cualquier mineral de la escala de dureza rayará los minerales situados por debajo de sí.

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Según la composición encontramos diferentes tipos de suelo.12 1.9.2 Suelos Granulares Son los suelos y rocas formados por partículas gruesas. Los minerales predominantes en estos suelos son los siguientes: •

Silicatos

Mas del noventa por ciento (90%) de los minerales que forman las rocas son silicatos y corresponde a un compuesto de silicio y oxigeno mas otros metales. Cada uno de los silicatos minerales tiene como compuesto básico un ion complejo llamado tetraedro de Silicio-oxígeno. Este es uno de los primeros compuestos que se formo al enfriarse la tierra. 1 ion de Silicio 4 iones de Oxígeno

Radio 0.42Å 1.32Å

Carga +4 -8

Ion -4

(SiO4)

La unidad básica de la estructura de silicato es el tetraedro de silicio- oxígeno, Algunos silicatos están formados de tetraedros individuales que alternan con iones metálicos positivos. En otros los tetraedros se unen en cadenas, placas o estructuras tridimensionales.

Figura 1.12. Unidad de silicato

Lamina de tetraedros. Cada tetraedro esta rodeado por otros tres y cada ion de silicio tiene para si uno de cuatro iones de oxigeno, en tanto que comparte otros 13 tres con sus inmediatos. (Ver figura 1.13 ) 12

Vídeo No. 10 “Minerales”

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Dentro de los Silicatos se tiene: * Feldespatos (De potasio, sodio y calcio).Minerales de campo, partícula tridimensional * Micas. * Olivino: (MgFe)2SiO4. Ligados iones de hierro y magnesio. * Serpentina

Figura 1.13. Tetraedro de silico y oxigeno

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Tomado del libro Geología física de Kudson

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* Hornblenda. Cadenas dobles de tetraedros. * Biotita. Es una mica de tetraedros en placas. * Cuarzo: llamado silice, es el único silicato mineral

a)

b) c)

Figura 1.14. a) Cadena doble de tetraedros b) Cadena múltiple de tetraedros c) Cadena individual de tetraedros

Figura 1.15

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Existen silicatos14 de estructura tricapa laminar con diversas representaciones. •

Óxidos

Los óxidos minerales están formados por la unión directa de un elemento con el oxígeno. Presentan estructuras más simples que los silicatos. Sus principales exponentes son: * Hematita * Limolita. * Magnetita (Fe3O4). * Corindón (Al2O3). •

Carbonatos

Estos están compuestos por un ion de carbono y tres de oxígeno dispuestos a su alrededor (El ion complejo (CO2)2- ). Estos minerales son el componente principal de la roca sedimentaria común, llamada caliza. Entre ellos se encuentra : * Calcita CaCo3. * Dolomita. * Magnesita •

Sulfatos

2Los sulfatos se forman por la unión directa de un elemento con un ion de (SO4) , un ion de azufre con cuatro de oxigeno.

Sus principales representantes son : * Anhidrita CaSO4. * Yeso. En estos suelos el comportamiento mecánico e hidráulico, esta principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus partículas. La composición mineralógica, juega un papel importante en la resistencia del suelo. Para suelos granulares los minerales más predominantes son los silicatos (aproximadamente en un 90%), feldespatos y óxidos. 14

Gráficos tomados del libro Geología física de Hudson

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Isomorfismo: Es la sustitución química de un elemento por otro sin cambiar su forma. Algunos materiales utilizados comúnmente como agregados son las calizas y derivados del cuarzo (areniscas cuarzosas). Para estos suelos las fuerzas de gravedad tienen mayor influencia en su comportamiento que para otros tipos de suelos. 1.9.3 Suelos Finos (Arcillas y Limos) Los minerales que los componen provienen de la degradación de las rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. La investigación de las propiedades mineralógicas de estos sedimentos, comenzó en épocas recientes (1930) y presenta gran importancia en ingeniería, pues, a diferencia de lo señalado para los suelos gruesos, el comportamiento mecánico de las arcillas se ve decisivamente influido por su estructura en general y constitución mineralógica en particular. Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados, presentando además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales también hidratados. Estos minerales tienen, casi siempre, una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de tales láminas: la sílica y la aluminica. La primera esta formada por un átomo de silicio, rodeada de cuatro oxígenos, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. (Ver figura Pág. 23). Estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros. Las unidades hexagonales repitiéndose indefinidamente, constituyen una retícula laminar, como se observa en la figura de la unidad de Silica. Las láminas alumínicas están formadas por retículas de octaedros dispuestos con un átomo de aluminio al centro y seis de oxigeno alrededor. También es el oxígeno el nexo entre cada dos octaedros vecinos, para construir la retícula. Para algunas clasificaciones las arcillas son en orden de tamaño menores a dos micras. Los minerales que componen la arcilla están constituidos por tetraedros de oxígeno y Silicio enlazados en laminas de cuatro. De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan en tres grandes grupos: • Caolinita (Al2O3SiO2 H2O): Están conformadas por una lámina Sílica y otra alumínica, que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las

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partículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas. En consecuencia las arcillas caolinitas serán relativamente estables en presencia de agua. El termino Caolinita se deriva del chino “Kao-Limg” cerro alto, que corresponde al nombre de la montaña desde donde se embarco por primera vez este material a Europa para usos cerámicos. • Illita.((OH)4Ky(Si8-yAly)(Al4Fe4 Mg4 Mg6 )O)20.: Tomando “y” un valor por lo general, igual a 1,5. Están estructuradas análogamente con la montmorillonita, pero con su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su expansibilidad es menor que la de la montmorillonita y en general las arcillas illiticas se comportan en Figura 1.16. Representación simbólica forma más favorable para el ingeniero. Las estructuras son formadas por capas o laminas. El nombre de Illita fue dado a las arcilla encontrada en el estado de Illinois. Montmorillonita ((OH)4Si8Al4O20 nH2O): Están formadas por una lámina alumínica entre dos sílicas, superponiéndose indefinidamente. En este caso la unión entre las retículas del mineral es débil, b) por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la naturaleza dipolar. Lo anterior produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce, macrofisicamente, en una expansión. Las arcillas Montmorilloniticas, especialmente en presencia de agua, presentaran alta tendencia a la inestabilidad. Este mineral fue descrito por primera vez en Montmorillon (Francia).

Figura 1.17 a) Representación estructural tridimensional

b) Representación simbólica

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• Bentonita: Son arcillas del grupo montmorillonítico, originadas por la descomposición química de las cenizas volcánicas y presentan la expasibilidad típica del grupo en forma particularmente aguda, lo que las hace sumamente criticas en su comportamiento mecánico. Estas arcillas se presentan con frecuencia en los trabajos de campo. En algunas ocasiones, ayudan al ingeniero en la resolución de ciertos problemas prácticos. No se sabe exactamente que factores determinan la clase de arcilla que se forma cuando se intemperiza la roca basal; pero se tiene relación que el tipo de las arcillas son suelos Figura 1.18 Representación estructual tridimensional residuales y para determinar su composición mineralógica, se observan las rocas que están subyaciendo el suelo arcilloso, el clima, la historia de la roca, el relieve, la vegetación, etc.

Figura 1.19. Representación simbólica

Los limos son una transmisión entre las arenas y las arcillas, son de estructuras tridimensionales, sus granos pueden ser detectados por la visión. Este tipo de suelos tiene características de transición de gruesos a finos y las propiedades mecánicas son heredadas de material fino y grueso que componen el limo

1.10 ESTRUCTURA DE LAS PARTÍCULAS MINERALES Son las disposiciones que adoptan las partículas minerales para dar lugar al conjunto llamado suelo. La forma de las partículas minerales de un suelo es de importancia en el comportamiento mecánico de éste. En los suelos gruesos la forma característica es la equidimensional, en la cual las tres dimensiones de la partícula son de magnitud comparable. Se presentan formas redondas por el efecto del rodado y la

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abrasión mecánica; son frecuentes en arenas de río y en algunas formaciones de playa y formas angulosas que presentan aristas y vértices aguzados; son típicas de arenas residuales y arenas volcánicas. Tradicionalmente se han considerado las estructuras simple, panaloide y floculenta como básicas en los suelos reales, como también la dispersa, compuesta y en castillo. Estructura simple: Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas; es por lo tanto, típica de suelos de grano grueso. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo. Desde el punto de vista ingenieríl, el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos características: La compacidad (grado de acomodo) y la orientación de sus partículas. En un suelo muy compacto las partículas tienen alto grado de acomodo y capacidad de deformación baja; en suelos poco compactos el grado de acomodo es menor; en ellos el volumen de vacíos y, por ende la capacidad de deformación, serán mayores.

Figura 1.20 Disposición o arreglo de partículas gruesas

Los valores de porosidad (n) y relación de vacíos (e) correspondientes a ambos casos son : Estado más compacto: Estado más suelto:

n = 26% n = 47.6%

e = 0.35 e = 0.91

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Estructura Panaloide: Se considera típica en granos de pequeño tamaño que se depositan en un medio continuo, normalmente agua y, en ocasiones aire. En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, pero dada su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden hacerse de magnitud comparable, si la partícula antes de llegar al fondo del depósito, toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de adherencia Figura 1.21 Estructura paneloide desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra partícula puede añadírsele y el conjunto de ellas podrá llegar a formar una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal. Estructura Floculenta: Se presenta cuando en el proceso de sedimentación, dos partículas de diámetros menores de 0,02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas; así, otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo, una estructura similar a un panal. esta mecanismo produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos. Figura 1.22 Estructura Floculenta

Estructuras Compuestas: Estructura que se ha formado en condiciones que permiten la sedimentación de partículas gruesas y finas simultáneamente. Estructuras en “Castillo de Naipes”: Estructura típica de las arcillas ya que las partículas que las componen presentan en sus aristas una concentración de carga positiva que hace que esa zona localizada se atraiga con la superficie de cualquier partícula vecina. Figura 1.23 Estructura típica de las arcillas

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Estructura Dispersa: Estructura en la que actúan presiones osmóticas que tienden a hacer que las partículas se separen y adopten una posición tal como la que se muestra en la figura.

Figura 1.24 Estructura dispersa, típica de las arcillas

1.11 ESTRUCTURA ATÓMICA Todas las propiedades de los minerales están determinadas por la composición y el arreglo atómico interno de sus elementos. Podemos identificar los minerales por sus propiedades químicas pero a menudo acudimos a las físicas como forma cristalina, dureza, etc. Atomo : Fracción más pequeña que conforma la materia (electrones, protones, neutrones) Carga eléctrica : Toda materia es eléctrica. Tabla 1.2 Datos sobre los componentes de un átomo

ELECTRON PROTON NEUTRON

CARGA -1 +1 0

MASA 0,00055 1,00760 1,00890

3 Masa Atómica 1cm con protones.

Ion: Es una forma eléctricamente desequilibrada de un átomo o grupo de átomos. Ion + : Perdió un electrón Ion - : Ganó un electrón.

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1.12 FUERZAS DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE UNA PARTICULA DE SUELO También denominadas cargas eléctricas. La existencia de estas se puede demostrar mezclando suelo con agua e introduciendo electrodos. Solo se han medido cargas negativas. Esta carga puede deberse a los siguientes factores: * Sustitución Isomorfa. (La más importante). * Disociación superficial en la estructura cristalina. * Ausencia de cationes en la estructura cristalina. * Absorción de aniones. * Presencia de materia orgánica. Una teoría con alta aceptación para explicar la estructura interna de las arcillas es: “La superficie especifica de cada partícula de suelo esta relacionada con lo que 15 esta tiene de carga negativa” . La intensidad depende de la estructura, por esta razón atrae iones positivos de agua Na+, K+, Ca+, Mg+, Al+++, Fe+++. Lo anterior conduce a que toda partícula de arcilla se ve rodeada de una capa de moléculas de agua. Además de la carga eléctrica neta, una partícula de suelo puede poseer una carga de distribución, porque no coincide el centro de carga positiva con el centro de carga negativa. Análogamente, los enlaces cristalinos de una partícula de suelo dan lugar a las cargas locales. 1.12.1 Intercambio Iónico Los cristales de arcilla pueden cambiar los cationes absorbidos en su película superficial. La capacidad de intercambio crece con el grado de acidez de los cristales, se decir es mayor si el PH del suelo es menor; la actividad catiónica se hace notable, en general, para valores de PH menores que 7. La capacidad de intercambio también crece con la velocidad y concentración de la solución que circule por la masa de suelo. Las propiedades mecánicas de una arcilla pueden cambiar al variar los cationes contenidos en sus complejos de absorción, pues a diferentes cationes ligados corresponden distintos espesores de la película absorbida, lo que refleja sobre todo en las propiedades de plasticidad y resistencia de suelo. Por esta razón el intercambio catiónico forzado se ha usado para tratar el suelo con fines de mejorar su comportamiento mecánico. Factores que modifican estas fuerzas: 15

Fuente: tomado de “Mecánica de los suelos” de W. Lambe

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Superficie especifica de minerales arcillosos: Como la magnitud de la carga eléctrica esta en relación directa con el área de la partícula, la influencia de esta carga sobre el comportamiento de la partícula en lo que se refiere a las fuerzas de masa, esta directamente relacionado con el área por unidad de masa. “Superficie especifica”. cantidad de área por unidad de peso. Superficie Especifica = (Área Total) / (Peso) Coloide: Se emplea para describir una partícula cuyo comportamiento esta controlado por fuerzas de tipo superficial.

Tabla 1.3 Datos característicos de la estructura de las arcillas

CAOLINITA ILLITA MONTMORILLONITA LIMO

DIMENSION LAMINAS 1000Å - 2000Å 1000Å - 5000Å 1000Å - 5000Å

ESPESOR 100Å - 1000Å 50Å - 500Å 10Å - 50Å

SUPERFICIE ESPECIFICA 15 m2/gr 90 m2/gr 800 m2/gr 1 m2/gr

Una partícula de suelo, en la naturaleza, atrae iones para neutralizar su carga neta. Estos iones atraídos que se mantiene con un leve enlace sobre la superficie de la partícula y pueden ser fácilmente sustituidos por otros, se denominan “iones de cambio” o iones intercambiables. La partícula con los iones intercambiables es neutra. Para ilustrar la carga neta de una partícula de suelo, se va a considerar un cristal de montmolillonita. La carga neta negativa, de 1/3 de carga unitaria, esta equilibrada por un átomo de sodio16, (Al1.67 Mg0.33Na0.33)Si4O10(OH)2. Peso molecular:

Al: Mg: Na: Si: O: H:

1.67 * 26.97 0.33 * 24.32 0.33 * 23.0 4 * 28.06 12 * 16.00 2 * 1.00 Total

= = = = = =

45.0 8.0 7.6 112.4 192.0 2.0 --------367.0 gr (Peso molecular)

Carga a intercambiar por molécula = 1/3 de equivalente electroquímico 16

Ejemplo tomado de William Lambe

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Carga a intercambi ar Peso molecular

Capacidad de cambio iónico =

0.333 = 0.00091equivalentes gr 367 gr = 91 miliequivalentes 100 gr

=

También es posible calcular la superficie específica para este tipo de suelo. Para esto se toman las siguientes dimensiones teóricas: Dos caras de 8.9 Å x 5.2 Å (superior e inferior), y un espesor medio de 5 Å Area de la unidad estructural = 92.6 Å2 Volumen unidad = 92.6 Å2 x 5 Å = 463 Å3 Peso de la unidad = ∀ × γ = 463Å 3 × 2.76 gr cm 3 = 1278 × 10−24 gr Å = 10-8 cm ⇒ Å3 = 10-24 cm3 2 92.6Å 2 × 10−20 m Å 2 2 = 725 m gr Superficie Especifica = - 24 1278 × 10 gr

1.13 FUERZAS DE REPULSIÓN Y ATRACCIÓN Como la carga negativa es equilibrada por la doble capa, dos partículas se repelen. Esta fuerza de repulsión esta determinada por el espesor de la capa doble.

Figura 1.25

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Figura 1.26

Acción Conjunta de las Fuerzas: En una suspensión de arcilla, las partículas coloidales se encuentran sometidas a la gravedad tendiendo ir hacia el fondo. 1.14 FORMA DE LOS GRANOS La esfericidad o forma de un grano, es su grado de aproximación a la forma esférica, mientras que su redondez es la angulosidad de sus bordes y esquinas. De acuerdo con la forma, los granos pueden ser agrupados cualitativamente como esferoidal o equidimensional, discoide o laminado, en forma de varilla o prismático y en forma de paleta de acuerdo con su grado de redondez, pueden ser angulosos, subangulosos, subredondeados y redondeados. Estas dos propiedades, aunque frecuentemente confundidas, son geométricas distintas y no son afines fundamentalmente. Las partículas de la misma forma pueden tener grados variables de redondez y aquellas de redondez similar tienen varias formas. Los cristales de granate dodecaédricos, por ejemplo, son muy angulosos o han sido redondeados por la abrasión y su prisma de hornblenda, originalmente

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euhedral y anguloso, puede ser redondeado sin perder su forma prismática general.

Figura 1.27

Las determinaciones precisas de esfericidad y redondez, que implica las tres dimensiones de una partícula, son tediosas y normalmente no se hacen en los análisis sedimentarios rutinarios. Generalmente, la forma y redondez de los granos son estimados por la comparación visual con una serie de tipos, cuyos contornos son observados en dos dimensiones. Las mismas secciones delgadas ofrecen esta clase de evaluación cualitativa, aunque la redondez la representan mejor que la esfericidad y como la lámina es cortada a lo largo de cualquier plano, en cada grano se manifiestan dos diámetros cualesquiera, que por lo común no representa adecuadamente su forma o esfericidad, pero que sí dan buena idea de su grado de redondez. 1.15 COMPORTAMIENTO DE UNA PARTÍCULA EN PRESENCIA DE AGUA Uno de los comportamientos de mayor interés para el ingeniero es el del compuesto agua-suelo; como las partículas de arcilla suelen presentar una carga negativa que es neutralizada por los cationes de cambio, atrae las moléculas de

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agua como componente de una nueva estructura del mineral que incorpora agua como parte formativa del suelo mismo. Además alrededor de cada partícula se forma una capa doble difusa como se muestra en la figura y que tiene incidencia en el comportamiento ingenieril del material.

Figura 1.28

El agua debido a su composición, funciona como un dipolo, atrae cargas negativas y positivas, en el esquema se puede observar la estructura química, esto hace que pueda establecer unión con los diferentes tipos de suelo. 1.16 IDENTIFICACION DE SUELOS Una de las partes esenciales en la utilización de un material como elemento de construcción o como parte de una estructura es la identificación del mismo para lograr establecer su comportamiento. Existen diversas formas para realizar la identificación, pero a continuación solo se expone una que se puede utilizar sin la ayuda de un laboratorio.

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CARACTERISTICAS DE LAS PARTICULAS DE SUELO SILICATOS DE ESTRUCTURA LAMINAR

Mineral

Sustitución Isomorfa Tipo y Porcentaje

Serpentina

Ninguna

Caolinita

Al por Si 1 de 400

Enlace de H + Valencia Secundaria

Halosita (4H2O)

Al por Si 1 de 100

Haloisita (2H2O)

Al por Si 1 de 100

Talco

Ninguna

Pirofilita

Ninguna

Enlace entre Capas (Tipo y Resistencia) Enlace de H + Valencia Secundaria

Superficie Específica 2 (m /gr)

Densidad de Carga 2 (Å /ión)

Capacidad de Cambio Potencial (me/100gr)

Capacidad de Cambio Real (me/100gr)

1

1

Forma de las Partículas Aplanada o Fibrosa Aplanada

10 - 20

83

3

3

Valencia Secundaria

40

55

12

12

Cilíndrica Hueca

Valencia Secundaria

40

55

12

12

Cilíndrica Hueca

1

1

Aplanada

1

1

Aplanada

Valencia Secundaria Valencia Secundaria

Tamaño de las Partículas

d=1.3 a 3µ espesor e=1/3 a 1/10d D.E. = 0.07µ D.I. = 0.04µ L = 0.5µ D.E. = 0.07µ D.I. = 0.04µ L = 0.5 µ

Mineral

Moscovita Vermiculita

Sustitución Isomorfa Tipo y Porcentaje

Enlace entre Capas (Tipo y Resistencia) Valencia Al por Si Secundaria 1 de 4 +enlace de K Al, Fe por Valencia Mg. Al por Si Secundaria +enlace de Mg

Illita

Montmorillonita

Al por Si 1 de 7 Mg, Fe por Al Fe, Al por Mg

Mg por Al 1 de 6

Nontronita

Al por Si 1 de 6

Clorita

Al por Si, Fe, Al por Mg

Valencia Secundaria +enlace de K Valencia Secundaria +enlace ión de cambio Valencia Secundaria +enlace ión de cambio Valencia Secundaria +enlace de Brucita

Superficie Específica 2 (m /gr)

5 - 400

Densidad de Carga 2 (Å /ión)

45

Capacidad de Cambio Potencial (me/100gr)

Capacidad de Cambio Real (me/100gr)

Forma de las Partículas

250

5 - 20

Aplanada

150

150

Aplanada

Tamaño de las Partículas

e = 1/10d a 1/30 d d = 0.1 a 0.2µ e = 1/10 d

80 - 100

67

150

25

Aplanada

800

133

100

100

Aplanada

d = 0.1 a 1µ e = 1/100 d

800

133

100

100

Prismática

l = 0.4 a 0.2µ e = 1/100 l

5 - 50

700

20

20

Aplanada

TABLAS PARA LA IDENTIFICACION DE TIPOS DE MATERIALES

PRINCIPALES TIPOS DE MINERALES GRUPO

MINERALES

Arena muy Fina

Cuarzo

TAMAÑO PROMEDIO > 1µ

Mica

Muscovita, Biotita

> 1µ

Carbonato Sulfato

Variable > 1µ

Caolín Illita

Calcita, Dolomita Yeso Aluminosilicatos, amorfos, atapulgita, alúmina y sílica hidratadas Caolinita y Haloysita Illita y micas parcialmente

Montmorillonita

Montmorillonita y Bentonita

< = 0.01µ

Clorita

Clorita, Vermiculita Presencia de Acido Húmico y Humatos

= 0.1 µ

Alofano

Materia Orgánica

CARACTERISTICAS FISICAS PRINCIPALES Abrasiva sin cohesión Sin cohesión, se intemperiza fácilmente compactable Se pulveriza fácilmente Ataca al cemento

Variable =1µ = 0.1 µ

Variable

No expansivo, baja plasticidad y cohesión Expansiva, plasticidad media, permeabilidad Altamente expansiva, muy plástica, permeabilidad extremadamente baja Expansión baja, resistencia al cortante baja Alta permeabilidad, difícilmente compactable, se puede degradar rápidamente por oxidación

INTERFERENCIAS DE LA OBSERVACION VISUAL

OBSERVACION Aguas turbias de coloraciones amarillo-café a rojo-café Aguas claras Aguas claras con tonos Azules Zanjas de erosión o tubificaciones en el suelo natural Ligeras erosiones o tubificaciones en el suelo natural Desprendimientos de suelos Microrelieves superficiales Formaciones rocosas graníticas Formaciones rocosas basálticas, topografía con drenaje pobre Formaciones rocosas basálticas, topografía con buen drenaje Formaciones rocosas de areniscas Formaciones rocosas de lutitas y pizarras Formaciones rocosas calizas Formaciones recientes de piroclásticos

COMPONENTE ARCILLOSO DOMINANTE Montmorillonitas, Illitas y salinidad de suelos Calcio, magnesio o suelo rico en hierro, suelos altamente ácidos, arenas Caolines no salinos Arcillas salinas, usualmente montmorillonitas Caolinitas Caolinitas y cloritas Montmorillonitas Caolinitas, micas Montmorillonitas Caolinitas Caolinitas Montmorillonitas o illitas, usualmente con salinidad de suelos Montmorillonitas alcalinas y cloritas con propiedades muy variables Alófanos

INTERFERENCIA DE LA OBSERVACION DE PERFIL DE SUELO OBSERVACION COMPONENTE ARCILLOSO DOMINANTE Arcillas moteadas o jaspeadas, con coloraciones rojo, Caolinitas naranja y blanco Arcillas moteadas o jaspeadas, con coloraciones amarillo, Montmorillonitas naranja y gris Arcillas gris oscuro y negras Montmorillonitas Arcillas café o café rojizo Illitas con algo de Montmorillonita Arcillas gris claro o blancas Caolinitas y Bauxitas Partívulas pequeñas de refracción (micas) Suelos micáceos Cristales pequeños, fácilmente disgregables Suelos ricos en yeso y zeolitas Nódulos suaves, diseminados, solubles en ácido Carbonatos Nódulos duros, cafe rojizo Hierro, lateritas Agrietamiento intenso, con grietas amplias, profundas y Illitas ricas en calcio y Montmorillonitas con espaciamiento de 5 a 6 cm Igual al anterior pero con espaciamiento en las grietas de Illitas 30 cm o más Suelos disgregables de textura abierta con cantidades Suelos usualmente asociados con carbonatos, alófanos, o apreciables de arcillas caolín, pero nunca montmorillonita y rara vez illita Suelos disgregables de textura abierta con cantidades Suelos orgánicos, turba apreciables de arcillas, de color negro Suelos disgregables de textura abierta con bajos Carbonatos, limos y arenas contenidos de arcilla Suelos que presentan una apariencia rugosa en la Montmorillonitas con salinidad de suelos superficie expuesta al intemperismo Horizontes de suelos blancuzcos, de espesores Arriba del horizonte blancuzco se tienen limos finos, y relativamente pequeños y cerca de la superficie (hasta abajo arcilla dispersa 60cm de la superficie)

Capítulo 2 PROPIEDADES FÍSICAS

Dadas las características bajo las cuales se forman los suelos, se encontrará que estos están constituidos por partículas sólidas, resultado de la meteorización de la roca madre que lo originó, las cuales están unidas de tal forma que han dejado espacios entre ellas permitiendo así el almacenamiento de algunas sustancias tales como agua o gases (principalmente aire, aunque pueden presentarse vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc); las relaciones entre peso y volumen existentes entre estos componentes determinarán las propiedades físicas de los suelos y de las rocas. 2.1. FASES El suelo y los depósitos de roca están conformados por tres fases: fase sólida, fase líquida y fase gaseosa. 2.1.1. Fase Sólida Básicamente está constituida por las partículas minerales que conforman las rocas y los suelos las cuales pueden tener tamaños macroscópicos o microscópicos y se presentan en cantidades variables. 2.1.2. Fase líquida Constituida principalmente por agua, aunque existen otros líquidos que se encuentran llenando los espacios existentes en la estructura de la roca o del suelo (agua intersticial) y en algunas ocasiones su cantidad es tal que los llena completamente originando así los suelos y las rocas saturadas. La capa viscosa del agua absorbida también se incluye dentro de esta fase, pues puede desaparecer al someter el suelo a un proceso de secado.

Propiedades de los Suelos

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2.1.3 Fase Gaseosa La comprenden el aire y los gases que ocupan los poros que no han sido invadidos por los líquidos que componen el suelo.

Aire Agua

Partículas minerales o suelos Figura 2.1 Fases de un suelo (corte microscópico)

2.2. RELACIONES DE FASE Las propiedades físicas de los suelos se definen a través de las relaciones entre los pesos y volúmenes entre las tres fases que lo componen. Para facilitar su análisis se utilizó el siguiente esquema: Va

AIRE

Wa=0

Vw

AGUA

Ww

Vs

SUELO

Ws

Vv

V

W

En él se representan las proporciones en masa y volumen de las fases que constituyen una muestra típica de suelo, donde: V: Vs: Vw: Va : Vv: W:

volumen total de la muestra volumen de sólidos presentes en la muestra volumen de agua volumen de aire volumen de vacíos = Va+Vw peso total de la muestra Geotecnia I

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Ws: Ww: Wa:

peso de sólidos peso del agua peso del aire, generalmente se asume 0 (cero).

Las relaciones entre pesos y volumen de las fases del suelo más utilizadas son las siguientes: 2.2.1. Relación de vacíos (e) También llamada índice de poros , es la relación existente entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos del suelo. Su valor teórico puede variar de cero a infinito, aunque en la práctica no suelen encontrarse valores inferiores a 0.25 (arenas muy compactas con finos) ni mayores de 15 (arcillas totalmente compresibles) Vv e= Vs Un mismo suelo puede tener un emax, emin y un e intermedio dependiendo que tan denso se encuentre. e max: corresponde a l estado más suelto del suelo e min: corresponde al estado denso del suelo. e: relación de vacíos in situ. Esta propiedad física del suelo muestra que nivel de deformación puede presentarse en un depósito de suelo al incrementar los esfuerzos. Esta propiedad tiene relación directa con la compresibilidad. 2.2.2 Porosidad (n) Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total de una muestra de suelo, expresada en porcentaje, teóricamente varía entre cero (0%) y cien (100%) aunque los valores reales suelen oscilar entre 20% y 95% . Vv V La porosidad de un depósito es un índice de la permeabilidad de ese material. e=

2.2.3 Saturación (S) La saturación indica el porcentaje de volumen de vacíos que están llenos de agua. Cuando S = 0 % el suelo es seco, y cuando s = 100% el suelo es saturado. Esta puede variar de 0 a 100% teóricamente.

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Vw × 100 Vv El comportamiento geomecánico de un suelo seco es muy diferente al de un suelo saturado. De igual forma un suelo semisaturado tiene un comportamiento más difícil de moderar. S=

2.2.4. Humedad (w) Expresa la proporción de agua presente en un elemento de suelo, varía teóricamente de cero a infinito, cuando se hace referencia a la humedad que tiene el suelo in situ, se habla de humedad natural wn . w=

Vw × 100 Vv

Este parámetro resulta de gran utilidad para prever comportamientos de cambios volumétricos por adición o disminución del contenido de humedad. Los valores de humedad pueden variar de 0 a 900%, en nuestro país el rango de variación es mucho menor. 2.2.5 Peso Unitario (γ) Puede utilizarse como una alternativa al uso de la densidad, varía de acuerdo al peso molecular de los minerales que conforman el suelo, así por ejemplo el más liviano es el suelo orgánico. De una misma muestra de suelo se puede obtener: peso unitario saturado γs, peso unitario seco γd, peso unitario sumergido y peso unitario de muestras saturadas.

γd =

Ws V

W = γ d +γ w V γ '= γ − γ w

γ =

donde: γ: peso unitario total peso unitario seco γd: γ’: peso unitario sumergido γw: peso unitario del agua.

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Propiedades de los Suelos

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Este parámetro puede variar para el caso de rocas y suelos de 0,9t/m3 para materiales orgánicos y hasta 7 t/m3 para rocas minerales. El peso unitario total incluye el peso de sólidos y el peso del agua que contenga la muestra. El peso unitario sumergido es aquel que tiene el estrato de suelo que esta por debajo del nivel freático y se representa como γ’. 2.2.6. Gravedad Específica (Gs) Es la relación entre el peso de sólidos y el peso de un volumen de agua igual al volumen de sólidos. Es adimensional. Ws Gs = Vs ⋅ γ w Su valor es cercano a 2.6 para la gran mayoría de suelos y rocas. Existen además otras relaciones de menor utilización dada su importancia en la evaluación de estos materiales: Grado de saturación del agua

Va G A = = × 100 Vv

Contenido de aire

Ar =

Descripción Arena uniforme suelta Arena uniforme densa Arena bien gradada suelta Arena bien gradada densa Tilita glacial bien gradada Arcilla glacial blanda Arcilla glacial dura Arcilla ligeramente orgánica blanda Arcilla muy orgánica blanda Arcilla con montmorillonita blanda (bentonita) Turba amorfa Turba fibrosa

Va V Porosidad

n 46 34 40 30 20 55 37 66 75 84 91 94

e

Contenido de humedad S=1 w(%)

0.85 0.51 0.67 0.43 0.25 1.20 0.60 1.90 3.00 5.2 10 15

32 19 25 16 9 45 22 70 110 194 500 1000

Relación de vacíos

Densidad (Mg/m3) T/m3 T/m3

γd

γs

1.44 1.75 1.59 1.86 2.11 1.21 1.69 0.92 0.68 0.44 0.18 0.09

1.89 2.08 1.98 2.16 2.32 1.76 2.06 1.57 1.43 1.28 1.09 1.03

Tabla 2.1 Propiedades típicas de algunos suelos naturales (basada en Terzaghi y Peck 1967)

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Propiedades de los Suelos

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2.3. DIAGRAMAS DE FASE Dependiendo del grado de saturación, se pueden encontrar tres estados del suelo: saturado, semisaturado y seco. 2.3.1. Suelo saturado En este caso solo hay dos fases agua y sólidos, y para lograr hallar todas las relaciones es necesario conocer V, W y una propiedad física e, n, s etc.

1

AGUA

eγw eγw + Gs γw

1+e e

donde e =

SOLIDOS

Gs γw

Vv Vs

En este caso el diagrama puede resultar muy útil representarlo como se indica en el esquema, en función del parámetro conocido, asumiendo Vs = 1 o V = 1. Entonces si tomamos un volumen de sólidos unitario e = Vv, por consiguiente: V = 1+ e. Como Gs =

Ws Vs ⋅ γ w

despejando Ws entonces Ws = Vs ⋅ γ w ⋅ Gs , y como Vs = 1 ⇒ Ws = γ w ⋅ Gs El peso del agua es igual al Vw γw, de acá obtenemos el resto de relación. n=

e 1+ e

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Propiedades de los Suelos

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w=

γ =

e Gs

(e + Gs )γ w 1+ e

γd =

Gsγ w 1+ e

γ t = γ d (1 + w) 2.3.2 Suelo semisaturado En este caso se tienen las tres fases y ya es necesario conocer mínimo tres parámetros para resolver el diagrama de fases.

 w e = Va + γw 

 Gs ⋅ γ w 

 w Va +  γ w   n= (1 + Gs ⋅ γ w ) + w + Va

γw

γ=

1+ w (1 + Gs ⋅ γ ) + w w

s=

γ w + Va

w⋅γ w w

γ w + Va

Si tenemos que peso de sólidos = 1, se tiene: w =

Ww × 100 Ws

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Propiedades de los Suelos

51

Este caso puede tener muchas otras posibilidades de solución, y en cada una se van a obtener expresiones diferentes. 2.3.3 Suelo seco Solo se presentan dos fases, aire y sólidos y la alternativa de solución es mas sencilla que para el caso saturado, pues con V, W y e se puede resolver el diagrama de fases. AGUA

SOLIDOS

Para resolver o hallar todas las relaciones de fase, se presentan dos alternativas: La primera es la de resolver el diagrama hallando los pesos y volúmenes de cada fase y luego hallar las propiedades. La segunda cuando se conocen algunas propiedades; en este caso para darle solución se asume un volumen o un peso como el unitario para que los otros pesos y volúmenes queden en función de la propiedad conocida.

Para la evaluación de las relaciones de fase de un suelo o una roca se puede resolver el diagrama de fases calculando pesos y volúmenes y después hallar cada una de las relaciones. Cuando conocemos algunas relaciones, las demás se pueden hallar resolviendo el diagrama de fases asumiendo un peso o un volumen como la unidad y hallando los demás pesos y volúmenes con las cantidades conocidas; o también utilizando expresiones como las que aparecen en la tabla 2.2.

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52

DATOS

e

e, γd e, Gs

INCÓGNITAS – SUELOS Y ROCAS SATURADOS ω γ n S γd e ⋅γ w e ⋅γ w e 100 (1 + e ) ⋅ γ d (1 + e ) ⋅ γ d 1+ e e (Gs + e) ⋅ γ w e Gs ⋅ γ w 100 Gs 1+ e 1+ e 1+ e e 1+ e

e, γ

100 100

e, n n, γd

n 1+ n

100

n, γ

n 1+ n

100

n, Gs

n 1+ n

100

Gs, γd

Gs

γd

−1

Gs, ω

Gs ⋅ ω

Gs, γ

Gs ⋅ γ w − γ γ −γ w

ω, n

n 1+ n

e, ω

γd +1 Gs ⋅ γ w 100 Gs ω + Gs

n ⋅γ w

γd

100 100

e γ− γw 1+ e

No se pueden hallar

γ

d

+ n ⋅γ

γ − n ⋅γ w

γ −n n (1 + n ) ⋅ Gs Gs − γ d Gs ⋅ γ d

G s ⋅ γ w (1 + n ) + n γ w



γ d 1+ 

γw

γ ⋅ (1 + e ) − e γw

γd

(1 − n ) ⋅ γ w

w

n

γ − n ⋅γ w

(1 + n ) ⋅ γ w

Gs ⋅ γ w (1 − n )

1  +γ w Gs 

Gs (1 + ω ) ⋅ γ w 1 + ω ⋅ Gs

100

γ − Gs ⋅ γ w γ w ⋅ (1 − Gs ) 100

e 1+ e

e γ (1 + e ) − e

Gs γ d ⋅ (1 + e )

Gs ⋅ γ w 1 + ω ⋅ Gs Gs ⋅ (γ w − γ ) 1 − Gs

Gs ⋅ γ w − γ Gs ⋅ (γ − γ w )

n⋅

1+ω

ω

⋅γ w

e 1+ω ⋅ ⋅γ ω 1+ e w

n ⋅γ w

ω

e ⋅γ w ω ⋅ (1 + e )

n ⋅ω 1− n e

ω

Tabla 2.2.a Relaciones entre diversas magnitudes- suelos saturados

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Propiedades de los Suelos

DATOS

INCÓGNITAS – SUELOS Y ROCAS SECOS ω γ n S γd Gs γ d ⋅ (1 + e ) e 0 0 γd γw 1+ e e Gs ⋅ γ w Gs ⋅ γ w 0 0 1+ e 1+ e 1+ e γ ⋅ (1 + e ) e γ 0 0 e +γw 1+ e e 0 0 No se pueden hallar 1+ e

e

e, γd e, Gs e, γ e, n n, γd n, γ n, Gs

53

n 1+ n n 1+ n n 1+ n

0

0

0

0

0

0

γd

γd

(1 − n ) ⋅ γ w γ

γ

(1 − n ) ⋅ γ w

Gs ⋅ γ w (1 − n ) Gs ⋅ γ w (1 − n )

Tabla 2.2.b Relaciones entre diversas magnitudes- suelos secos

2.4 LIMITES DE CONSISTENCIA O DE ATTERBERG En los suelos finos, su comportamiento esta asociados a la cantidad de agua presente en los vacíos del mismo, para tal fin y como valores empíricos se han aceptado ciertos valores frontera donde estos cambian de comportamiento al variar la humedad. Son muy utilizados para caracterizar los conjuntos de partículas de suelos y se basan en el concepto de que un suelo fino dada su humedad puede presentar cuatro estados de consistencia así: Límites Estado

Lc Solido

Lp Semisaturado

LL Plasitco

Viscoso (fluido)

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Aumento del contenido de agua

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54

Los contenidos de humedad y los puntos de transición de uno a otro estado se denominan : Limite de contracción Lc, Limite de plastico Lp y limite de líquido LL . 2.4.1 Limite plástico (Lp): Punto donde el suelo deja de comportarse como un semisólido y pasa a comportarse como material plástico. Expresa el contenido de agua necesario para que el suelo tome este comportamiento. Esto significa que cualquier incremento en el nivel de esfuerzos implica unas deformaciones permanentes. 2.4.2 Limite líquido (LL): Punto en el contenido de agua de un suelo donde este comienza a comportarse como un fluido; expresando como el contenido de agua necesario para que el material adquiera esta característica. 2.4.3 Limite de contracción (Lc): Contenido de agua a partir de la cual no hay cambios volumétricos en el suelo por el cambio en la humedad. En campo las grietas del suelo son indicadores directos del límite de contracción (a grandes grietas Lc altos). Existen también los límites de pegajosidad y de cohesión que han sido utilizados muy poco. 2.4.4.Índice Plástico (Ip): Es el intervalo de contenido de agua entre el límite líquido y el límite plástico , en general a mayores índices de plasticidad mayores problemas de ingeniería asociados con el uso del suelo. Es el rango de humedad en el cual el suelo se comporta en forma plástica. Ip = LL – Lp 2.4.5. Índice de Liquidez (IL): Indica el potencial de consistencia de un suelo natural. wn − L p IL = Ip wn: humedad natural.

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55

Límites Valor Indice Estado

Lp I L1 Líquido viscoso

2.4.6. Índice de consistencia (Ic): Al igual que el índice de liquidez establece unos estados de consistencia. L − wn IC = L Ip wn: humedad natural. 2.4.7. Densidad relativa (Dr): En material granular, no plástico, en ellos se habla de densidades y es esta propiedad la que indica el comportamiento del depósito . puede ser definitiva en función de la relación de vacíos.  γ − γ min  γ max e −e  Dr = max × 100 o Dr =  emax − emin  γ max − γ min  γ Esta puede ser utilizada para hallar el potencial de licuación, resistencia y otros. 2.4.8. Absorción: Es la cantidad de agua que el material puede absorber Vv permeables Absorción = Ws

Vvpermeables: volumen de vacíos permeables, en las rocas es posible tener vacíos permeables e impermeables.

2.5. ENSAYOS DE LABORATORIO Estos se convierten en la herramienta fundamental para determinar las propiedades de suelos y rocas. Existen ensayos de campo y de laboratorio para la determinación de las propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas de los suelos y de las rocas. En este capítulo se inicia por la descripción de los ensayos de laboratorio:

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56

para los ensayos de laboratorio debemos contar con muestras representativas del suelo al cual lo queremos caracterizar. Las muestras pueden ser alteradas o “inalteradas”. Muestras alteradas cuando se toma parte del material sin importar que cambie su forma o volumen, estas se pueden extraer con cualquier herramienta y proteger la muestras para no cambiar las condiciones. Muestras “Inalteradas”: cuando se trata de conservar la forma y volumen y todas las características que el suelo tiene en el terreno. Esta condición es muy difícil de obtener, pero se asume que al sacar la muestra con un tubo de pared muy delgada (Shellby) para no modificar volumen, la muestra es inalterada. 2.5.1. Humedad Natural (wn): Se busca determinar el contenido de agua en la muestra de suelo, esta se puede hallar de muestras remoldeadas o muestras inalteradas. El procedimiento puede ser el siguiente: ☯ Tomar una muestra entre 30 g y 200 g. ☯ Tomar el peso de la muestra húmeda más recipiente, este será el P1. ☯ Someter a secado durante 24 horas a una temperatura cercana a 110º C. ☯ Tomar el peso de la muestra seca más recipiente P2, que se obtiene luego de sacar la muestra del horno. ☯ Tomar el peso del recipiente P3. Como el contenido de humedad w, esta definido como: w=

Vw × 100 Vv

entonces, con los datos obtenidos en el procedimiento descrito, esta se puede evaluar: w=

P1 − P 2 × 100 P 2 − P3

2.5.2. Volumen (V): Para hallar el volumen de la muestra existen diferentes métodos: ☯ Se puede obtener midiendo las dimensiones, cuando es de forma regular.

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57

φ sup

φ med

h

φ= __

h=

∑φ

i

#φ ∑ hi #h

φ inf Figura 2.3 Sólido de forma cilíndrica

☯ Utilizando el principio de Arquímedes se puede calcular el volumen de una muestra por inmersión en agua teniendo en cuenta el volumen desplazado en un recipiente. O se toma el peso en el aire y luego el peso en el agua ( peso sumergido), entonces :

V = Peso en aire - Peso en agua ☯ Si se utiliza este procedimiento, la muestra se debe parafinar para evitar la entrada de agua a los vacíos o saturarla previamente. ☯ En la determinación del peso se debe tener en cuenta el peso de la parafina. ☯ Para el caso de agregados o rocas se debe dejar saturar la muestra, sumergiéndola durante 24 horas en agua, se seca por fuera y entonces se halla volumen saturado y superficialmente seco Vsss. Luego se halla el peso en el aire y peso sumergido.

V = Vs + Vvacios impermeables + Vvacios permeables Este procedimiento se utiliza para determinar otras propiedades de este tipo de materiales.

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58

2.5.3. Peso total El peso de una muestra de suelo se obtiene a partir de la lectura directa en una balanza. Se puede tener el peso del material saturado, que incluye el peso de sólidos y de toda el agua contenida en los vacíos, o el peso seco, que corresponde al peso de sólidos.

2.5.4. Granulometría La granulometría se utiliza para evaluar o conocer la distribución por tamaño de los granos que están conformando el suelo. Se representa gráficamente por medio de una curva granulométrica que muestra la relación de pesos y tamaños en una muestra representativa del material a ensayar. Para determinar el tamaño de las partículas que conforman un suelo, se hace uso de una serie de tamices de forma circular, que traen diferentes aberturas y se colocan unos sobre otro, quedando el de mayor abertura en la parte superior donde se va depositando el material. Por vibración de toda la serie de tamices se hace que el suelo atraviese los tamices de mayor abertura y quede retenido en el tamiz de menor abertura del tamaño del grano del suelo. Los tamices están numerados y para suelos gruesos (gravas), se utilizan tamices de 3”, 2½”, 2”, 1½”, 1”, ¾”. Para suelos finos (limos, arcillas y arenas), tamices número 4, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 140, 200. En la siguiente tabla se presenta la abertura para cada tamiz, para diferentes estándares utilizados en varios países:

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E.U.

59

Gran Bretaña

Tamaño Abertura o No. mm

No.

Abertura mm

Francia No.

Abertura µm

Alemania  No.

Abertura mm

4” 3”

101.6 76.1

2½“ 2” 1¾“ 1½”

64.4 50.8 45.3 38.1

1¼” 1” ¾”

32. 25.4 19.0

5/8”

16.0 12.7

18.0 16.0 12.5

5/16” ¼” No.

9.51 8.00 6.35

10.0 8.0 6.3

No. 4** 5 6 7 8 10 12

4.76 4.00 3.36 2.83 2.38 2.00 1.68

5** 6 7 8 10

3.353 2.812 2.411 2.057 1.676

14 16 18 20

1.41 1.19 1.00 0.841

12 14 16 18

25 30 35

0.707 0.595 0.500

22 25 30

½” 3/8”

25.0 20.0

38** 37

5.000 4.000

5.0 4.0

36 35 34 33

3.150 2.500 2.000 1.600

3.15 2.5 2.0 1.6

1.405 1.204 1.003 .853

32

1.250

31

1.000

1.25 1.25 1.0

.699 .599 .500

30 29 28

.800 .630 .500

800 630 500

.800 .630 .500

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60

E.U.

Gran Bretaña

Tamaño Abertura o No. mm 40 45 50 400

0.420 0.354 0297 0.037

Alemania 

Francia

No.

Abertura mm

No.

Abertura mm

No.

Abertura mm

36 44 52

.422 .353 .295

27 26

.400 .315

400 315

.400 .315

40

.040

Tabla 2.3. Tamaño y abertura de tamices en diferentes países.

ASTM E-11-70 (Parte 41). Instituto Británico de Normas, Londres BS-410 Especificaciones Estándares Francesas, AFNOR X-11-501. 

Especificaciones Estándares Alemanas, DIN 4188.

**

Para el ensayo estándar de compactación.



Para los límites de Atterberg.

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO PARA HALLAR LA GRANULOMETRÍA DE UNA MUESTRA DE SUELO ☯ Seleccione una muestra representativa usando cuarteos, para muestras con tamaños menores de 4,75 mm, 500 gr puede ser suficiente, si los tamaños son mayores es necesario mayor peso. ☯ Determine el peso total de la muestra, antes de inicial el tamizado, este valor es A. ☯ Coloque la muestra sobre el tamiz superior e inicie el tamizado. ☯ Determine el peso del material retenido en cada tamiz. ☯ Con el peso total de la muestra A y la sumatoria de pesos retenido en cada tamiz halle ∆pesos = ∑Peso retenido en los tamices - A ≤ 1% de no ser así se corrige el peso retenido con la siguiente expresión :

Corrección = ±

Peso retenido en tamiz i × ∆P ∑ pesos retenidos

Peso retenido corregido = Peso retenido tamiz i ± corrección. Geotecnia I

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61

☯ Hacer un cuadro que contenga la siguiente información

TAMIZ

PESO RETENIDO

PESO RETENIDO CORREGIDO

PORCENTAJE RETENIDO

Porcentaj retenido = ±

PORCENTAJE RETENIDO ACUMULADO

PORCENTAJE QUE PASA

Peso retenido corregido × 100 A

☯ Dibujar la curva granulométrica (% que pasa vs Diámetro de las partículas en mm) teniendo en cuenta que se gráfica en papel semilogarítmico de mínimo tres ciclos Por medio de la curva granulométrica y utilizando el coeficiente de concavidad y de uniformidad se puede conocer si es un material bien gradado y/o un material uniforme y como están distribuidos los tamaños de las partículas dentro de la muestra.

Coeficiente de Uniformidad (Cu) : Determina si un suelo esta conformado por material bien gradado (de todos los tamaños) cuando Cu > 1 y ≈6.8, o si esta conformado por material uniforme (de un sólo tamaño), cuando Cu ≈1. Esta dado por la expresión

Cu =

D60 D10

Donde D es el diámetro equivalente de las partículas por el cual pasa el porcentaje dado por el subíndice El material uniforme es utilizado para drenajes y el material bien gradado para filtros o como material impermeable si tiene muchos finos.

Coeficiente de concavidad o redondeo Cc: Representa que también están distribuidos los tamaños de las partículas dentro de un suelo. Si Cc es ≈1

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62

entonces el suelo es bien distribuido, y alejado de 1 es mal distribuido y esta dado por : Cc =

(D30 )2 D10 × D60

2.5.5. Hidrómetro El hidrómetro es un instrumento utilizado para medir densidades en una suspensión (agua – suelo), este ensayo se utiliza para determinar el tamaño de las partículas y complementar la curva granulométrica para suelos finos. Se basa en la ley de Stokes, que dice que si en un recipiente cualquiera se introduce o arroja material (grueso y fino), la sedimentación se produce a una velocidad proporcional al peso de las partículas

V = f(W) La ley es válida para partículas de diámetro D en el siguiente rango: 0.0002 < D < 0.2 mm

2 γ s −γ w  D    Velocidad de sedimentación: υ = 9 η 2

2

donde : η: Viscosidad cinemática

γs:

Gravedad específica del elemento

γw:

Gravedad específica del fluido

D:

Diámetro del elemento o partícula.

Si en el ensayo podemos medir la velocidad de sedimentación teniendo en cuenta el tiempo y longitud, es posible determinar el diámetro.

D=

18ηυ γ s −γ w

El hidrómetro tiene la forma indicada en la figura y se utiliza para medir la gravedad específica de la suspensión en diversos intervalos de tiempo. Existen diferentes modelos de hidrómetros y cada unos tiene una constante de calibración. La mayoría de los hidrómetros están calibrados para medir la relación del peso específico relativo del líquido con respecto al agua a 4º C, para esto se debe multiplicar la lectura del hidrómetro por el peso específico del agua.

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63

Figura 2.4. a. Hidrómetro

Para la realización del ensayo: ☯ Se selecciona la muestra de material, del que pasa tamiz #200, de 100 a 200g ☯ Se prepara una solución con un antifloculante para evitar que se formen grumos. ☯ Se vierte el material en la solución, se agita y se mantienen los materiales en suspensión. ☯ Se toma con el hidrómetro medidas al minuto, a los dos (2) minutos ,al minuto 15, 30, 60, 250, 1440.

Figura 2.4. b. Hidrómetro

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64

A la lectura del hidrómetro se deben hacer correcciones por temperatura, debido a los cambios volumétricos del bulbo. Con estas medidas se puede hallar la velocidad con que se sedimentan las partículas y de la fórmula se despeja D. Como v =

L t

L se obtiene por la lectura del hidrómetro: L = Lf - Li (lectura final - lectura inicial) 2.5.6. Gravedad específica (Gs) La gravedad específica de un suelo depende de dos factores los minerales que componen el suelo y el tamaño de las partículas que lo componen , dependiendo del tamaño pueden ser: Guijarros > 3” Gravas de 3” a ¾“ y pueden ser gruesas si pasan tamiz de 3”y quedan retenidos en tamiz ¾“, o finas si pasan tamiz ¾“ y son retenidas en el tamiz No 4 Arenas que pueden ser gruesas si pasan tamiz No 4 y quedan retenidas en tamiz No10 , medias si pasan tamiz No 10 y quedan retenidas en tamiz No 40 y finas si pasan tamiz No 40 y quedan retenidas en tamiz No 200. Finos ( limos , arcillas) Si pasan tamiz No 200 .

PROCEDIMIENTO PARA MEDIR LA GRAVEDAD ESPECÍFICA EN SUELOS FINOS Y ALGUNAS ARENAS FINAS. ☯ Se llena de agua el picnómetro hasta la marca y se pesa W1. ☯ Se selecciona material entre 100 y 120 g. Este es Ws ☯ Se lleva el agua del picnómetro a la licuadora para obtener una mezcla homogénea con el material seleccionado por un tiempo mínimo durante cuatro minutos.

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65

☯ Se llena el picnómetro hasta la marca seleccionada con la mezcla y se pesa W2:

W1 = Peso del picnómetro + agua destilada W2 = Peso del picnómetro + Peso sumergido del suelo Ws + Peso agua destilada W2 – W1 = Ws – Peso del agua destilada desplazada por el suelo.

El peso del agua desplazada por los sólidos Ww = Vsγ w =

Ws Gs

Ws Gs Ws W1 + Ws − W2 = Gs W2 − W1 = Ws −

Gs =

Ws W1 + Ws − W2

☯ Durante el ensayo se toma la temperatura para hacer su curva de calibración del picnómetro con diferentes temperaturas. W

W2

T °C

Figura 2.5 Curva de calibración de un picnómetro

Esto es necesario porque se pueden presentar dilataciones en el picnómetro por cambios de temperatura.

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66

PROCEDIMIENTO PARA SUELOS GRANULARES Y ROCAS Para los suelos granulares o rocas el procedimiento es un poco diferente, teniendo en cuenta que en estos materiales se presentan unos vacíos u oquedades que nunca se saturan porque están llenas con aire. En este caso se hace preciso aclarar definiciones:

V = Vs +Vvimp + Vvper Vsaparente = Vs +Vvimp V:

Volumen total o Bulk.

Vs:

Volumen sólidos.

Vvimp:

Volumen de vacíos impermeables.

Vvper:

Volumen vacíos permeables.

Vsaparente:

Volumen sólidos aparente.

Procedimiento: ☯ Se selecciona una muestra de 200 a 350 g (aunque puede llegar a ser de 500g) ☯ Se satura sumergiéndola en agua durante 24 horas ☯ Se saca del agua y se seca con trapo y se toma el peso, este corresponde al peso del material saturado y superficialmente seco. Para comprobar que el material cumple con los requisitos de secado se mete en un cono como el de la figura 2

1

2"

2

3

1

7

8"

2"

Figura 2.5.a Cono para la comprobación de muestra saturada y superficialmente seca

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67

Si una vez se retira el cono el material conserva la forma sin derrumbarse, se asume que el material esta saturado y superficialmente seco, si no se mantiene se debe secar superficialmente. PARA SUELOS GRANULARES.

V = Vs + Vvimpermeables + Vvpermeables Durante el ensayo se deben tomar los siguientes datos en el laboratorio:

A: Ws Peso de sólidos obtenido luego de 24 horas a 110°C en el horno B: Wsss Peso de sólidos superficialmente secos C: Peso del material sumergido en agua de esto se puede obtener:

B-C = Volumen Bulk = VBulk (Todo cuerpo experimenta una perdida de peso igual al volumen de agua desalojada) B-A = Volumen de vacíos permeables = Vvpermeables (Volumen de agua almacenada en los vacíos permeables) (B-C) - (B-A) = A-C = Vsaparente γw Con estas expresiones podemos hallar las diferentes gravedades específicas:

Gs aparente =

Ws A = Vs aparente A − C

(Gravedad específica aparente)

Gs Bulk =

Ws A = Vs Bulk ⋅ γ w B − C

(Gravedad específica verdadera o Bulk)

Gs Bulk =

Ws A = Vs Bulk ⋅ γ w B − C

(Gravedad específica de material saturado y superficialmente seco).

En el diseño de mezclas es necesario conocer estas gravedades.

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68

2.5.7. Límite plástico En los suelos finos se definieron los límites de Atterberg o Límites de consistencia. El límite plástico, o contenido de humedad para el cual el suelo se comporta en forma plástica puede determinarse así: ☯ Tomar una muestra de 100 a 200g de arcilla que pase tamiz No 40 molida en mortero. ☯ A la muestra se le adiciona agua y se mezcla, para que toda la masa quede con igual humedad. ☯ Se deben hacer cilindros con la masa, mediante amasado. Los cilindros deben tener 1/8 de pulgada o 3 mm aproximadamente de diámetro, con longitudes de 3 a 4 cm. ☯ Si al hacer el cilindro se observa la formación de agrietamientos longitudinales, la humedad que tiene la muestra corresponde al límite plástico. Si no hay agrietamientos se debe disminuir la humedad mediante amasado. ☯ Hallar la humedad de los cilindros que se agrietan, para esto: P1:

Peso recipiente más cilindros.

P2:

Peso recipiente más cilindros secos.

P3:

Peso recipiente.

w=

P1 − P2 × 100 ; P2 − P3

w = Lp.

2.5.8. Límite líquido Cuando un suelo cohesivo se mezcla con agua en exceso, el suelo puede alcanzar el estado líquido; para hallar la humedad a la cual se inicia este comportamiento se puede utilizar este procedimiento: ☯ Tomando una muestra de 100 a 200 g de arcilla que pase tamiz No 40 molida en mortero. ☯ Se mezcla con agua amasando hasta que todo el suelo tenga la misma humedad. ☯ Se lleva esta mezcla a la cazuela de Casagrande, enrazando la parte baja de la cazuela con el suelo humedecido.

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69

Cazuela de Casagrande para la obtención del límite líquido

Muestra PLANTA

PERFIL

Figura 2.6.a Cazuela de Casagrande vista de planta y perfil con la muestra.

☯ Con una espátula o un ranurador se hace una abertura de 2 mm en la base y 11 mm en superficie, como la de la figura.

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70

11mm

8mm

2mm

APENAS HECHA LA RANURA

DESPUES DEL No. DE GOLPES

Figura 2.6.b Sección de la cazuela.

☯ Se gira la manivela y se cuenta el número de golpes necesarios para que las dos mitades se unan ( entre 15 y 40 golpes) cuando el número de golpes está por de bajo de 25 hay mucha agua en la muestra, cuando el número de golpes es mayor de 40 hay poca agua en la muestra. ☯ Se toma muestra para humedad del suelo de la cazuela.

w=

P1 − P2 × 100 P2 − P3

☯ Este proceso se debe repetir por lo menos tres veces teniendo en cuenta que debemos tener puntos por encima y por debajo de 25 golpes y obtener una tabla de datos así: # DE GOLPES

w

N1

w1

N2

w2

N3

w3

Con los datos anteriores hacer una gráfica de w vs No de golpes, en papel semilogarítmico. Se entra con 25 golpes y se halla la humedad, esta corresponde al LL.

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71

Figura 2.7 Obtención gráfica del límite líquido

Este límite líquido de un suelo depende de su contenido mineralógico, existen tablas del valor del límite líquido para diferentes materiales. Arcilla Caolinita Illita Montmorillonita

Límite Líquido LL 25 a 100 55 a 120 100 a 800

2.5.9. Densidad relativa Los suelos granulares de acuerdo a la forma como se acomoden sus partículas pueden tener altas o bajas densidades. ☯ En un recipiente, y desde una altura uniforme (máximo 20 cm), se deja caer arena hasta llenarlo. ☯ Tomar el volumen inicial de la muestra, que corresponde al volumen suelto del material. Como parámetro índice se utiliza la densidad relativa la cual se puede evaluar con ensayos de campo y laboratorio.

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72

Para esta condición se halla la relación de vacíos, emax. Como e =

Vv Vs

Entonces emax =

Vv( suelto) Vs

☯ Luego se hace vibrar el vaso, puede ser en más de un ciclo sin permitir que la arena salga de él, hasta conseguir la mayor reducción de volumen. En este momento se halla emin. Vs es constante. emax =

Vv(denso) Vs

☯ Conocidos emax y emin se puede calcular el valor de la densidad relativa, para cualquier estado intermedio.

Dr =

emax − e × 100 emax − emin

2.6 OTRAS PROPIEDADES FISICAS Además de las propiedades ya mencionadas se han ido utilizando otras que tienen aplicaciones en la identificación para la utilización de estos materiales. 2.6.1 Indice de Calidad de la Roca (RQD) Deere propuso un índice cuantitativo para hablar de la calidad del macizo rocoso y esta basado en la recuperación de núcleos con una longitud determinada, en una perforación de diamantes. Este parámetro es un muy buen indicativo del grado de fracturamiento o del número de diaclasas que se pueden encontrar en el macizo. El RQD se puede expresar en porcentaje de acuerdo a la longitud de los núcleos mayores de 10 cm.

RQD =

∑ Longitudes > 10cm Longitud

total

de

la

perforación

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73

Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico del RQD y la calidad de la roca RQD 25 25 - 50% 50 - 75 75 - 90 90 - 100

COMENTARIOS Muy Mala Mala Regular Buena Muy Buena

El Índice de Calidad de la Roca RQD no puede ser utilizada como único parámetro para clasificar el material rocoso, pues cuando existen diaclasas que se encuentran rellenas con un material de baja resistencia o características expansivas, la estabilidad de los depósitos y o de las construcciones sobre estos va a depender de estos materiales y no de la resistencia intrínseca de la roca. 2.6.2 Dispersión Se define como la capacidad que tiene un suelo o una roca para disolverse en contacto con el agua. Este proceso se puede clasificar como erosión interna, y es función no solo del grado de litificación del deposito sino del gradiente hidráulico y del tipo de agua que fluye por dentro del deposito. Este proceso se presenta más frecuentemente en suelos con una composición química determinada y con gradientes hidráulicos no muy altos. En algunos casos la sola agua de infiltración es el inicio del proceso. Para la identificación de estos materiales los límites de Atterberg o el tamaño de las partículas no proveen una base sólida para diferenciar suelos dispersivos de suelos resistentes al proceso de erosión interna. Para este propósito Sherard, Dunnigan y Decker en 1976 desarrollan el ensayo del Pin Hole el cual ha tenido gran aplicación en la identificación de suelos dispersivos en diferentes obras. Cuando las condiciones geomorfológicas de una zona muestran evidencias de la existencia de este proceso en diferentes zonas se debe desarrollar una serie de ensayos entre los cuales debe estar el Pin Hole. El ensayo del Pin Hole se ejecuta con un dispositivo como el mostrado en la figura, en el cual se trata de hacer pasar agua por un tubo de suelo en estado inalterado buscando que la estructura del mismo no haya sido alterada. Con un

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tanque de almacenamiento a una altura mayor de la muestra se genera un flujo por dentro del suelo por un determinado tiempo. En el ensayo se toma una muestra cilíndrica a la cual se le hace una perforación central de mm de diámetro a todo lo largo del eje de la muestra, por este conducto va a pasar el agua y va a arrastrar material de las paredes. En el ensayo se deben tomar el peso inicial (W i ), el peso final (W f) y con esto se halla el porcentaje de dispersión Na% Porcentaje de Dispersión = Total de sales disueltas De acuerdo a los valores obtenidos se tienen las siguientes recomendaciones generales para el desarrollo de obras en este tipo de materiales: DISPERSION Menor de 20%

COMENTARIO Los problemas que se presentan se pueden controlar con drenages La dispersión puede causar problemas Necesidad de realizar Obras de Mejoramiento del suelo Abandonar sitio de Proyecto

20% a 25% 25% a 50% Mayor de 50%

Existe otra forma de evaluar la dispersión de un deposito de suelo mediante ensayos químicos simples de contenidos de sales disueltas, determinando el total 100

80

Zona A

60

Zona C 40

Zona B 20

0 0.1

0.2

0.5

1.0

5

10

50

100 240

300

Total de sales disueltas Figura 2.8 Diagrama de dispersividad de Sherad

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de sales disueltas y el contenido de sodio disuelto, con estos valores se utiliza la figura 2.8 en la cual el suelo puede corresponder a Tipo A, B, o C.

Zona A Alta erosionabilidad, suelos dispersivos con los cuales no es recomendable construir obras de tierra y se deben esperar problemas serios de estabilidad en los taludes, tanto naturales como artificiales, relacionados con procesos de erosión tanto superficial como interna.

Zona B Suelos no dispersivos, la mayoría de los suelos están ubicados en esta zona.

Zona C Suelos medianamente dispersivos, los cuales pueden presentar problemas moderados de erosión 2.6.3 Susceptibilidad (St) Algunos materiales finos al ser remoldeados o al cambiar la condición de esfuerzos existentes en el sitio experimentan una perdida de resistencia que puede llevar a la falla del material con esfuerzos que estaba soportando antes de ser remoldeados. Este fenómeno fue observado por B. Alvarado en el deslizamiento de la Paz vieja, donde el deposito de arcilla sobre el que se edifico el municipio, por efecto de la sobrecarga acompañada del flujo de agua del alcantarillado inicio un proceso de deformación que llevo a la destrucción de las viviendas del municipio. Este proceso fue identificado y su control ya era muy costoso, la decisión fue trasladar el municipio. El doctor K. Terzaghi, observo este fenómeno y lo llamo susceptibilidad St , la cual se pude cuantificar como la relación que existe entre la resistencia al corte sin drenaje inalterada con la resistencia al corte sin drenaje alterada del material. Sobre que se puede considerar alterado no existe un criterio único, pero para el caso, se considera alterado cuando se modifica el volumen de la muestra en un 15%, a partir de esta deformación el material se puede considerar alterado. Para el caso de determinar la susceptibilidad la muestra alterada se debe preparar después de amasado a una humedad constante. Según los valores de la susceptibilidad Skempton y Northey (1952), clasifican las arcillas como:

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VALOR St = 1 1 St 2 2 St 4 4 St 8 8 St 16 16 St

COMENTARIO No susceptible Baja Susceptibilidad Susceptibilidad Media Susceptibles Muy Susceptibles Rapidas (Quick Clay)

Se han enumerado seis fenómenos que contribuyen al desarrollo de la sensitividad, estos, como Fabrica metaestable, Cementación, Meteorización, Endurecimiento Tixotropico, iones intercambiables, Formación o adicción de agentes dispersivos. 2.6.4 Tixotropia Se define como un proceso isotérmico reversible dependiente del tiempo que ocurre bajo condiciones de composición y volumen constante, mediante un cual un material pierde rigidez. Las propiedades de un material puramente tixotrópico se presentan en la figura 2.9. El mecanismo de endurecimiento por tixotropia es analizado bajo las siguientes hipotesis: El remoldeo y la compactación de un suelo produce una estructura compactable con el alcance del equilibrio con el tiempo si las fuerzas de atracción y repulsión logran reestablecer la estructura inicial del suelo.

Remoldeo

Remoldeo

SA

Resistecia

Resistencia última

SR

Resistencia de remoldeo

0

Tiempo

0

SA

SR

Relación de resistencia Tixotrópica

Figura 2.9 Propiedades de un material puramente tixotrópico

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2.6.5 Actividad En un suelo fino sus propiedades están influenciadas por el contenido de arcilla y el tipo de mineral presente, esto se refleja en las propiedades plásticas del material de igual manera se ha podido mostrar que a mayor cantidad de arcilla el comportamiento viscoelástico es más marcado. Para mostrar la relación existente en estas propiedades SKEMPTON 1953, propone la evaluación de la actividad de los suelos finos la cual se puede evaluar como: IP A= % partículas < 2 µm En muchas arcillas se puede graficar el índice de plasticidad contra contenido en peso de partículas menores de 2 micras, se obtiene una línea recta que pasa por el origen, y la pendiente de esta línea es la actividad del suelo (ver figura 2.10) 100

Shellhaven (1 33)

Indice de plasticidad

80

Arcilla London (0 95) 60

Arcilla Weald (0.63) 40

Horten (0.42)

20

0

20

40

60

80

100

% de la fracción de arcilla (< 2µm) Figura 2.10 Relación entre el índice de plasticidad y fracción de arcilla (Skempton, 1953)

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ACTIVIDAD INACTIVA NORMALES ACTIVA

MINERAL Esmetita Illita Caolinita Halloisita (2H2O) Halloisita(4H2O) Atapulguita Alofano

VALORES 0.75 0.75 a 1.25 1.25

ACTIVIDAD 1-7 0.5 -1 0.5 0.5 0.1 0.5 - 1.2 0.5 - 1.2

Para algunas arenas arcillosas la curva no pasa por el origen y el valor de la actividad debe ser redefinido. 2.7 PROPIEDADES GEOFISICAS DE LOS SUELOS Y ROCAS Los depósitos de suelos y de rocas poseen unas propiedades que se han ido utilizando como para la determinación de espesores, tipo de material y propiedades dinámicas. 2.7.1 Resistividad La resistividad también llamada resistencia especifica !!!! , es una propiedad de los cuerpos por medio de la cual estos se oponen al avance de la corriente eléctrica. La unidad de medida es de la resistividad es el ohmio . metro. La resistividad se relaciona con la resistencia eléctrica a través de la expresiones: V= RI R =

ρ⋅

L A

donde V : Voltaje R : Resistencia I : Intensidad

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L : Longitud del conductor A : Área del conductor ρ : Resistividad específica La resistencia especifica es igual a la que opone un centímetro cúbico de una sustancia dada al paso de la corriente eléctrica al cruzar dos caras paralelas del cubo unitario. Los materiales en estudio tienen resistividades que varían de 102 a 105 ohm x m Como la mayoría de los materiales superficiales de la corteza terrestre son conductores de la electricidad, debido a veces de la presencia del agua, esta es entonces una función del grado de saturación del material en estudio. En ambientes naturales la resistividad especifica varia de .1 a 300 ohm x m para lagos salados y agua pura.

Menas sulfúricas Arcillas, grafito, pizarras, areniscas

Secos

Materiales

Arcillas, grafito, pizarras, areniscas

Saturado

Adaptado de Whiteley (1983)

Arena, grava Dolomita, caliza, rocas metamórficas

10

102

103

104

105

Resistividad - ohmios

Figura 2.11 Valores típicos de resistividad específica

2.7.2 Transmisión De Ondas La generación o liberación de esfuerzos en un medio continuo y elástico induce a la propagación de ondas y esfuerzos de diferentes tipos, pero fundamentalmente se propagan ondas internas y ondas de superficie

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Love (L) Superficie Raylight (R) ONDAS Compresión (P) Cuerpo Corte (S)

Las ondas internas o de cuerpo se propagan por el interior del suelo o de la roca y las de superficie por las discontinuidades o interfaces. Las ondas de cuerpo transmiten una mayor energía, las ondas P se desplazan a una mayor velocidad y tienen periodos cortos, en cambio las ondas S se desplazan a menor velocidad y son portadoras de mayor energía destructiva. Resulta necesario establecer una diferencia entre las ondas con que se propaga el estado de esfuerzos y otra la velocidad con que se mueven las partículas del suelo, velocidad de partícula que mucho más baja. En las ondas P el estado y el medio se mueven en la misma dirección y en las ondas S el estado y el medio se desplazan con direcciones ortogonales. Esta velocidad de propagación es una función de las propiedades mecánicas del medio, por tal razón conociendo la velocidad es posible determinar las constantes elásticas del material. En la tabla se presentan algunas velocidades de propagación:

MATERIAL Aire Agua Concreto Hielo Acero Depósitos Superficiales Consolidados y Blandos Arcillas y limos no consolidados y arenas saturadas Arenas gravas saturadas, arcillas, limos compactos, Rocas meteorizados Sedimentos semiconsolidados saturados, rocas ígneas y metamórficas Pizarras alteradas, rocas metamórficas cizalladas.

VELOCIDAD 340 1470 3100 3200 5900 200 - 400 400 - 1500 1500 - 2000 2000 - 2500 2500 - 3700

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Se debe asumir que a mayor resistencia del medio transmisor mayor sera la velocidad de transmisión del estado de esfuerzos. 2.7.3 Otras Existen otras propiedades geofísicas que en ingeniería ya tienen aplicaciones y que han permitido simplificar trabajos. Dentro de estas se pueden relacionar la radiactividad, Magnetismo y Gravitación. 2.8 PROPIEDADES DE RESISTENCIA Dentro de esta se pueden mencionar las características que van a determinar la capacidad para asumir un nivel de carga sin llegar a romperse o a deformarse. A continuación se enumeran algunas: Compresibilidad: Capacidad de deformarse al asumir un mayor o menor nivel de nivel de esfuerzos. Resistencia a la Tensión Resistencia a la Torsión Resistencia al Cortante Teniendo en cuenta que tanto las rocas como los suelos son continuos particulados y conformados por tres fases, para hablar de las características de resistencia se puede analizar la cada una de las fases a las exigencias mencionadas: Propiedad COMPRESIBILIDAD TENSION COMPRESIÓN CORTANTE

AGUA

SÓLIDOS

GASES

Incompresible Tensión Superficial Alta Viscosidad

Incompresible Baja Alta Moderada

Compresible Sin Resistencia Baja Nula

De observar las propiedades de las fases es posible deducir algunos comportamientos ante las diferentes condiciones de carga de estos materiales. 2.9 PERMEABILIDAD Es la propiedad que nos muestra como el agua atraviesa el suelo y esta dada en unidades de velocidad. El conocimiento de la impermeabilidad de un deposito de suelo o roca resulta indispensable en diseño de muchas obras en ingeniería. La permeabilidad de los suelos es una función de la estructura, el tamaño del grano y el tipo de mineral que conforma el suelo.

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Capítulo 3 CLASIFICACION DE LOS SUELOS Y ROCAS

Para los depósitos de suelo y los macizos rocosos que se utilizan como material de construcción o que son parte indispensable en el desarrollo de obras en ingeniería, la toma de decisiones en forma ágil y eficaz respecto a su uso hace necesario utilizar clasificaciones geomecánicas, ya sean elaboradas en campo en el desarrollo de las misma obras, o las detalladas o elaboradas con fundamentos teóricos de acuerdo a su composición y comportamiento observado. Así con estas ayudas y los resultados de los ensayos de laboratorio se pueden determinar que tipo de suelo o de roca se encuentra en el sitio de un proyecto y que tipo de obras se pueden prever de acuerdo a los comportamientos geomecánicos de éstos materiales. En la actualidad existen diferentes clasificaciones geomecánicas para depósitos de suelo y para macizos rocosos. Estas clasificaciones están basadas en diferentes parámetros o propiedades de estos materiales, las primeras clasificaciones de suelos se basan en el tamaño de los granos; años después aparecen clasificaciones que incluyen la distribución de tamaños de los granos, la composición mineralógica, limites de consistencia y la estructura del suelo. La utilización de una clasificación de los suelos y de las rocas nos ayuda a predecir en forma rápida el comportamiento y su correcta utilización en obras como: cimentaciones, rellenos, presas, vías entre otros. En el contenido de este capitulo encontramos criterios y pruebas en las que se basan algunas clasificaciones que se están utilizando para suelos y rocas, de acuerdo al tipo de obra que se va a desarrollar.

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3.1. CLASIFICACIÓN DE SUELOS Los métodos más antiguos y más simples de clasificar los suelos se basaron en el tamaño de sus granos y a partir de este parámetro existen varias clasificaciones.

3.1.1. Finalidad de una clasificación de suelos Los suelos y las rocas pueden ser clasificados en grupos dentro de los cuales sus propiedades ingenieriles son similares y a partir de esto se puede asumir un comportamiento geotécnico. Estos grupos de suelos se denominan con nombres descriptivos o símbolos para dar al ingeniero en principio una idea sobre las determinadas propiedades del material y su mejor uso como material de ingeniería. Así se han desarrollado diferentes métodos de clasificación, cada uno con ciertas ventajas y desventajas para cada uno de los propósitos o usos que se le pueda dar a cada material en obras civiles. Los sistemas de clasificación le permiten al ingeniero aprovechar la experiencia adquirida por otros en algunos tipos de obras, para seleccionar el material a utilizar. Además, la clasificación facilita la comunicación entre diferentes grupos de trabajo. El usar una clasificación no evita el desarrollo de estudios detallados o ensayos especializados, la utilización de estas clasificaciones debe estar acompañada de un juicio crítico para implementar una serie de ensayos y controles adicionales. 3.1.2. Propiedades Índice La división entre distintos tipos de suelos se basa en las propiedades índice que son características del material. De esta forma se hace necesario la realización de ensayos de laboratorio para determinar las propiedades y con estas hacer la clasificación. Las principales propiedades del grano, componente elemental de los suelos son el tamaño y la forma, y para las partículas más finas, sus características mineralógicas. Las principales propiedades del agregado o suelo grueso son la densidad relativa. Las clasificaciones basadas únicamente en el tamaño de los granos, dan una información muy útil en cuanto a la naturaleza de los suelos con algunos errores

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de consideración en los suelos finos granulares a los que se adjudican otras propiedades como la consistencia y la plasticidad. Para las clasificaciones de suelos se deben tener resultados de los siguientes ensayos: a.

Análisis granulométrico(tamices)

b.

Los Límites de Atterberg.

Con estos ensayos se puede realizar la clasificación unificada, la de AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), y la de la FAA (Federal Aviation Agency). 3.2. CLASIFICACIONES PROPUESTAS PARA SUELOS Los diversos sistemas de clasificación usan como parámetro básico la granulometría para establecer grupos. Además de la granulometría, los limites de Atterberg forman parte del proceso final de clasificación, tratando de incluir en el criterio parámetros que se asocien al comportamiento plástico de los suelos finos. 3.2.1. Clasificación primaria de los suelos. “Los grandes grupos de los suelos” Utiliza una nomenclatura fundamental común, válida en todos los casos que coloca todos y cada uno de los suelos existentes dentro de alguno de estos grandes grupos: 1.

CASCAJO O GRAVAS

2.

ARENAS

3.

LIMOS

4.

ARCILLAS

5.

SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS

Los suelos de los dos primeros cascajos y arenas son llamados GRUESOGRANULARES o simplemente gruesos o granulares, en razón del tamaño de sus granos predominantemente gruesos.

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Los otros dos grupos, limos y arcillas son llamados suelos FINO-GRANULARES o finos, si están formados de partículas llamadas arbitrariamente finas, o si la proporción de estas en el agregado es tal que su influencia en el comportamiento del suelo predomina sobre la de los granos gruesos. En la mayoría de las veces una simple observación del suelo basta para identificarlo como grueso-granular o fino-granular es necesario fijar un límite de tamaño arbitrario para definir la separación entre grueso y fino. Entre las clasificaciones más usadas en la actualidad (La Unificada y la de la AASHTO). Se toma como base para dicha separación la malla No 200 que tiene agujeros cuadrados cuyo lado es de 0.074 mm. Se consideran partículas o granos gruesos aquellos que quedan retenidos en dicho tamiz, después de ser lavado el suelo sobre él hasta el momento en que el agua de lavado que pasa la malla lo hace completamente limpia. La distinción entre cascajos y arenas corresponde aproximadamente a la usada en el lenguaje común, para resolver indecisiones de clasificación, es necesario fijar como límite de tamaño de granos un valor arbitrario, el que utiliza la clasificación unificada de los suelos es el del agujero de la malla No 4 (cuadro de 4.76 mm de lado) o un tamaño superior del cascajo de 3 pulgadas para la AASHTO las partículas que queden retenidas en el tamiz de esta dimensión no se consideran suelo, reciben el nombre de guijarros, pedruscos, cantos o bolos. Los cascajos y las arenas limpias, (sin partículas finas) y secos no tienen fuerzas de ligación entre sus partículas si tienen granos finos en pequeña cantidad, tales fuerzas, que contribuyen la cohesión, son de pequeña magnitud. Por esto a los cascajos y a las arenas se les clasifica como suelos no cohesivos o también pulverulentos. En muchos casos las partículas gruesas están mezcladas con cantidad apreciable de material fino, por ejemplo la arcilla, teniendo una arena arcillosa o una grava arcillosa, las que si pueden poseer una cohesión considerable, en el cascajo y la arena limosos dicha cohesión será menor, llegando a ser casi nula.

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La distinción entre limos y arcillas si no es del lenguaje común, es una diferenciación técnica entre dos tipos de suelos en los que predominan las partículas finas. Algunos de los aspectos más importantes de las propiedades que los diferencian son: ♦ Tanto en estado seco como en estado húmedo, hay más cohesión entre las partículas de una arcilla en estado natural que entre las de un limo. ♦ Dentro de ciertos rangos de humedad las arcillas son plásticas o sea que se dejan cambiar de forma con facilidad con presiones como las de los dedos sin agrietarse: situación que no pasa con los limos por ser este menos plástico. ♦ Las partículas de arcillas son más finas que las de los limos en general aunque para la distinción no se tienen en cuenta el análisis cuantitativo de los tamaños de los granos, además de arcilla son generalmente planos. Esto hace que al tacto sean más suaves las arcillas que los limos y que aún a simple vista, por la textura superficial de un trozo, pueda apreciarse en muchos casos si se trata de arcilla. Los suelos altamente orgánicos son materiales de características muy especiales que deben ser clasificados en un grupo aparte. Se distinguen en general por sus colores oscuros o negros, por un olor característico, por su textura, su alta compresibilidad y su alto contenido de humedad. Si para la agricultura son los mejores suelos, en las obras de ingeniería presentan comportamientos deficientes, tanto como material de construcción o como cimentación de construcciones. Otras clasificaciones que se pueden mencionar y que han sido utilizadas en el desarrollo de obras son: ™ Clasificación preliminar de tipos de suelo ™ Clasificación por su estructura ™ Clasificación por distribución de tamaño de gránulos

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3.2.2. Clasificación preliminar por tipos de suelo También denominada clasificación de campo. No requiere el conocimiento de nomenclaturas especializadas. Los significados ofrecidos a continuación aceptados generalmente en el campo de ingeniería de cimentaciones. a)

La Arena, la Grava y los Cantos Rodados o Guijarros: Son suelos de gránulos gruesos sin cohesión. Se utilizan escalas de tamaños de gránulos para distinguirlos entre ellos y entre arenas de diferentes fisuras. El término guijarro se limita a tamaños mayores de 20 cm (8”) y la grava a los tamaños entre 7 – 20 mm (1/4 y 8”). Los tamaños de las arenas se designan como compactas o densas cuando se requiere el uso de un pico para la excavación.

b)

Arena Sucia: Se le denomina a aquella que no tiene cohesión y que tiene algún otro material más fino. Puede ser identificada por medio de la agitación de un pequeño tubo de ensayo o por el polvo que se desprende de ella si un puñado de material seco es tirado al aire.

c)

Los Limos Orgánicos: Son aquellos limos o fangos que pueden ser principalmente inorgánicos, pero contienen cierta cantidad de finos materiales orgánicos descompuestos o coloides orgánicos. Los tamaños de las partículas se encuentran principalmente dentro de la escala de 0.06 a 0.002 mm. Son altamente compresibles, relativamente impermeables, en cierto modo plástico y principalmente debido a su compresibilidad, materiales muy pobres para cimentaciones. Su color varía de gris claro a gris oscuro o negro.

d)

Los Limos Inorgánicos y el Polvo de Roca: Contienen solo granos minerales y están libres de materia orgánica. Los limos inorgánicos son casi todos más gruesos que 0.002 mm. En todos los casos tienen una sensación arenosa, poca cohesión cuando están secos. Principalmente su aspecto se asemeja al de la arcilla.

e)

Arcillas Inorgánicas: (Arcillas) compuestas principalmente por partículas planas más finas que 0.002 mm o 2 micrones. El grado de cohesión y plasticidad y el grado en que varían los resultados de las pruebas difieren de aquellos limos inorgánicos indicando el grueso de la arcilla. Las arcillas son llamadas duras o rígidas cuando no pueden ser moldeadas con los dedos, estas arcillas han sido comprimidas hasta tener un bajo contenido

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de agua y son buenos materiales para cimentaciones. Las arcillas suaves son relativamente compresibles con esfuerzo al corte bajo. f)

Arcillas Estratificadas: Consisten en capas delgadas alternadas de limo y arcilla de origen glacial. Estas poseen las peores cualidades del limo y la arcilla suave.

g)

Turba: Materia vegetal parcialmente carbonizada que tiene una resistencia muy baja al esfuerzo cortante, con frecuencia permeable, extremadamente compresible y es el material más pobre imaginable para cimentaciones. Color oscuro, naturaleza fibrosa y olor fétido.

h)

Tepetale: Término utilizado frecuentemente para describir cualquier capa dura cementada que no se suaviza cuando se humedece.

3.2.3. Clasificación por origen Se refiere ya sea a sus elementos constituyentes o componentes. constitución, los suelos pueden clasificarse así: a.

Suelos inorgánicos

b.

Suelos orgánicos •

Vida vegetal

•

Vida animal

Por

Los efectos responsables por su presente estado, podrán clasificarse así: a.

Suelos residuales

b.

Suelos transportados • Glacial • Eólicos • Sedimentarios

a. Residuales: Formados por materiales desintegrados encontrados encima de la corteza rocosa, en varios estados de cementación y que no han sido sujetos a procesos de transporte. El tamaño de granos es indefinido.

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b. Transportados: Llevados a su localización actual por algún medio. 3.2.4. Clasificación de suelos sedimentarios por su estructura Los tres tipos fundamentales son: 1.

Estructuras Simple (un solo gránulo)

2.

Estructura Panaloide (en forma de panal)

3.

Estructura floculenta

1.

Estructuras Simple (un solo gránulo): Es una acumulación de esferas iguales. Este tipo de estructuras se observa en materiales en los cuales existe muy poca tendencia a adherirse unos con otros, son llamados sin cohesión o no cohesivos y están presentados por las arenas y las gravas.

2.

Estructura Paneloide (en forma de panal): Aparece en suelos suficientemente finos para tener cohesión, se encuentra en limos finos y arcilla. La atracción intermolecular entre gránulos en el punto de contacto se conoce como la verdadera atracción cohesiva y la resistencia al corte resultante de la atracción es conocida como cohesión verdadera.

3.

Estructura Floculenta: Puede ocurrir en suelos de gránulos muy finos. La floculación ocurre cuando las partículas se adhieren y por el contrario una suspensión coloidal se obtiene cuando las partículas se repelen.

Estas estructuras ya se habían mencionado en el capítulo I, pero es necesario hacer referencia a esta clasificación de suelos. 3.2.5. Clasificación por tamaño de granulación En la tabla se muestran dos de las clasificaciones de suelos usadas en los Estados Unidos y en otras partes del mundo.

Grava Fina

Arena Aspera

← 2.0 – 1.0

1.0 – 0.5

Arena

Arena Fina

Arena muy Fina

Limo

0.5 – 0.25 0.25 – 0.1 0.1 – 0.05 0.05 – 0.005 Unidades en centímetros, para las dos clasificaciones.

Arcilla 0.005 →

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Oficina de clasificación de suelos de E.E.U.U. 0.6 ←2.0 Aspero

0.2 Medio

0.06 Fino

ARENA

0.02 0.006 0.002 0.0006 0.0002→ Aspero Medio Fino Aspero Medio Fino

LIMO

ARCILLA

3.2.6. Clasificación del M.I.T.

Clasificaciones basadas en el tamaño de los gránulos en mm. El sistema mostrado permanentemente fue desarrollado por el departamento de suelos de los Estados Unidos (U.S. Bureau of soils). La otra escala fue sugerida por G. Gilboy en 1930 como la más sencilla, la más lógica y la más fácil de recordar de todas las clasificaciones y es conocida como la clasificación MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts). Las varias subdivisiones o fracciones escogidas para estas clasificaciones pueden ser designadas por los valores numéricos de sus diámetros límites sería ventajoso en muchos aspectos el usar este sistema en lugar de nombres. El método más conocido que se ha usado es el de la distribución granulométrica usado por Allen Hazen. En este método el diámetro tal, que el peso del agregado de todos los gránulos menores del diámetro sea el 10% del peso total de la muestra, es llamado el tamaño efectivo. Este diámetro es designado como D10, es también conocido como el “tamaño del diez por ciento”. El D60, el diámetro es tal que el peso del agregado de todos los gránulos menores de este diámetro es el 60% del peso total. La relación entre D10 y D60 es el coeficiente de uniformidad de Hazen. Un coeficiente de uniformidad casi unitario por lo general denota un suelo en el cual todos los gránulos son prácticamente del mismo tamaño y un gran coeficiente corresponderá a una gran variación de tamaños importantes características como la forma de los gránulos, composición mineral, estructura y densidad relativa no podrán ser representados por un análisis de tamaño de gránulos.

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Clasificación del MIT Grava

Arena Gruesa 0.2

Limo

Media 0.6

Fina 0.2

Gravas

> 2 cm

Arenas

2>arenas>0.06

Limos

0.06>limos>0.002

Arcillas

30

Indice de Plasticidad IP IP < 15 5 < IP < 25 IP > 15

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Figura 3.1 Diagrama de la “Public Roads Administration”

Esta clasificación, permitió a Casagrande a partir de los mismos criterios dar otra más precisa que divide los suelos coherentes en ocho grandes grupos. 3.4. CLASIFICACIÓN UNIFICADA DE LOS SUELOS Arthurt Casagrande estableció para el cuerpo de ingenieros militares de los Estados Unidos una clasificación denominada A.C. o también clasificación para aeropuertos. Este sistema se conoció originalmente como la “clasificación de suelos para aeropuertos de Arturo Casagrande”. En la clasificación de los suelos en cuanto a su adecuación para material de cimientos o subbase de aeropuertos se emplean ciertos símbolos referentes a los tipos de suelo y algunas propiedades específicas. El mismo sistema se puede también emplear en carreteras (Esta clasificación se resume en las tablas).

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3.4.1. Procedimiento de clasificación. Verificar que porcentaje pasa el tamiz No. 200 •

Si el porcentaje que pasa < 50%, el suelo es un grano grueso

•

Si el porcentaje que pasa > 50%, se trata de un suelo de grano fino.

Para suelo grueso: •

Si el 5% o menos pasa el tamiz No. 200, el suelo puede ser: GW, GP o SW, SP.

•

Si pasa entre más del 5% y el 12%, el suelo puede ser: GW-GM, GP-GM, GW-GC, GP-GC o SW-SM, SP-SM, SW-SC, SP-SC.

•

Si pasa más del 12% el tamiz No. 200, el suelo puede ser GM, GC o SM, SC.

Para establecer si se trata de una arena o de una grava: •

Si más de la mitad de la muestra queda retenida en el tamiz No. 4 se trata de una grava.

•

Si más de la mitad de la muestra pasa el tamiz No. 4 y además la mayoría de la muestra se encuentra entre el tamiz No. 4 y el No. 200 se trata de una arena.

Para suelo fino: El suelo se puede clasificar en limos o arcillas, teniendo en cuneta LL y el LP y utilizando la carta de plasticidad de Casagrande. •

Se calcula el LL y el LP.

•

Teniendo en cuenta los índices se calcula el índice de plasticidad IP.

•

Se entra a la carta de plasticidad y se lee la clasificación del suelo.

3.4.2. Simbología Utilizada En esta clasificación se utilizan dos letras, estas indican el tipo de material la primera tiene el carácter equivalente a sustantivo, en tanto que la segunda tiene el de adjetivo, así por ejemplo, GM es una grava limosa, y CH es una arcilla altamente plática. Es importante anotar que no existen combinaciones de letras

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diferentes de las señaladas para los quince grupos, no hay suelos que se designen como MXC, así parezca que debe corresponder a limos arcillosos. Los suelos altamente orgánicos usualmente fibrosos, tales como turbas y suelos pantanosos extremadamente compresibles forman un grupo de símbolo Pt. ¾ G =

Grava

¾ S =

Arena

¾ M =

Arenas muy finas y limos

¾ C =

Arcillas sin contenido, ligante arcilloso G y S bien gradado

¾ O =

Arcillas y limos con contenido orgánico

¾ Pt =

Turbas y suelos cenagosos de gran comprensibilidad

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Tabla 3.1 SISTEMA UNIFICADO DE LA CLASIFICACION DE SUELOS

Gravas bien graduadas, mezclas de grava y arena con pocos finos o sin ellos

Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños intermedios.

GP

Gravas mal graduadas, mezcla de arena y grava con pocos finos o sin ellos

Fracción fina no plástica (para identificación ver grupo ML más abajo)

GC

Gravas arcillosas, mezclas mal graduadas de arenas y arcillas

Amplia gama de tamaños y cantidades apreciables de todos los tamaños intermedios.

SW

Arenas bien graduadas, arenas con gravas con pocos finos o sin ellos

Predominio de un tamaño o un tipo de tamaños, con ausencia de algunos tamaños intermedios

SP

Arenas mal graduadas, arenas con grava con pocos finos o sin ellos

Finos no plásticos(para identificación ver grupo ML más abajo)

SM

Arenas limosas, mezclas de arna y limo mal graduadas

SC

Arenas arcillosas, mezclas mal graduadas de arenas y arcillas

Gravas con finos (cantidad apreciable de finos)

Gravas limosas, mezcla mal graduadas de grava, arena, y limo

Finos plásticos(para identificación ver grupo CL más abajo)

Finos plásticos(para identificación ver grupo CL más abajo)

Dése el nombre típico; indíquese los porcentajes aproximados de grava y de arena, tamaño máximo, angulosidad, estado superficial y dureza de los granos gruesos; nombre local o geológico y cualquier otra información o descripción pertinente y el símbolo entre paréntesis. Para los suelos inalterados agréguese información sobre estratificación, compacidad, cementación condiciones de humedad y características de drenaje. Ejem: arena limosa, con grava aproximadamente un 20% de partículas de grava angulosa de 1,5 cm de tamaño max. Arena gruesa a fina, con partículas redondeadas o subangulosas; arena aluvial(SM)

Limos Y arcillas con límite líquido menor de 50

Métodos de identificación para la fracción que pasa por el tamiz #40

Suelos altamente orgánicos

Resistencia en estado seco (a la disgregación) Nula a ligera

Dilatancia (reacción a la disgregación) Rápida a lenta

Tenacidad (consistencia cerca del límite plástico) Nula

ML

Media

CL

Limos orgánicos y arenas muy finas, polvo de roca, arenas finas limosas o arcillosas con ligera plasticidad Arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras

Media a alta

Nula a muy lenta

Ligera a media Ligera a media Alta a muy alta

Lenta

Ligera

OL

Limos orgánicos y arcillas orgánicas de baja plasticidad

Lenta a nula

Ligera a media

MH

Limos inorgánicos, suelos limosos o arenosos finos micáceos o con diatomeas, limos elásticos

Nula

Alta

CH

Arcillas inorgánicas de plasticidad media a alta

Media a alta

Nula a muy lenta

Ligera a media

OH

Arcillas orgánicas de plasticidad media a lata

Pt

Turba y otros suelos altamente orgánicos

Fácilmente identificables por su color, olor, sensación esponjosa y frecuentemente por su textura fibrosa

Dése el nombre típico; indíquese el grado y carácter de la plasticidad; la cantidad y el tamaño de las partículas gruesas; color del suelo húmedo, olor si lo tuviere, nombre local y geológico; cualquier otra información descriptiva pertinente y el símbolo entre paréntesis Para los suelos inalterados agréguese información sobre la estructura, estratificación consistencia, tanto en estado inalterado como remoldeado, condiciones de humedad y drenaje.

Criterios de clasificación en el laboratorio

Determínese los porcentajes de grava y arena a partir de la curva granulométrica según el porcentaje de finos fracción que pasa por el tamiz #200 los suelos finos se clasifican como sigue: Menos del 5% GW,GP,SW,SP MAS DEL 12% GM,GC,SM,SC 5% AL 12% Casos límite que requieren el empleo de símbolos dobles.

GW

Información necesaria para la descripción de los suelos

Utilícese la curva granulométrica para identificar las fracciones de suelo indicadas en la columna de identificación en el campo

Amplia gama de tamaños y cantidades apreciables de todos los tamaños intermedios

Arenas limpias (con pocos finos o sin ellos)

Gravas limpias(con pocos finos o sin ellos)

NOMBRES TIPICOS

Arenas con finos (cantidad apreciable de finos)

Gravas-más de la mitad de la fracción gruesa es retenida por el tamiz #4 Arenas-más de la mitad de la fracción gruesa pasa por el tamiz #4

Símbolo del grupo

GM

Limos Y arcillas con límite líquido menor de 50

Suelos de grano fino-más de la mitad del material pasa por el tamiz #200

Suelos de grano grueso-más de la mitad del material es retenido por el tamiz #200

Identificación en el campo (excluyendo las partículas mayores de 7.6Cm(3”) y basando las fracciones en pesos estimados)

No satisfacen todos los requisitos granulométricos de las GW Límites de Atterberg por debajo de la línea A con Ip < de 4 Límites de Atterberg por encima de la línea A con Ip mayor de 7

Por encima de la línea de A, con IP entre4 y 7 casos límites que requieren el uso de símbolos dobles

No satisfacen todos los requisitos granulométricos de las SW Límites de Atterberg por debajo de la línea A con Ip < de 4 Límites de Atterberg por encima de la línea A con Ip mayor de 7

Por encima de la línea A, con IP entre 4 y 7 casos límites que requieren el uso de símbolos dobles

Gráfico de plasticidad para la clasificación en el laboratorio de suelos de grano fino

Tabla No. 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS DE LA CLASIFICACIÓN PARA EL EMPLEO EN AEROPUERTOS (ARTHUR CASAGRANDE)

Símbolo del Grupo

Calificación como cimiento no sujeto a heladas

GW

Excelente

GC

GP

Excelente

Excelente

Calificación como Superficie de rodadura Con paliativo para el polvo

Con tratamiento superficial bituminoso

Regular a malo

Excelente

Excelente

Malo

Excelente

Malo o regular

Posible actuación de la helada

Compresibilidad y entumecimiento

Ninguna a muy ligera

Casi ninguna

Media

Muy ligera

Ninguna a muy ligera

Casi ninguna

Condiciones de drenaje

Condiciones de compactación y equipo

Densidad a compactaci ón óptima e índice de huecos

Indice C.B.R. de la muestra compactada y embebidas

Grupo comparable de la clasificación PRA

Excelente

Excelente, tractor de oruga, rodillo neumático

> 2.02

> 50

A-3

> 40

A-1

25-60

A-3

e < 0.40

> 20

A-2

> 1.94

20-60

A-3

20-60

A-1

10-30

A-3

Prácticamente impermeable

Excelente

GF

Bueno a excelente

Malo a bueno

Regular a bueno

Ligera a media

Casi Ninguna a ligera

Regular a prácticamente impermeable

SW

Excelente

Malo

Bueno

Ninguna a muy ligera

Casi ninguna

Excelente

SC

SP

Excelente

Bueno

Ezcelente

Malo

Excelente

Malo

Media

Ninguna a muy ligera

Muy ligera

Casi ninguna

Excelente, cilindro apisonador, rodillo neumático Bueno a Excelente. Tractor de oruga, rodillo neumático Bueno a Excelente. Tractor de oruga, rodillo neumático, cilindro apisonador. Excelente, tractor de oruga, rodillo neumático

Prácticamente impermeable

Excelente: cilindro apisonador, rodillo neumático

Excelente

Bueno a Excelente. Tractor de oruga, rodillo neumático

e < 0.35

> 2.10 e < 0.30

> 1.86 e < 0.45

> 1.94

e < 0.40

> 2.02 e < 0.35

> 1.62 e < 0.70

Símbolo del Grupo

Calificación como cimiento no sujeto a heladas

SF

Regular a bueno

ML

Regular a malo

CL

Regular a malo

Calificación como Superficie de Rodadura Con paliativo para el polvo

Con tratamiento superficial Bituminoso

Posible actuación de la helada

Compresibilidad y entumecimiento

Condiciones de drenaje

Ligera a Grande

Casi ninguna a media

Regular a prácticamente impermeable

Malo

Media a muy grande

Ligera a media

Regular a malo

Malo

Media a muy grande

Media

Prácticamente impermeable

Malo a bueno

Malo a bueno

Condiciones de compactació n y equipo Bueno a Excelen. Tractor de oruga neumático cilindro apisonador. Bueno a malo. Escencial gran vigilancia, rodillo neumático. Regular a bueno. Cilindro apisonador

OL

Malo

Muy malo

Media a grande

Media a grande

Malo

Regular a malo. Cilindro apisonador

MH

Malo a muy malo

Muy malo

Media a muy grande

Grande

Regular a malo

Malo a muy malo

CH

Malo a muy malo

Muy malo

Media

Grande

Prácticamente impermeable

Regular a malo. Cilindro apisonador

OH

Muy malo

Inútil

Media

Grande

Prácticamente impermeable

Malo a muy malo

Pt

Extremadamente malo

Muy grande

Regular a malo

Inútil

Ligera

Densidad a compactaci ón óptima e índice de huecos

Indice C.B.R. de muestra compactad ay embebidas

Grupo comparable de la clasificació n PRA

10-30

A-2

6-25

A-4

4-15

A-4 A-6

> 1.70 e < 0.60

> 1.62 e < 0.70

e < 0.70

A-7 > 1.45 e < 0.90

> 1.62 e < 0.70

> 1.45 e < 0.90 > 1.62 e < 0.70

No se puede compactar

3-8

90) U – en el rango de plasticidad alta (LL > 35)

La letra que describe el tamaño de la fracción predominante se coloca primero en el grupo de símbolos, seguida luego por las otras letras que indican las características de la fracción secundaria, la gradación o las características de plasticidad y la presencia de materia orgánica. Por ejemplo: GWM – GRAVA Limosa bien gradada MLG – LIMO Gravoso de baja plasticidad CHSO – ARCILLA Orgánica arenosa de alta plasticidad. En los suelos granulares la curva de distribución de las partículas permite designar las características de gradación, en tanto que en los suelos finos para escoger el nombre apropiado del suelo y el símbolo del grupo se utiliza la carta de plasticidad.

Geotecnia I

Tabla 3.6 CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE LA FAA

TOTAL

MATERIAL QUE PASA AL TAMIZ # 10

MATERIAL QUE PASA AL TAMIZ # 40

CLASE DE TERRENO DE FUNDACIÓN (SUBRASANTE) BUEN DRENAJE

MAL DRENAJE

Arena fina pasa el tamiz # 60 y queda retenido en el # 270

Limo y arcilla combinados( pasa el tamiz # 270)

Límite Líquid o

Indice Plástic o

Sin heladas

Con heladas fuertes

Sin heladas

Con heladas fuertes

Clase de suelo

Retenido en el tamiz # 10 (grava)

Arena gruesa pasa tamiz # 10 y queda retenido en el # 60

E-1

0 - 45

40+

60-

15-

25-

6-

FaR1a

FaR1a

FaR1a

FaR1a

E-2

0 - 45

15+

85-

25-

25-

6-

FaR1a

FaR1a

FaR1a

F2R1a

E-3

0 - 45

25-

25-

6-

F1R1a

F1R1a

F1R1a

F2R1a

E-4

0 - 45

*35

25-

6-

F1R1a

F1R1a

F2R1a

F3R2c

E-5

0 - 45

45-

40-

15-

F1R1a

F2R1b

F3R1b

F4R12

E-6

0 - 55

45+

40-

10-

F2R1a

F3R1b

F4R2b

F5E2b

E-7

0 - 55

45+

50-

F3R1b

F4R1b

F6R2b

F7R2c

E-8

0 - 55

45+

60-

F4R1b

F6R1c

F7R2c

F8R1d

E-9

0 - 55

45+

40-

30-

F5R2b

F7R2c

F7R2c

F9R2d

E - 10

0 - 55

45+

70-

20 50

F5R2b

F7R2c

F8R2c

F9R2d

E - 11

0 - 55

45+

80-

30+

F6R2c

F8R2d

F9R2d

F9102d

E - 12

0 - 55

45+

80-

F8R2d

F9R2e

F10R2E

F10R2e

E - 13

10 30 15 40

Tierra turbosa basada con un elevado contenido de materia orgánica. Muy malo como terreno de fundación.

Clasificación de los suelos y rocas

111

3.8 CLASIFICACI0N DE SUELOS AASHTO Hace varios años se conocía la clasificación propuesta por Public Roads Administration, por el Highycuay Research Board. Todas estas clasificaciones han sido agrupadas en una sola, que se basa en la que originalmente propuso el Bureau of Public Roads en 1929 y es prácticamente la misma que la recomendada en 1944 por el Highway Research Board. La AASHTO, que representa a todos los departamentos de carreteras de los Estados Unidos de Norte América, ha adoptado esta clasificación. Designaremos esta clasificación como “clasificación de suelos AASHTO”. Los suelos se clasifican en siete grupos, basándose en la composición granulométrica, en el límite y en el índice de plasticidad de un suelo. La evaluación de cada grupo, se hace por medio de su “Indice de Grupo”, el cual es calculado mediante la fórmula empírica. Esta clasificación divide los suelos en dos clases: una formada por suelos granulares y otra por suelos de granulometría final, limo-arcillosos.

3.8.1 Bases de la clasificación Para realizar la clasificación es necesario desarrollar los siguientes ensayos de laboratorio: •

análisis granulométrico

•

limite líquido y plástico, índice de plasticidad

Inicialmente para esta clasificación era necesario conocer el limite de contracción, equivalente de humedad del terreno, y equivalente de humedad centrífuga.

Geotecnia I

112

Clasificación de los suelos y rocas

3.8.2 Suelos Granulares Son aquellos que tienen 35% o menos, del material fino que pasa por el matiz # 200 (0.075 mm). Estos suelos forman los grupos A – 1, A – 2, A – 3.

‰

GRUPO A – 1: Comprende las mezclas bien gradadas, compuestas de fragmentos de piedra, grava, arena y material ligante poco plástico. Se incluye aquellas mezclas bien graduadas que no tienen material ligante.

‰

SUBGRUPO A – 1a: Comprende aquellos materiales formados predominantemente por arena o grava, con o sin, material ligante bien graduado.

‰

SUBGRUPO A – 1b : Comprende esencialmente arena gruesa y el material ligante puede tener baja plasticidad.

‰

GRUPO A – 2: Incluye una gran variedad de material granular que contiene menos del 35% de material fino.

‰

SUBGRUPOS A-2-4 Y A-2-5: Pertenecen a estos subgrupos aquellos materiales cuyo contenido de material es igual o menor del 35% y cuya fracción que pasa por el tamiz # 40 tiene las mismas características de los suelos A-4 y A-5, respectivamente.

Estos grupos incluyen aquellos suelos gravosos y arenosos (arena gruesa), que tengan un contenido de limo, o índices de grupo en exceso a los indicados para el grupo A-1 Así mismo incluyen aquellas arenas finas con un contenido de limo no plástico en exceso al indicado para el grupo A-3.

‰

SUBGRUPOS A-2-6 Y A-2-7: Los materiales de estos grupos son semejantes a los anteriores, pero la fracción que pasa el tamiz # 40 tiene la mismas características de los suelos A-6 Y A-7, respectivamente.

Geotecnia I

Clasificación de los suelos y rocas

‰

113

GRUPO A-3: En este grupo se hallaran incluidas las arenas finas, de playa y aquellas con poca cantidad de limo que no tengan plasticidad. Este grupo incluye, además las arenas de río que contengan poca grava y arena gruesa.

3.8.3. Suelos Finos Son aquellos que tienen mas del 35% de granos que pasan el tamiz # 200

‰

GRUPO A-4: Pertenecen a este grupo los suelos limosos poco o nada plásticos, que tienen un 75% o más del material que pasa por el tamiz # 200. Además, se incluyen en este grupo las mezclas de limo con grava y arena hasta en un 64%.

‰

GRUPO A-5: Los suelos comprendidos en este grupo son semejantes a los del anterior, pero contienen material micáceo o diatomáceo. Son elásticos y tienen un límite líquido elevado.

‰

GRUPO A-6: El material típico de este grupo es la arcilla plática. Por lo menos el 75% de estos suelos debe pasar el tamiz # 200, pero si incluyen también las mezclas arenosas cuyo porcentaje de arena y grava sea inferior al 64%. Estos materiales presentan, generalmente, grandes cambios de volumen entre los estados y húmedo.

‰

GRUPO A-7: Los suelos de este grupo son semejantes a los del A-6, pero son elásticos. Sus límites líquidos son elevados.

‰

GRUPO A-7-6: Comprende aquellos suelos cuyos índices de plasticidad son muy elevados con respecto a sus límites líquidos y que, además, experimentan cambios de volumen muy grandes entre sus estados “seco” y “húmedo”.

‰

GRUPO A-8 Corresponde a una turba muy orgánica o material con considerable materia orgánica.

Geotecnia I

114

Clasificación de los suelos y rocas

En la tabla 3.7 se indica esta nueva clasificación con los respectivos subgrupos. Así mismo en la tabla 3.8, se dan a conocer las características y propiedades de estos suelos. La variación de los límites e índice de plasticidad para los suelos finos, se halla indicada gráficamente en la tabla 5. La modificación más importante introducida en esta nueva clasificación es la “evaluación” de los suelos por medio de índices. Estos índices llamados “índices de grupo” dan a conocer la “calidad”. Figura 3.3

Geotecnia I

Tabla 3.7 CLASIFICACIÓN DE LA ASSHO Y MEZCLAS DE AGREGADOS CLASIFICACIÓN GENERAL CLASIFICACIÓN POR GRUPOS

MATERIALES GRANULARES (35% PASA MALLA 200)

A-1

A-1

A-1-a

A-1-b

50 máx. 30 máx. 15 máx.

50 máx. 25 máx.

MATERIALES LIMO-ARCILLOSOS (MÁS DEL 35% PASA MALLA 200)

A-1

A-4

A-2-4

A-2-3

A-2-6

A-2-7

35 máx.

35 máx.

35 máx.

35 máx.

41 min.

40 min.

41 min.

10 máx.

11 min.

11 máx.

A-5

A-6

A-7 A-7-5 y 7-6

Tamizado % que pasa malla No 10 (2 mm) No 40 (0.42 mm) No 200 (0.074 mm)

50 min. 10 máx.

36 min.

36 min.

36 min.

36 min.

41 min.

40 máx.

41 min.

11 min.

11 min.

6 máx.

20 máx.

Características de la Fracción que pasa malla 40 LIMITE LIQUIDO INDICE PLÁSTICO

6 Máx.

Np

INDICE DE GRUPO

0

0

TIPOS USUALES DE MATERIALES COSTITUYENTES SIGNIFICATIVOS

Fragmentos de roca – cascajo y arena

Arena s finas

COMPORTAMIENTO COMO SOBRANTE

40 máx. 10 máx. 0

4 máx.

Cascajos y arenas limosos y arcillosos

EXCELENTES A BUENAS

40 máx. 10 máx. 8 máx.

10 máx. 12 máx.

Suelos limosos

Suelos arcillosos

MODERADOS A POBRES

Tabla 3.8

GRUPO

IMPERMEABILIDAD

CAPILARIDAD

ELASTICIDAD

CAMBIOS DE VOLUMEN

A-1

Baja

Baja

Muy Baja

Muy pequeños

A-2

Baja a media

Mediana a baja, perjudicial a veces

Elevada, perjudicial a veces

Medianos a elevados

A-3

Mediana a elevada

Baja

A-4

Baja a mediana

A -5-

Baja a mediana

A-6

Baja a practicamente impermeable

A-7

Baja

Elevada, perjudicial a veces Regular a elevada, perjudicial a veces

Muy pequeños

Baja a mediana

Pequeños a elevados

Mediana a elevada

Regulares a elevados

Regular a elevada

Mediana a elevada

Medianos a elevados

Regular a elevada

Mediana a elevada

Medianos a elevados

COMPORTAMIENTO DEL SUELO COMPACTADO

Excelente, estable en tiempo seco y húmedo Bueno a excelente. Estable en tiempo seco. Húmedo se reblandece Bueno a excelente. Más estable bajo ciertas condiciones de humedad Regular cuando seco. Inestable cuando húmedo. Malo a Pésimo Regular a Bueno cuando seco. Malo cualdo lluvioso Regular a Bueno cuando seco. Malo cualdo húmedo

COMO TERRENO DE FUNDACION

PARA SUB BASE

PARA BASE

PARA TERRAPLENES

Bueno a excelente

Bueno a excelente

Bueno a excelente

Bueno a xcelente

Bueno a excelente

Regular

Malo a regular

Regular a excelente

Bueno a excelente

Regular a excelente

Regular a excelente

Regular a bueno

Malo a regular

Malo a regular

Malo a regular

Malo a bueno

Malo a pésimo

Malo

Pésimo

Malo a pésimo

Regular a bueno

Regular a pésimo

Malo a pésimo

Malo a regular

Regular a bueno

Regular a pésimo

Malo a pésimo

Malo a pésimo

Clasificación de los suelos y rocas

117

3.8.4. Metodología de clasificación Indice de Grupo: Aquellos suelos que tienen un comportamiento similar se hallan dentro de un mismo grupo, y están representados por un determinado índice. La clasificación de un suelo en un determinado grupo se basa en su límite líquido, grado de plasticidad y porcentaje de material fino que pasa el tamiz # 200. Los índices de grupo de los suelos granulares están generalmente comprendidos entre 0 y 4, los correspondientes a los suelos limosos entre 8 y 12 y los de suelos arcillosos, entre 11 y 20, o más. Cuando se indica un índice de grupo hay que colocarlo entre paréntesis. Así por ejemplo, A-2-4 (1), querrá decir un suelo A-2-4 cuyo índice de grupo es 1. El índice de grupo puede determinarse mediante la siguiente fórmula, índice de grupo es: IG=0.2a+0.005ac+0.01bd Donde: a: parte del porcentaje que pasa el tamiz 200 mayor de 35 sin exceder 75 expresado en número entero entre 1 y 40. b: parte del porcentaje que pasa malla 200 mayor de 15 y sin exceder 55 expresado en número entero entre 1 y 40. c: parte del limite líquido mayor de 40 y sin exceder 60 expresado en número entero entre 1 y 20. d: parte del índice de plasticidad mayor de 10 y sin exceder 30, expresado como número entero de 1 a 20. El índice de grupo se da siempre como un numero entero.

Geotecnia I

118

Clasificación de los suelos y rocas

Para el calculo del IG también se pueden utilizar ábacos.(figura 3.4) Figura 3.4 Una vez se halla el índice de grupo se va a la tabla #5 y se utiliza el siguiente razonamiento: 1. Se procede de izquierda a derecha, hasta encontrar un suelo que cumpla todos los requisitos. 2. Se determina la posible utilización.

Ejemplo: (Utilizando los ábacos para hallar el IG) Dado los datos de clasificación para los tres suelos siguientes, clasificar los suelos usando el Sistema AASHTO de Clasificación. SUELO Porcentaje que Pasa Tamiz N° 4 10 40 100 200 WL % Wp % Observación visual

A

B

C

40 30 22 20 15 35 22

69 54 46 41 36 39 27

95 90 83 71 55 55 24

Café amarillento oscuro, con mucha grava

Café grisáceo con algo de olor

Azul – gris con algo de grava.

SOLUCION. (a)

Clasificación del suelo A

(1)

Procedimiento de izquierda a derecha en la tabla 5, el suelo será un A-1, A3 o A-2, porque solo un 15% pasa el tamiz 200.

(2)

Con base en el Ip= 13 (calculado), se elimina A-1 y A-3.

(3)

Con WL= 35% e Ip=13, el suelo se ajusta a la clasificación A-2-6.

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Clasificación de los suelos y rocas

(4)

119

El Indice de grupo se puede calcular como: IG = 0.2(0) + 0.0005(0)(0) + 0.01(0)(3) = 0.0

El Índice de grupo se obtiene en forma mas conveniente como la suma de los valores de la figura *1(a) y (b). Fig. *1(a) = 0 Fig. *1(b) = 0 IG = 0 (5)

Del estudio de los datos del análisis del cernido y de los datos de clasificación, el suelo A es café amarillento oscuro, grava areno-limosa o arcillosa, A-2-6 (0).

(b)

Suelo B:

(1)

Procedimiento de izquierda a derecha en la tabla 5, el suelo solo puede ser un A-4, A-5, A-6 o A-7 ya que 36% pasa la malla 200.

(2)

Con base en el Ip = 12, el suelo solo puede ser un A-6 o A-7.

(3)

Con WL = 39%, el suelo es un A-6.

(4)

El Indice de Grupo es: Fig. *2(a) = 0.5 Fig. *2(b) = 0.4 IG = 0.9 = 1.0

(5)

Del estudio de los datos del análisis del cernido ( 31% grava, 33% arena) y con los datos recién obtenidos, el suelo B es arcilla o limo arenoso con bastante grava, café grisáceo, con algo de material orgánico, A-6 (1).

(c)

Suelo C:

(1)

Con 55% que pasa el tamiz 200, el suelo es un A-4, A-5, A-6 o A-7.

(2)

Con WL = 55% e Ip = 31, el suelo es un A-7-6 ya que Ip>WL-30

(3)

Según la gráfica 2* el Indice de grupo es: Fig. 1*(a) = 8 Fig. 1*(b) = 5.8 IG = 13.8 = 14

(4) El suelo C es una arcilla arenosa con algo de grava, azul-gris A-7-6 (14).

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120

Clasificación de los suelos y rocas

3.9. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE LAS ROCAS En la mecánica de rocas se han venido desarrollando una serie de clasificaciones, que utilizan como parámetros la sola descripción visual, hasta los que necesitan de verdaderos ensayos de laboratorio para su clasificación. Estas clasificaciones se utilizan en la mayoría de los casos para la ejecución de excavaciones. 1. Terzaghi

2. Stini y Laufer

3. Deere

4. Merrit

5. CSIR

6. N.G.I.

3.9.1. Clasificación de las Rocas Terzaghi En 1946 Terzaghi propuso un sistema de clasificación de roca para calcular las cargas que deben soportar los marcos de acero en los túneles. Describió varios tipos de roca y con base en su experiencia de los túneles ferrocarrileros con refuerzo de acero, en los Alpes, fijó escalas de roca según las diferentes condiciones del terreno. Este artículo tan importante, en el cual Terzaghi intentó cuantificar su experiencia de modo que pudiera servir a otros, ha tenido desde el día de su publicación un uso extenso en la construcción de túneles en América del Norte. Define algunos términos que considera son de esencial importancia: ¾ Roca Inalterada: No tiene fisuras ni ramaleos. Por lo tanto, cuando se rompe, lo hace a través de la roca sana. Debido al daño que se hace a la roca con el uso de explosivos, pueden caer del techo desgajes de roca varias horas o varios días después de la voladura. Esta condición se llama desprendido. La roca dura, inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo que implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del techo. ¾ Roca Estratificada: Está constituida por capas unitarias con poca o ninguna resistencia a la separación a lo largo del plano limítrofe entre estratos. La capa puede haberse debilitado o no debido a fracturas transversales. Los desprendidos son comunes en este tipo de rocas.

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Clasificación de los suelos y rocas

121

PROYECTO DE EXCAVACIONES SUBTERRANEAS EN ROCA Recopilación preliminar e interpretación de datos geológicos de documentos históricos, cartas geológicas, fotografías aéreas, topografía de superficie y registros de núcleos de exploración de diamante. Consideraciones sobre la relación entre las características del macizo rocoso y la geometría y orientación de las futuras excavaciones.

En macizos rocosos duros con características estructurales muy inclinadas, la estabilidad de la excavación se puede ver afectada por caídas y deslizamientos gravitacionales sobre discontinuidades inclinadas. Los sistemas de clasificación de rocas no son adecuadas.

Cuando no es probable que la estabilidad se vea afectada por deslizamientos, otros factores como los esfuerzos altos y la meteorización se hacen importantes y se pueden evaluar mediante una clasificación de la calidad de la roca.

Uso del índice de calidad de roca para comparar la estabilidad de excavación y la necesidad de refuerzo con pruebas documentadas de otros sitios con condiciones geológicas parecidas. ¿Se advierten problemas de estabilidad para NO excavaciones del tamaño y la forma que se pretenden?

Diseño de las excavaciones basado en consideraciones operativas con previsión de un ademe mínimo.

SI

Inestabilidad geología adversa

Levantamiento detallado de afloramientos, pozos a cielo exploración

debido a estructural

geológico sondeos, galerías y abierto de

¿Podrá mejorarse la estabilidad al reubicarse o reorientarse las excavaciones? SI NO

Diseño de excavaciones donde sea necesario hacer observación geológica directa y ademe local

Inestabilidad debida a esfuerzos exageradamente grandes.

Inestabilidad debida a la meteorización y/o roca expansiva

Mediciones in situ de los esfuerzos de la roca cerca de la excavación propuesta.

Prueba de durabilidad de slake y de expansión en las muestras de roca

Pruebas de resistencia de la roca para determinar el criterio de ruptura.

Análisis de los esfuerzos en la excavación propuesta para determinar la fractura potencial de la roca.

¿Podrá aminorarse o eliminarse la fractura de la roca con un cambio del trazo de la excavación? NO SI

Diseño de ademe para prevenir caídas y reforzar las zonas potenciales de fracturas.

Rechazo del sitio

¿Será posible proporcionar un ademe que garantice una estabilidad de larga duración? NO SI

Consideraciones sobre posibles remedios, como la aplicación neumática del revestimiento de concreto

Excavación de prueba triaxial para comprobar los correctivos propuestos.

Diseño de la secuencia de excavación para garantizar un mínimo de tiempo entre exposición y protección de las superficies.

Diseño de excavaciones condicionado a excavacionnes de prueba, voladuras controladas, instalación rápida del ademe y control del comportamiento de la excavación durante y después de la construcción.

Inestabilidad debida a presiones o flujo exagerados del agua subterránea Instalación de piezómetros para determinar presiones y distribución de aguas subterraneas

Diseño de drenes o sistema de recubrimiento para controlara las presiones axcesivas de aguas subterrá- neas y su penetración en las excavaciones.

Prever control permanente del agua subterránea para verificar la efectividad continua de las soluciones para realizar el drenaje.

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¾ Roca Medianamente Fisurada: Tiene fisuras y ramaleos pero los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente embonadas que las paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas de este tipo, se puede encontrar a la vez desprendido y el chasquido. ¾ Roca Agrietada en Bloques: Es una roca químicamente inalterada o casi inalterada cuyos fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no embonan. Esta clase de roca puede necesitar además laterales en las paredes. Tabla 3.9 CLASIFICACIÓN TERZAGHI PARA CARGA DE ROCA EN TÚNELES CON SOPORTE DE MARCOS DE ACERO ESTADO DE LA ROCA

CARGA DE LA ROCA Hp EN PIES*

1. Dura y Masiva

0

2. Dura pero Estratificada 3. Masiva ligeramente fisurada 4. Medianamente fracturada en bloques algo abiertos. 5. Muy fracturada en bloques y las fracturas abiertas. 6. Totalmente triturada perquímicamente inalterada.

0 a 0.5 B 0 a 0.25 B

OBSERVACIONES Solo se necesitan refuerzo escaso si hay desprendido o chasquido. Refuerzo escaso más que nada como protección contra desprendimiento. La carga puede cambiar en forma errática de un punto a otro.

0.25 B a 0.35 (B + Ht)

No hay presión lateral.

(035 a 1.10 B + Ht)

Poca o ninguna presión lateral

1.10 a (B + Ht)

Presiones laterales considerables, marcos circulares.

7. Roca comprimida profundidad moderada.

1.10 a 2.20 (B + Ht)

Considerable presión lateral. Se requiere plantilla, es preferible usar marcos circulares.

8. Roca comprimida a gran profundidad.

(2.10 a 4.50) (B + Ht)

9. Roca expansiva

Hasta 250 pies

Marcos circulares indispensables en casos extremos úsese refuerzo elástico.

* Carga de roca Hp en pies de roca sobre el techo del túnel con ancho B(ft) y altura Ht(ft) a una profundidad de más de 1,5(B+Ht)** ** Se supone que el techo del túnel se encuentra abajo del nivel freático. Si se localiza permanentemente arriba del NF los valores que se indican de 4 a 6 podrán disminuirse en un 50%

¾ Roca Triturada: Pero químicamente sana tiene la apariencia de ser un producto de trituradora. Si los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha habido recementación, la roca triturada que está

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abajo del nivel de las aguas freáticas tiene las propiedades de una arena saturada. ¾ Roca Comprimida: Avanza lentamente en el túnel sin aumento perceptible de volumen. Un prerrequisito de comprensión es un porcentaje elevado de partículas microscópicas o sub-microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansiblidad. ¾ Roca Expansiva: Avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La capacidad de esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales arcillosos como la montmorillonita, con una alta capacidad de expandirse. MOVIMIENTO DE ROCA SUELTA HACIA UN TÚNEL Y LA TRANSFERENCIA DE LA CARGA A LA ROCA CIRCUNDANTE (Según Terzagui)

Figura 3.5 Zonas en una excavación subterránea. TERZAGHI

El concepto usado por Terzaghi para estimar la carga de roca transmitida a los marcos de acero para el soporte de un túnel se ilustra en el diagrama anterior. Durante la construcción del túnel habrá algún relajamiento de la cohesión de la

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formación rocosa arriba y en los lados del túnel. La roca suelta dentro del área a c d b tenderá a interrumpir en el túnel. A este movimiento se opondrán las fuerzas de fricción a lo largo de los límites laterales a c b y d y estas fuerza de fricción transfieren la parte más importante del peso de la carga de roca W1 al material de los lados del túnel. El techo y los lados del túnel no tienen que soportar más que el resto de la carga equivalente a una altura Hp. El ancho B1 de la zona de la roca donde existe el movimiento, dependerá de las características de la roca y de las dimensiones H1 y B del túnel. Ejemplo: Durante la excavación de túnel se encontró una roca caliza con separación entre fisuras muy juntas y sin señales de alteración química. El túnel a excavar en sección tipo baúl tiene un ancho de 6m. y una altura de 7m., el peso unitario del material es de 2.2 T/m2 . Si un perfil I 23 tiene una capacidad para soportar 380 Toneladas. Cada cuánto colocaría el soporte de ser necesario?. Solución: 1. Miramos en cuál de los puntos de la clasificación de Terzaghi, encasilla nuestra información perfectamente. Nuestra información se puede considerar dentro de la clasificación número 6. Hp = 1.10 ( B + Ht ) Hp = 1.10 (6m. + 7m.) Hp = 14.30m. Hp = 46.92 ft. γ mat = 2.2 ton/m2 W=V*γ V = Bt * L Bt= B + Hp * 0.5 Bt = 6m + (14.3m.*0.5) Bt = 13.15m. V = Bt * Hp * L V = 13.15 * 14.3 * L V = 188.05 m2 *L

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W = 188.05 * 2.2 T/m2 W= 413.7 Ton Separación entre arcos = soporta cada arco / peso Separación = 380 / 413.7 = 0.92 m. 3.9.2. Clasificación de Stini y Lauffer Stini en su manual de geología de túneles propuso una clasificación para los macizos rocosos y comentó muchas de las condiciones adversas que pueden encontrarse en la construcción de túneles. Insistió sobre la importancia de los defectos estructurales de la roca y desaconsejó que se excavara paralelo al rumbo de discontinuidades muy inclinadas. Laufer llamó la atención sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo en un túnel. El tiempo de sostén es el lapso durante el cual una excavación será capaz de mantenerse abierta sin ademe, mientras que el claro activo es el claro sin ademe más grande en el túnel entre el frente y los refuerzos.

Figura 3.6. Relación entre claro activo y tiempo de sostén para diferentes clases de roca (según Laufer).

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Figura 3.7 Relación claro activo y tiempo de sostén.

Donde A corresponde a la roca muy buena y G la roca muy mala.

3.9.3. Índice de calidad de roca de Deere En 1964 Deere propuso un índice cuantitativo de la calidad de la roca basado en la recuperación de núcleos con perforación de diamante. Se llama el sistema Roc Quality Designation (RQD) Indice de calidad de Roca, se ha usado en todas partes y se ha comprobado que es muy útil en la clasificación del macizo rocoso, debido a lo sencillo de obtenerlo. La RQD se define como el porcentaje de núcleos que se recuperan en piezas enteras de 100 mm o más del largo total del barreno. RQD (%) = 100 x Longitud de los núcleos mayores de 100 mm Largo del barreno Está normalmente aceptado que en el RQD se establece en núcleos de cuando menos de 50 mm de diámetro, recuperados con una perforadora de diamante de

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doble barril. Esta operación es sencilla y rápida, y se ejecuta conjuntamente con el registro geológico normal del sondeo, casi no aumenta el costo de la exploración. Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico RQD y la calidad de la roca desde el punto de vista de la ingeniería: RQD

CALIDAD DE ROCA

< 25% 25 - 50% 50 - 75% 75 - 90% 90 – 100%

Muy Mala Mala Regular Buena Muy Buena

Cording, Hendron y Deere modificaron el factor de carga de roca de Terzaghi y relacionaron este valor modificado con el RQD como lo muestra la figura para la selección del refuerzo para los túneles.

Figura 3.8 RQD para seleccionar sistema de soporte

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Figura 3.9 Relación aproximada entre factor de carga y RQD

Esta figura sugiere que puede haber una correlación razonable entre el RQD y el factor de carga de roca de Terzaghi para excavaciones con ademe de acero, pero que esta correlación desaparece en el caso de una excavación reforzada con anclas.

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3.9.4. Merrit Merrit hizo un intento de llevar la aplicabilidad del RQD hasta donde pudiera servir para determinar el tipo de ademe necesario en un túnel y su propósito como aparece en la gráfica. Aunque estaba convencido de que el RQD era importante para determinar los sistemas de soporte, él mismo encontró una seria iluminación a su propósito. “El criterio de refuerzos del RQD tiene limitaciones en el caso que haya fracturas con rellenos delgados de arcilla o de material meteorizado. Este caso puede presentarse cerca de la superficie donde la meteorización o las infiltraciones hayan producido arcilla, lo que reduce la resistencia a la fricción a lo largo de los planos de fractura. Esto generará una roca inestables aun si las fisuras están muy separadas una de otra y el valor de la RQD es alto”. 3.9.5. Clasificación CSIR de los Macizos Rocosos Fisurados No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento complejo de la roca que rodea. Por lo tanto, puede ser necesaria alguna combinación de los factores RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización CSIR (Consejo de Africa del Sur para la Investigación Científica e Industrial) propuso una clasificación de este tipo. Bieniawski aconseja que una clasificación de un macizo rocoso fisurado debe: 1. “Dividir el macizo en grupos de comportamiento parecido. 2. Proporcionar una buena base para la comprensión de las características del macizo. 3. Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería y, 4. Proporcionar una base común de comunicación efectiva para todas las personas interesadas en un problema de geomecánica. Este propósito se lograría si la clasificación: 1.

“Es sencilla y significativa en sus términos, y

2.

Se apoyo en parámetros que se dejan medir y pueden establecerse en el campo de manera rápida y económica.

Para cumplir con estos requisitos Blaniwhi propuso originalmente que su “clasificación geomecánica” comprendiera los siguientes parámetros:

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1. RQD (Indice de calidad de la roca) 2. Grado de la meteorización 3. Resistencia a la comprensión uniaxial de la roca inalterada 4. Distancia entre sí de fisuras y estratificación. 5. Orientaciones del rumbo y el echado. 6. Separación de las fisuras 7. Continuidad de las fisuras, e 8. Infiltraciones de aguas subterráneas. Los cinco parámetros básicos de la clasificación son: 1. Resistencia de la Roca Inalterada. Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión de la roca que proponen Deere y Miller. 2. RQD. (Indice de calidad de la roca según Deere). 3. Espaciamiento de Fisuras. El término fisura se utiliza para toda clase de discontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. 4. El Estado de las Fisuras. Este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno de las fisuras. 5. Condiciones del Agua Subterránea. Se hace un intento de medir la influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos de caudal observado que penetra en la excavación. La forma en la que estos parámetros han sido incorporados en la clasificación de Geomecánica CSIR para macizos fisurados se muestra a continuación.

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Tabla 3.9 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA CSIR DE MACIZOS DE ROCA FISURADA A. CLASIFICACIÓN DE LOS PARÁMETRO Y SU EVALUACION PARÁMETRO 1

2

Resistencia de la roca inalterada

Índice de la carga de punta

> 8 Mpa

4 - 8 Mpa

2 - 4 Mpa

1 - 2 Mpa

Resistencia a compresión uniaxial

25 - 50 Mpa

> 200 Mpa

100 - 200 Mpa

50 - 100 Mpa

Valuación

15

12

7

4

Calidad de corazones explosión RQD

90% - 100%

75% - 90%

50% 75%

25% - 50%

3

2

1

20

17

13

8

3

> 3m

1–3m

0.3 - 1 m

50 - 300 mm

< 50 mm

Valuación

30 Superficies muy rugosas, sin continuidad, sin separación. Paredes de roca dura. 25

25

20

5

Superficies algo rugosas, separación < 1mm paredes de roca dura.

Superficies algo rugosas, separación < 1mm paredes de roca suave.

20

12

10 Superficies pulidas o relleno < 5mm. Esp o fisuras abiertas 1 5mm fisuras continuas. 6

< 25 litros/min.

25-12 litros/min

0.0 -0.2

0.2 - 0.5

Sólo húmedo (agua de intersticios). 7

Ligera presión de agua. 4

Relación

Presión de agua o en la fisura

Ninguna

Cero

Esfuerzo principal o mayor

Situación general Valuación

Totalmente seco 10

0

0.5

Serios problemas de agua. 0

B. AJUSTE EN LA VALUACIÓN POR ORIENTACIÓN DE FISURAS ORIENTACIÓN DE RUMBO Y ECHADO DE LAS FISURAS Túneles Valuación Cimentaciones Taludes

MUY FAVORABLE 0 0 0

FAVORABLE REGULAR DESFAVORABLE -2 -2 -5

-5 -7 -25

-10 -15 -50

MUY DESFAVORABLE -12 -25 -60

C. CLASIFICACIÓN DE ROCAS SEGÚN EL TOTAL DE VALUACIÓN VALUACIÓN

100 -81

80 -61

60 - 41

40 - 21

< 20

CLASIFICACIÓN No

I

II

III

IV

V

DESCRIPCIÓN

Muy buena roca Buena roca Roca regular Roca mala Roca muy mala

D. SIGINIFICADO DE LA CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Clasificación No

I

II

III

IV

V

Tiempo Medio de Sostén

10 años para claro de 5 m

6 meses para claro de 4 m

1 semana para claro de 34 m

5 horas para claro de 15 m

10 minutos para claro de 5 m

200-300 Kg Pa

150-200 Kg Pa

100-150 Kg Pa

< 100 Kg Pa

40º - 45º

30º - 35º

30º - 35º

< 30º

Cohesión de la roca. Angulo de fricción de la roca.

> 45º

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Figura 3.10 Relación entre el tiempo de sostén y la clasificación CSIR

Problema: En la excavación de un túnel se encontraron rocas de tipo areniscas, su excavación se hizo perpendicular al rumbo y el buzamiento de esta roca era de 37º, si la resistencia a la compresión inconfinada de ese material es de 150 Mpa, con un R.Q.D. de 90 y estratos con espesores entre 2 y 3 metros. En los planos de estratificación se encontró polvo de roca y en el suelo no hay influencia alguna del agua. Clasificar este macizo rocoso. Según la tabla anterior: •

Resistencia de la roca = 150 Mpa. Valuación = 12

•

R.Q.D. = 90 Valuación = 20

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•

Espaciamiento juntas = 2m - 3m. Valuación = 25

•

Estado de las fisuras = rugosa (arenisca) Valuación = 20

•

Condiciones de agua subterránea = seco Valuación = 10

•

Orientación = Perpendicular, inclinación de 37º . La orientación es favorable. Valuación = -2

El total de las valuaciones es de 85. Lo que nos indica que es una roca muy buena , clasificación I. Tiempo promedio de sostén : 10 años sin sostén para claro de 5m.

3.9.6. Indice de Calidad de Túneles (NGI) Basados en una gran cantidad de casos de estabilidad en excavaciones subterráneas Barton, Lien y Lunde del Instituto de Geotecnia de Noruega (NGI) propusieron un índice para determinar la calidad del macizo en túneles. El valor numérico de este índice Q se define por: Q=

RQD Jr Jw × × Jn Ja SRF

RQD: Indice de calidad de la roca. Jn:

Número de sistemas de fisuras.

Jr:

Número de rugosidad de las fisuras

Ja:

Número de la alteración de las fisuras

Jw:

Factor de reducción por agua en las fisuras

SRF: Factor de reducción por esfuerzos. El primer coeficiente (RQD/Jn) que representa la estructura del macizo es una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores extremos (100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400.

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El segundo cociente (Jr/Ja) representa la rugosidad y las características de la fricción de las paredes de las fisuras o de los materiales de relleno. El tercer cociente (Jw/SRF) consiste en dos parámetros de fuerzas SRF es un valor de 1. La carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas y de roca empacada en arcilla. 2. Los esfuerzos en una roca competente 3. Las cargas comprensivas en rocas plásticas incompetentes. DESCRIPCIÓN 1.

Indice de calidad de roca

VALOR 3.

NOTAS

RQD 1.

A. B. C. D. E. 2.

Muy mala Mala Regular Buena Excelente

Número de Sistemas de Fisuras A. B. C. D. E. F. G. H.

Masivo, sin o con pocas fisuras. Un sistema de fisuras. Un sistema de fisuras + una aislada. Dos sistemas de fisuras. Dos sistemas de fisuras + una aislada. Tres sistemas de fisuras. Tres sistemas de fisuras + una aislada. Cuatro o más sistemas de fisuras, fisuración intensa, etc. I. Roca triturada terregal. Número de rugosidad de las Fisuras.

3.

a) b) A. B. C. D. E. F. G.

0 – 25 25 – 50 50 – 75 75 –90 90 –100 4. 0.5

2. 3.

Donde RQD se reporta o es medido como siendo 50 m). Múltiples zonas de fracturas en roca competente (sin arcilla), roca circundante suelta (cualquier profundidad). Zonas de fracturas aisladas en roca competente (sin arcilla) (profundidad de la excavación < 50 m). Zonas de fracturas aisladas en roca competente (sin arcilla) (profundidad de la excavación < 50 m). Fisuras abiertas sueltas, fisuración intensa (cualquier profundidad)

SRF 10.0 5.0 2.5 7.5 5.0 2.5 2. 5.0 SRF

b) H. I. J. K. L. c)

Roca Competente, problema de esfuerzos Esfuerzo bajo, cerca de la superficie. Esfuerzo mediano Esfuerzo grande, estructura muy cerrada (generalmente favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable) para la estabilidad de las tablas). Desprendido moderado de la roca (roca masiva). Desprendido intenso de la roca (roca masiva). Roca comprensiva, flujo plástico de roca competente bajo la influencia de presiones altas de la roca.

M. N. d) O. P.

Presiones compresivas moderadas. Presiones compresivas altas.

2.5 200-10 13-0.6 1.0 10-5 0.66-0.33 0.5-2

3.

Redúzcanse estos valores SRF de 25-50% si las zonas de fracturas sólo interesan pero no cruzan la excavación. Para un campo virgen de esfuerzos fuertemente anisotrópico (si se mide): cuando 5