fundamentos de mecánica de suelos
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INTRODUCCIN
La cubierta externa de la mayora de la superficie continental de la Tierra es
un agregado de minerales no consolidados y de partculas orgnicas producidas por la
accin combinada del viento, el agua y los procesos de desintegracin orgnica.
Los suelos cambian mucho de un lugar a otro, su composicin qumica y la
estructura fsica en un lugar dado, estn determinadas por el tipo de material
geolgico del que se origina, por la cubierta vegetal, por la cantidad de tiempo en que
ha actuado la meteorizacin, por la topografa y por los cambios artificiales
resultantes de las actividades humanas.
Las variaciones del suelo en la naturaleza son graduales, excepto las
derivadas de desastres naturales; sin embargo, el cultivo de la tierra priva al suelo
de su cubierta vegetal y de gran parte de su proteccin contra la erosin del agua y
del viento, por lo que estos cambios pueden ser ms rpidos
El conocimiento bsico de la textura del suelo es importante para los
ingenieros que construyen edificios, carreteras y otras estructuras sobre y bajo la
superficie terrestre.
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Es menester enfatizar que la mecnica de los suelos tradicional tiene su
gnesis cuando el Doctor Karl Terzaghi, conocido como el padre de la mecnica de
los suelos, por medio de sus grandes obras ilustradas da a conocer los estudios que
elabor en este campo. Ya a partir del ao 1925 en Viena, Karl Terzaghi, estaba
proponiendo uno de sus modelos, para definir las caractersticas mecnicas e
hidrulica de los suelos. Su gran mrito como iniciador, formador y orientador de la
Mecnica de Suelos, se debi a su continuado y permanente esfuerzo por darle una
fundamentacin terica a los conocimientos adquiridos en la realidad de las obras.
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El estudio de Mecnica de Suelos, es una herramienta que proporciona datos
ms confiables de las condiciones del subsuelo, como capacidad de carga,
asentamientos probables y sugerencias acerca del sistema de cimentacin al Ingeniero
Especialista en Estructuras para la realizacin de obras civiles.
Todas las obras de ingeniera civil descansan, de una u otra forma, sobre el
suelo, y muchas de ellas, adems, utilizan la tierra como elemento de construccin
para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su
estabilidad y comportamiento funcional y esttico estarn regidos, entre otros
factores, por la conducta del material de asiento situado dentro de las profundidadesde influencia de los esfuerzos que se generan, o por la del suelo utilizado para
conformar los rellenos. Si se sobrepasan los lmites de la capacidad resistente del
suelo, o si an sin llegar a ellos las deformaciones son considerables, se pueden
producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizs no tomados en
consideracin en el diseo, productores a su vez de deformaciones importantes,
fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el
colapso de la obra o a su inutilizacin y abandono. En consecuencia, las
condiciones del suelo como elemento de sustentacin y construccin y las del
cimiento como dispositivo de transicin entre aqul y la supraestructura, han de ser
siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeos fundados sobre
suelos normales a la vista de datos estadisticos y experiencias locales, y en
proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, a
travs de una correcta investigacin de mecnica de suelos.
Durante los ltimos aos se han estado empleando cada vez ms losvocablos geotcnia y geomecnica para significar la asociacin de las disciplinas
que estudian la corteza terrestre desde el inters de la ingeniera civil, concurriendo
a este vasto campo ciencias como la geologa con sus diversas ramas y la geofsica
con su divisin, la sismologa. A la vista de los tres (3) materiales slidos naturales
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que ocupan nuestra atencin, podemos dividir la geotcnia en: mecnica de suelos,
mecnica de rocas y mecnicas de nieves, noveles especialidades, todas presentadas
en orden de aparicin dentro de las cuales la ltima no tiene cabida en nuestro
medio subtropical. La ms vieja de las nuevas, la mecnica de suelos, ser motivo
de nuestro estudio desde ahora en adelante, no sin antes puntualizar que ella versa
sobre un material heterogneo, dismil de partcula a partcula, donde su contenido
de humedad que puede ser variable con el tiempo ejerce capital influencia sobre su
comportamiento; debiendo aplicarse nuestros conocimientos fsicos-matemticos
para evaluar y predecir su comportamiento. Ardua tarea, distinta a la que realizamos
en otros materiales de construccin tales como el acero y el hormign, donde lascualidades fsicas son impresas a voluntad, con relativa facilidad. a travs de
procesos metalrgicos que ofrecen una amplia gama de productos finales, en el
primer caso, y mediante diseos de mezclas en el segundo, todo en armona con las
necesidades de un proyecto dado.
Sin embargo, esto no ha sido bice para su desarrollo esforzado y acelerado
en los ltimos aos, pese a la utilizacin de teoras e hiptesis de complimiento
parcial o entre rangos determinados. A los que se encuentren demasiado
preocupados por esta situacin les recordamos que aun en el concreto, material
artificial de trabajo disciplinado citado anteriormente como caso antagnico al del
suelo donde se aplican leyes como las de Hooke y Navier que presuponen al
hormign como un cuerpo perfectamente elstico donde las secciones planas, antes
de la deformacin, continan siendo planas durante y despus de la deformacin,
distantes de ser exactas; aceptndose como buenos y vlidos los resultados
obtenidos de su aplicacin.
La Mecnica de Suelos como parte importante de la aplicacin de la
ingeniera civil, est inmersa en el cumplimiento del reto anotado y,
consecuentemente, la reflexin mencionada debe darse en ella, empezando por
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determinar qu cambios deben experimentar las columnas que sustentan al proceso de
enseanza aprendizaje, a saber: infraestructura, normatividad, planes y programas
de estudio, alumnos y profesores. Siendo estos ltimos, sin duda, la columna
vertebral; resulta necesario analizar el papel de los profesores y las caractersticas que
deben poseer en el proceso de formacin de los futuros ingenieros civiles y, por
supuesto en el manejo de los contenidos terico prcticos de la Unidad Curricular
Mecnicos de Suelos, con los conocimientos, las herramientas y las actitudes que
garanticen el desarrollo integral de los futuros egresados en esta rea acadmica, para
que de esta manera puedan satisfacer con plenitud el reto planteado. Considerando
las palabras de Terzaghi, quien slo conoce la teora de la Mecnica de Suelos ycarece de experiencia prctica puede ser un peligro pblico, se debe tomar en cuenta
la ardua labor encomendada a estos especialistas.
El presente trabajo pretende cubrir los aspectos introductorios, abarcando el
contenido programtico de un curso de Mecnica de los Suelos de pregrado.
El objetivo principal de esta obra es la presentacin gradual, clara y completa
de los fundamentos de esta importante rama de la Ingeniera. Antesala obligada paraestudiar, analizar, resolver e interpretar cualquier problema que involucre al suelo,
tanto como material de soporte como de construccin, en otros trminos, enfrentar la
resolucin de problemas especficos.
Se presenta en esta obra, desde los problemas planteados en la ingeniera civil,
la composicin y las caractersticas de los ndices de los suelos, las distribuciones de
presiones con la profundidad, las propiedades hidrulicas y mecnicas.
Se considera esencial e importante los conocimientos previos a esta
asignatura, tales como las Unidades Curriculares: Geologa, Mecnica de los Fluidos,
Resistencia de Materiales, Matemticas, pues son bases terico prcticas que
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facilitarn la compresin de los aspectos abarcados en el contenido programtico
presentado de la Unidad Curricular: Mecnica de Suelos.
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CCAAPPTTUULLOOII
EL PROBLEMAPlanteamiento del Problema
En el siglo XXI, puede destacarse la aparicin de una serie de innovaciones
tecnolgicas, humansticas, cientficas, educativas, entre otras; el auge acelerado de
nuevos conocimientos ha sido calificado, entre otros, por Moreno (2001), como del
conocimiento y de la informacin, por tal motivo, se hace necesaria la reflexin
sobre las modificaciones y las adecuaciones en la educacin, sobre todo en la
educacin superior, con el propsito de que los egresados de pregrado respondanplenamente a las necesidades que se generen en el rea especfica de cada profesin.
Este mismo autor, seala que en las distintas reas de la ingeniera y,
especficamente, en la ingeniera civil, se contempla que todo estudiante debe
cumplir, sin duda, con sus objetivos y con sus metas; el reto al que se enfrenta el
profesional es: Hacer ms de lo realizado en el pasado en menor tiempo del hasta
ahora empleado, en un marco de rigidez econmica, en un ambiente en que la
aparicin y desaparicin de tecnologas se produce cada da con mayor rapidez,enfrentando en general obras tecnolgicamente ms difciles y en una afortunada y
creciente competencia internacional.
La justificacin e importancia de este trabajo, es la recopilacin de todo el
contenido programtico que se imparte en la Universidad Nacional Experimental
Francisco de Miranda, en un slo tomo que incluye hojas de clculo de Microsoft
Excel para la obtencin de resultados de las prcticas de Laboratorio de Mecnica de
los Suelos, de manera rpida prctica y sencilla para los estudiantes y losprofesionales de la ingeniera; al mismo tiempo esta informacin estar a disposicin
en la pgina web de la UNEFM (http://edi2.unefm.edu.ve/jlm/Web/).
Lo anteriormente expuesto ha surgido con el claro propsito de emitir una
respuesta cnsona con las necesidades observadas en esta unidad curricular, ya que en
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esta casa de estudios (Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda),
la bibliografa de esta asignatura es escasa y dispersa.
OBJETIVOS
Objetivo General
Disear un Manual de Fundamentos Especficos de la Unidad Curricular
Mecnica de Suelos, para el Programa de Ingeniera Civil de la
Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda.
Objetivos Especficos
Recopilar informacin terico prctica en un slo tomo de Fundamentos
Especficos de la Unidad Curricular Mecnica de Suelos, para el Programa
de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional Experimental Francisco de
Miranda.
Transformar en formato PDF el contenido del tomo de Fundamentos
Especficos de la Unidad Curricular Mecnica de Suelos para enlazarlo en
la pgina web de la UNEFM (http://edi2.unefm.edu.ve/jlm/Web/ ).
Crear hojas de clculos con base en las especificaciones ASTM y
AASTHO para facilitar los clculos de las respectivas hojas de registro de
cada una de las prcticas de Laboratorio de Mecnica de Suelos.
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CAPTULO II
MARCO TERICO
Aportes de diversos hombres de ciencia: precursores y contribuyentes modernos
de la mecnica de suelos
La tierra, uno de los elementos ms abundantes en la Naturaleza, ya sealado
por los antiguos como uno de los cuatro (4) bsicos que componen nuestro
inmemoriales como material de construccin. En su manejo y utilizacin, el anlisis
cientfico ha ido reemplazando gradualmente a las reglas intuitivas, siendo el estado
actual del conocimiento la suma de los aportes de diversos cientficos, fsicos,
matemticos e ingenieros, que desde el pretrito fueron forjando, sin saberlo, una
nueva ciencia, nutrida por sus investigaciones. Entre estos pioneros cabe destacar los
nombres de:
Carlos A. de Coulomb (1736-1806)
Alexander Collin ( ) Toms Telford (1757-1834)
Juan V. Poncelet (1788-1867)
Guillermo Rankine (1820-1872)
Karl Culmann (1821-1881)
O. Mohr (1835-1918)
Jos V. Boussinesq (1842-1929)
Coulomb, Poncelet, Collin y Rankine aportaron valiosas experiencias en el
anlisis de presiones de tierras. Las contribuciones del ingeniero militar francs
Coulomb tienen todava vigencia, en friccin, electricidad y magnetismo. Poncelet
ofreci en 1840 un mtodo grfico para la determinacin directa de la superficie de
falla y las presiones de tierra activa y pasiva. Collin public en 1846 su trabajo
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"Recherches Exprimentales sur les Glissements Spontans des Terrains Argileux".
Guillermo M. Rankine fue un ingeniero y fsico escocs que se distingui, tambin,
por sus trabajos en termodinmica.
Culmann le dio una solucin grfica a la teora Coulomb - Poncelet,
permitiendo la resolucin de problemas complejos de presiones de tierras.
Toms Telford fue un ingeniero ingls, constructor de puentes, puertos y
canales, primer presidente de la Asociacin Britnica de Ingenieros Civiles, en 1820.
Sus investigaciones le llevaron a desarrollar una modalidad de pavimentos.
Mohr ide un mtodo grfico para representar esfuerzos normales y
tangenciales actuantes en planos inclinados, cuando el material se somete a esfuerzos
biaxiales, de til aplicacin en el campo de los suelos.
De Boussinesq hemos aprovechado sus ecuaciones para establecer los valores
de las componentes verticales de esfuerzos generados por la aplicacin de cargas.
Dos (2) nombres no incluidos en la relacin de precursores antiguos y que
merecen ser citados son los G. G. Stokes, quien enunci una ley que rige el descenso
de una esfera en un lquido, fundamento del ensayo granulomtrico por
sedimentacin y el del fsico francs H. Darcy autor, en 1856, de una ley bsica para
el estudio del flujo del agua en los suelos.
Entre los principales contribuyentes modernos tenemos a:
Karl Terzaghi (1883-1963)
A. Atterberg ( )
Wolmar Fellenius (1876-1957)
Arturo Casagrande (1902-1981)
Laurits Bjerrum (1918-1973)
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A. W. Skempton (1914- )
Karl Terzaghi, el padre indiscutible de la mecnica de suelos, naci en Praga,
Checoslovaquia, y muri en los Estados Unidos de Norteamrica, a los ochenta (80)
aos de edad. Trabaj en Austria, Hungra y Rusia, de 1915 a 1911. Fue profesor del
Robert College de Constantinopla, de 1915 a 1925. Ense ingeniera de fundaciones
en el Instituto Tecnolgico de Massachusetts, entre 1925 a 1929, dedicndose
simultneamente a la prctica consultiva en Norte y Centro Amrica. Catedrtico en
Viena, de 1929 a 1938, comenz a laborar a partir de este ltimo ao con la
Universidad de Harvard. Su obra "Erdbaumechanik", publicada en 1925, en Viena yen idioma alemn, marc el nacimiento de una nueva disciplina.
A. Atterberg, sueco, estableci una serie de ensayos para determinar el
comportamiento plstico de los suelos cohesivos, de amplia difusin mundial, hoy en
da, en cuyos resultados estn basados todos los sistema de clasificacin ideados.
Fellenius, trabajando para la Comisin Geotcnica de los Ferrocarriles del
Estado Sueco, cre un mtodo para analizar y disear taludes que se designa con suapellido o es denominado "Mtodo Sueco", el cual se ha convertido en el
procedimiento indispensable para el estudio de taludes de presas, carreteras o de
cualquier otro tipo.
Arturo Casagrande, alemn de origen, emigr a los EE.UU. en 1926. Alumno
sobresaliente y compaero de Terzaghi, es despus del maestro la figura ms
relevante en la mecnica de suelos; siendo notables sus contribuciones en equipos y
sistemas al estudio de la plasticidad, consolidacin y clasificacin de los suelos.Organiz junto al Dr. Terzaghi el Primer Congreso de Mecnica de Suelos y
Fundaciones, celebrado en la Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts, en
el ao de 1936, habiendo sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de
Suelos y Cimentaciones.
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Bjerrum naci y estudi en Dinamarca. Labor en Suiza y en su pas natal,
siendo el primer director, en 1951, del Instituto Geotcnico Noruego. De esa poca
son sus valiosas investigaciones en torno a la resistencia al corte de los suelos y de
modo especial sobre la sensibilidad de las arcillas.
Skempton, nacido en Inglaterra, es profesor del colegio Imperial de la
Universidad de Londres, donde introdujo la enseanza de la mecnica de suelos. Ha
sido presidente de la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos y Fundaciones.
Sus contribuciones han discurrido sobre presiones efectivas, capacidad de carga y
estabilidad de taludes.
Casos mundiales en los que hizo falta la aplicacin de la mecnica de suelos
Dos (2) de las obras de construccin de carcter monumental en el mbito
mundial donde se hizo pattica la ausencia de los postulados de la mecnica de
suelos moderna son la Torre de Pisa y el canal de Panam. La llamada Torre
Inclinada de Pisa fue comenzada por Bonno Pisano en el 1174 y terminada en la
segunda mitad del Siglo XIV. Con una altura de cuarenta y cinco (45) metros y unpeso total de 14,500 toneladas, su cimentacin anular transmite presiones al
subsuelo del orden de 5 Kg/cm. Fundada sobre capas alternadas de arena y arcilla,
su inclinacin comenz a producirse desde la poca de su construccin como
consecuencia de presiones diferenciales de los suelos afectados, observndose en la
actualidad una separacin entre la vertical y el eje longitudinal de la torre de 4.90 m
en su parte ms alta.
Una estructura parecida construida en Venecia, de 100 m de altura, sedesplom en 1902 cuando su inclinacin era de apenas 0.8%. Una nueva torre,
existente, fue erigida en el lugar de la antigua, con una cimentacin ms grande.
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El primer intento por construir un canal artificial que uniese los ocanos
Atlntico y Pacfico fue realizado por el Ing. Francs Fernando de Lesseps, en el
1881, quien antes haba llevado a cabo el Canal de Suez. Pero no fue hasta el ao
1914 que el canal de navegacin solucionado por los norteamericanos mediante un
sistema de esclusas pudo ser puesto en servicios, despus de lograr el saneamiento
de la zona de la fiebre amarilla y la malaria. El costo final de la obra fue de 380
millones de dlares, suma superior a la estimada en el presupuesto. Se excavaron
315 millones de metros cbicos de material, en los 82.5 Km. de longitud del canal,
de los cuales 129 millones correspondieron al corte de Gaillard. La construccin de
caracteriz por grandes deslizamientos en las formaciones denominadas "culebra" y"cucaracha", estando constituida esta ltima por arenisca arcillosa estructuralmente
dbil. Las fallas se siguieron produciendo aos despus de la inauguracin del canal
provocando el cierre temporal por perodos ms o menos largos. La estabilidad
actual de las laderas del canal plantea un problema de resistencia a largo tiempo,
donde las respuestas hay que buscarlas en la asociacin de la geologa y la
mecnica de suelos.
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UNIDAD I
Problemas Planteados por el Terreno en la Ingeniera Civil.
En su trabajo prctico el Ingeniero Civil ha de enfrentarse con muy diversos e
importantes problemas planteados por el terreno. El terreno le sirve de cimentacin
para soportar estructuras y terraplenes; emplea el suelo como material de
construccin; debe proyectar estructuras para la retencin o sostenimiento del terreno
en excavaciones y cavidades subterrneas y el suelo interviene en gran nmero de
problemas particulares. El Ingeniero debe buscar y estudiar la manera de poder
resolver los problemas al trabajar con suelos.
Cimentaciones
Prcticamente todas las estructuras de ingeniera civil, edificios, puentes,
carreteras, tneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la
superficie de la tierra o dentro de ella. Para que una estructura se comporte
satisfactoriamente debe poseer una cimentacin adecuada.
Cuando el terreno firme est prximo a la superficie, una forma viable de
transmitir al terreno las cargas concentradas es mediantezapatas (Figura I-1).
Figura I-1. Edificio con cimentacin superficial por zapatas
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
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Cuando el terreno firme no est prximo a la superficie, un sistema habitual
para transmitir el peso de una estructura al terreno es mediante elementos verticales
como pilotes ((Figura I-2), cajones o pilas. Estos trminos no tienen una clara
definicin que los distinga unos de otros. En general los cajones y pilas son de mayor
dimetro que los pilotes y requieren una tcnica particular de excavacin, mientras
que los pilotes se suelen hincar por golpeo (Lambe y Whitman, 1976). El peso del
edificio se transmite a travs del suelo blando hasta una base firme que est debajo
sin que prcticamente ninguna parte de la carga del edificio descanse sobre el terreno
blando.
Figura I-2. Edificio cimentado sobre pilotes
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
El problema de proyectar con xito una cimentacin es mucho ms amplio quela simple fijacin de tamaos para las zapatas o la eleccin del nmero correcto y el
tamao de los pilotes.
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En muchos casos, el costo de la cimentacin de un edificio se puede reducir
mucho, aplicando al suelo ciertos tratamientos.
1. Qu es una cimentacin?
Una cimentacin es todo aquello cuyo comportamiento estudia el ingeniero
con el fin de proporcionar un apoyo satisfactorio y econmico a una estructura y se
puede referir tanto al terreno situado bajo la estructura como a cualquier elemento que
sirva para transmitir las cargas. (Whitman. 1976)
2. Cmo se puede emplear la palabra cimentacin?
Segn Lambe y Whitman, 1976, la palabra cimentacin se emplea para
describir el material que soporta cualquier tipo de estructura como un edificio, presa,
terrapln de carretera o aeropista.
En la actualidad el trmino cimentacin superficial se emplea para describir un
sistema constructivo en el que las cargas de la estructura se transmiten directamente
al terreno situado bajo la misma, y el de cimentacin profunda se aplica a aquellos
casos en los que se emplean pilotes, cajones o pilas para transmitir las cargas a un
terreno firme situado a cierta profundidad.
Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos de suelo o de roca
situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga,
con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. El hecho de llevar la
cimentacin hasta el primer estrato resistente que se encuentre no es suficiente,
aunque esta sea la decisin que a menudo se toma, pues la cimentacin profunda debe
analizarse de la misma manera que la que es poco profunda. Como la cimentacin
superficial, tambin la cimentacin profunda, incluyendo los estratos de suelo o roca
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situados debajo, deben ofrecer seguridad y no asentarse excesivamente por efecto de
las cargas de la estructura que soportan.
Hay dos formas de cimentaciones profundas generalmente aceptadas: pilotes y
pilares. Los pilotes son fustes relativamente largos y esbeltos que se introducen en el
terreno. Aunque algunas veces se hinca en el terreno pilotes hasta de 1.50m de
dimetro, por lo general sus dimetros son inferiores a 60 cms. Los pilares son de
mayor dimetro y se construyen excavando y, por lo general, permiten una inspeccin
ocular del suelo o roca donde se apoyaran. Los pilares son en realidad cimentaciones
por superficie o sobre placa a gran profundidad. No se puede hacer una distincinprecisa entre pilotes y pilares, porque hay cimentaciones que combinan las
caractersticas de ambas.
Desarrollo y uso de los pilotes
Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12000 aos los
habitantes neolticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de
lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos y a alturas suficiente paraprotegerlos de los animales que merodeaban y de los guerreros vecinos. Estructuras
similares estn actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de la Amrica
del Sur. Venecia fue construida sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del ro
Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al
mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia. Los
descubridores espaoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa pequea
Venecia, porque los indios vivan en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas
que rodean las costas del lago Maracaibo. En la actualidad las cimentaciones de
pilotes tienen el mismo propsito: hacer posible las construcciones de casas y
mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son
favorables.
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Uso de los pilotes
Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las
cimentaciones son los ms comunes. Estos pilotes transmiten la carga de la estructura
a travs de estratos blandos a suelos ms fuertes e incompresibles o a la roca que se
encuentre debajo o distribuyen la carga a travs de los estratos blandos que no son
capaces de resistir la concentracin de la carga de un cimiento poco profundo. Los
pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo
puedan ser socavados por la accin de las corrientes o las olas o en los muelles y
puentes que se construyen en el agua.
Los pilotes de traccin se usan para resistir fuerzas hacia arriba, como en las
estructuras sometidas a subpresion, tales son los edificios cuyos basamentos estn
situados por debajo del nivel fretico, las obras de proteccin de presas o los tanques
soterrados. Tambin se emplean para resistir el vuelco en muros y presas y como
anclaje de los cables que sirven de contravientos en las torres o retenidas en los muros
anclados y en las torres.
Los pilotes cargados lateralmente soportan las cargas aplicadas
perpendicularmente al eje del pilote y se usan en cimentaciones sometidas a fuerzas
horizontales, como son los muros de sostenimiento de tierras, los puentes, las presas y
los muelles y como defensas y duques de alba en las obras de los puertos. Si las
cargas laterales son grandes, los pilotes inclinados pueden resistirlas ms
eficazmente. Estos son pilotes que se hincan con un cierto ngulo. Frecuentemente se
usa una combinacin de pilotes verticales e inclinados (ver figura II.2.1.).
Los pilotes se usan algunas veces para compactar el suelo o como drenes
verticales en estratos de baja permeabilidad. Los pilotes colocados muy prximos
unos de otros y las tablescas anchas y delgadas unidas entre si, se usan como muros
de sostenimiento de tierras, presas temporales o mamparas contra filtraciones.
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Figura I-2.1. Edificio cimentado sobre combinacin de pilotes verticales e inclinados.
Fuente: Ivan F. 2003.
Mecnica de los suelos
En la actualidad el estudio de la Mecnica de los Suelos est orientado en dos
direcciones mundialmente conocidas como mecnica de suelos no-saturados y
mecnica de suelos saturados, con el propsito de conocer el comportamiento de cada
uno de ellos y buscar las mejores soluciones que resuelvan los problemas que
comnmente se presentan.
Mecnica de Suelos Saturados y No Saturados es usada en trminos, teoras y
formulaciones que son aplicadas a la gran mayora de las condiciones del sueloencontradas en las prcticas ingenieriles; las teoras y formulaciones que abarcan la
parte no saturada del perfil del suelo tienen a los suelos no saturados como un caso
especial.
El desarrollo de una aproximacin racional para la comprensin del
comportamiento de los Suelos No Saturados, tienen su principal basamento en
el hecho que en las ciudades de clima rido se presentan problemas asociados
con cambios de volumen en respuesta a cambios en el contenido de agua de
los mismos, que conducen a daos en las estructuras cimentadas sobre estos
suelos.
En regiones hmedas el nivel fretico puede estar cercano a la superficie del
terreno y en las regiones ridas el nivel fretico puede estar muy profundo.
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Bajo el nivel fretico, la presin poro agua es positiva y los suelos son
saturados mientras que sobre el nivel fretico la presin poro agua es
negativa y los suelos son no saturados. (ver figura I-3 y figura I-4).
La Mecnica de Suelos Saturados y No Saturados est categorizada segn el
tipo del problema ingenieril presentado pero siempre englobando las reas
tradicionalmente clsicas y de vital importancia como lo son el esfuerzo
cortante, las filtraciones y los cambios de volumen.
En la Mecnica de Suelos Saturados, el principio de esfuerzo efectivo ( - u w)
es un elemento clave para entender el comportamiento de estos suelos,
mientras que en los Suelos No Saturados, son la succin matricial (ua u w) y
el esfuerzo normal neto ( u a) las variables independientes de los cambios
volumtricos. Ellas en conjunto, para cada tipo de suelo, generan superficies
constitutivas que relacionan las propiedades del mismo (ver figura I-5)
Figura I-3. Visualizacin generalizada de la mecnica de suelos
Fuente: Chirinos y Garca (1999)
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Figura I-4. Comparacin de las condiciones de los suelos saturados y no saturados.
Fuente: Chirinos y Garca (1999)
Figura I-5. Categorizacin de la Mecnica de Suelos.
Fuente: Fredlund y Rahardjo (1993)
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Definicin de la Mecnica de Suelos Saturados o Tradicional.
Badillo y Rico, 1976, sealan la definicin segn Terzaghi, como la aplicacin
de las leyes de la mecnica y la hidrulica a los problemas de ingeniera que tratan
con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partculas slidas,
producidas por la desintegracin mecnica y descomposicin qumica de las rocas,
independientemente de que tengan o no contenido de materia orgnica.
Proceso de resolucin de los problemas de mecnica de suelos planteados
en ingeniera civil.
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
Aunque casi todos los problemas de suelos son, en alto grado, estticamente
indeterminados. Aun es ms importante el hecho de que los depsitos de suelos
naturales presentan cinco caractersticas que originan complicaciones:
1. Un suelo no posee una relacin lineal o nica de esfuerzo deformacin
2. El comportamiento del suelo depende de la presin, tiempo y del medio fsico
3. El suelo es diferente, prcticamente, en cada lugar.
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4. En casi todos los casos la masa del suelo que interviene en un problema esta
bajo la superficie y no puede observarse en su totalidad, sino que se debe
estudiar a partir de pequeas muestras obtenidas en puntos localizados
5. La mayora de los suelos son muy susceptibles a alterarse, debido a la toma de
muestras, por lo que el comportamiento medido en pruebas de laboratorio
puede ser diferente del suelo in situ.
Estos factores se combinan para hacer que cada problema de suelos sea
particular y, para todos los efectos prcticos, imposible de una solucin exacta.
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ANEXO I-1
Ejemplo de Problemas Planteados por el Terreno en la Ingeniera Civil.
Este podra ser uno de los casos ms clsico de malas condiciones de
cimentacin en la ciudad de Mxico. En sta, por ejemplo, el edificio de Bellas Artes
que aparece en la figura I-6, se mantiene en servicio aunque se ha hundido 3.60 m.
respecto al terreno circundante. Los visitantes que antiguamente tenan que subir
escaleras hasta la planta baja, deben bajarlas ahora hasta la misma, debido a los
grandes asentamientos.
Figura I-6. Palacio de las Bellas Artes, Ciudad de Mxico.
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
ANEXO I-2
Ejemplo de cimentacin superficial.
La figura I-7, muestra el centro de Estudiantes del Massachussets Intitute
Tecnology (M.I.T.) que tiene una cimentacin superficial formada por una placa
continua bajo todo el edificio. Es lo que se denomina una cimentacin por placa o
por loza corrida.
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Si se hubiera construido este edificio con su carga total de 37.000 ton sobre la
superficie del terreno, se habra producido un asentamiento de aproximadamente 0.30
m debido a la consolidacin del terreno blando superior. Un asentamiento de esta
magnitud habra daado la estructura.
Figura I-7. Edificio con cimentacin superficial por placa
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
En estos casos particulares y antes de tomar una decisin sobre cual sistema de
cimentacin a emplear, el ingeniero proyectista deber de responder a cuestiones
como las siguientes:
1. A qu profundidad debera cimentarse el edificio en el terreno?
2. Habra que proteger la excavacin mediante un muro o pantalla durante la
construccin, para evitar la penetracin o desprendimiento del terreno?
3. Sera necesario abatir el nivel fretico (drenaje) para excavar y construir la
cimentacin? Y, en caso afirmativo, qu mtodos deberan emplearse paraello?
4. Habra peligro de daos a los edificios adyacentes?
5. Cunto se asentar el edificio terminado? Sera uniforme este asentamiento?
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6. Qu esfuerzo y distribucin de los mismos deberan considerarse para el
proyecto de la placa de cimentacin?
ANEXO I-3
Ejemplo de cimentacin por pilotes
La figura I-8, muestra el Centro de Materiales de M.I.T., con cimentacin
profunda sobre pilotes. El terreno de la zona es semejante al del Centro de
Estudiantes, con la importante excepcin de que, en este caso, existe muy poca o
ninguna arena y grava.
Figura I-8. Edificio con cimentacin profunda por pilotes
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
Las razones principales por las cuales el Centro de Materiales se ciment sobre
pilotes apoyados en el terreno firme, en lugar de recurrir a una cimentacin flotante,fueron:
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1. La funcin a que estaba destinado el Centro de Materiales era tal, que no
resultaba aconsejable que la planta baja quedara por debajo de la superficie
del terreno.
2. No exista prcticamente arena y grava sobre la cual colocar la placa.
3. Los mltiples servicios subterrneos, en especial un gran tnel de vapor que
atravesaba la zona, habran hecho la construccin de la placa cara y difcil.
Entre las cuestiones con que se enfrenta el ingeniero en el proyecto y
construccin de una cimentacin por pilotes estn:
1. Qu tipo de pilote debe utilizarse?
2. Cul es la carga mxima admisible por pilote?
3. Con qu separacin deben colocarse los pilotes?
4. Qu mtodo de colocacin debe utilizarse?
5. Qu variacin respecto a la vertical puede permitirse en un pilote?
6. Cul es la secuencia ptima en la colocacin de pilotes?
7. Tendra el hincado de pilotes alguna influencia sobre estructuras adyacentes?
ANEXO I-4
Ejemplo de un terrapln sobre terreno blando
La figura I-9, muestra un terrapln de 10 m de altura colocado sobre una capa
de suelo blando de 9.60 m de espesor, la idea original era colocar deposito de 15 m de
dimetro y 17 m de altura.
Si se hubiera colocado el depsito sobre el terreno blando, sin una cimentacin
especial, se habra producido un asentamiento superior a 1.50 m. Aunque un depsito
metlico es una estructura flexible, un asentamiento de 1.50 m es demasiado grande
para que sea admisible.
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Los estudios geotcnicos realizados mostraron que una solucin muy
econmica era con la tcnica de laprecarga osobrecarga previa.
Entre las cuestiones a tener en cuenta para esta obra pueden citarse:
1. Qu altura podra alcanzar el terrapln?
2. Con qu rapidez se podra construir el mismo?
3. Cules seran los taludes mnimos del terrapln?
4. Podra colocarse el terrapln sin emplear mtodos especiales para contener o
drenar el terreno blando?
5. Cunto se asentara el terrapln?
6. Durante cunto tiempo debera dejarse el terrapln con el objeto de que el
terreno se consolidara lo suficiente para permitir la construccin y buen
funcionamiento del depsito?
Figura I-9. Terrapln sobre un suelo blando
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
ANEXO I-5
Ejemplo de levantamiento de una cimentacin.
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El ingeniero no slo se enfrenta con problemas referentes a asentamientos sino
tambin con casos de movimiento ascensional (levantamiento) de estructuras. Los
problemas de levantamiento se producen cuando el terreno se expande (suelos
expansivos), al disminuir la presin de las tierras que lo confinan superiormente y/o
cuando aumenta la humedad del suelo.
Los problemas de levantamiento o hinchamiento son bastante generales y de
importancia econmica en aquellos pases que tienen regiones ridas, como por
ejemplo Egipto, Israel, frica del Sur, Espaa, el Suroeste de los Estados Unidos y
Venezuela. En tales zonas, los suelos se secan y contraen con el clima rido,hinchndose al existir nuevamente humedad.
La figura I-10, muestra una estructura ligera construida en Coro, Venezuela. En
la zona de Coro el terreno es muy expansivo, conteniendo el mineral denominado
montmorilonita.
Figura I-10. Edificio cimentado en un terreno expansivo
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
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ANEXO I-6
Aplicaciones de la Mecnica de Suelos
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REFERENCIAS
Badillo J. y Rodrguez R. 1976. Mecnica de Suelos. Tomo I Fundamentos de laMecnica de Suelos. 3 Edicin. Editorial Limusa. Mxico
Chirinos E. y Garca J. 1999. Prediccin de Cambios Volumtricos en los SuelosArcillosos de Coro. Bajo el Parmetro de Succin, Trabajo Especial de Gradopara Ingeniero Civil, Universidad Nacional Experimental Francisco deMiranda, Coro, Venezuela.
Fredlund, D.G and Rahardjo. 1993. Soil Mechanics for Unsaturated Soils. John Wiley
& Sons, Inc.
Ivan F. 2003. Ingeniera Civil y Arquitectura. Pilotaje. Cimentaciones Profundas.Construaprende. (Documento en lnea). Disponible en:http://www.construaprende.com/Trabajos/T3/Pilotajecim.html. (23 de marzode 2004).
Lambe, T.W y Whitman, R.V. 1976. Mecnica de Suelos. Editorial. Limusa.Mxico.
Manual de Trabajo de Grado de Especializacin, Maestra y Tesis Doctorales. 1998.
Universidad Pedaggica Experimental Libertador. Venezuela.
Terzaghi, K. 1943. Theoretical Soil Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. New York,U.S.A
Terzaghi K. y Peck R. 1955. Mecnica de Suelos en la Ingeniera Prctica. EditorialEl Ateneo S.A. Barcelona, Espaa.
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UNIDAD II
Origen, naturaleza de los suelos y las rocas
Origen de los suelos
El globo terrestre esta constituido por un ncleo de una densidad media muy
alta, este ncleo se encuentra rodeado por un manto fluido, el magma. Envolviendo
este manto se encuentra la corteza terrestre. Suprayaciendo a la corteza terrestre
existe una pequea capa formada por la desintegracin mecnica y descomposicin
qumica de las rocas, lo que constituye lo que se conoce como suelo, del cual se trata
en la Mecnica de Suelos.
El ingeniero civil clasifica los materiales que constituyen la corteza terrestre
en dos categoras: sueloy roca.
Suelo
Es la cubierta superficial de la mayora de la superficie continental de la Tierra. Es unagregado de minerales no consolidados y de partculas orgnicas producidas por la
accin combinada del viento, el agua y los procesos de desintegracin orgnica; es
fcilmente removible por medios manuales o mecnicos de poca intensidad y que se
encuentra sobre roca fija.
Los suelos cambian mucho de un lugar a otro. La composicin qumica y la estructura
fsica del suelo en un lugar dado, estn determinadas por el tipo de material geolgico
del que se origina, por la cubierta vegetal, por la cantidad de tiempo en que ha
actuado la meteorizacin, por la topografa y por los cambios artificiales resultantes
de las actividades humanas. Las variaciones del suelo en la naturaleza son graduales,
excepto las derivadas de desastres naturales.
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Roca
Es un agregado de minerales unidos por fuerzas cohesivas poderosas y permanentes,
que solo puede ser excavado mediante el uso de taladros, explosivos u otro mtodo de
fuerza bruta.
Todos los suelos tienen su origen, directa o indirectamente, en las rocas
slidas, que se clasifican de acuerdo con su proceso de formacin en tres grandes
grupos: gneas (o eruptivas), sedimentarias y metamrficas.
Rocas, origen y clasificacin
Las rocas pueden estar constituidas por partculas minerales agregadas del
mismo gnero, o de distinta estructura cristalina y composicin qumica. En general,
las rocas estn formadas por varias especies minerales o rocas compuestas. Cuando
las rocas estn formadas por una sola especie mineral se llaman rocas simples. Los
minerales que constituyen las rocas se dividen en esenciales, accesorios y
secundarios. Los esenciales definen el tipo de roca de que se trata; los accesorios son
materias que pueden o no estar presentes; y los secundarios son aquellos minerales
que aparecen en escasa cantidad. La informacin sobre la petrognesis de las rocas, se
obtiene mayormente atendiendo a la estructura y textura, adems de la que
complementariamente proporcionan la composicin qumica y mineralgica.
Clasificacin de las Rocas
Segn sus orgenes, las rocas se clasifican en gneas o magmticas (rocas
gneas intrusitas y rocas volcnicas o gneas extrusivas), metamrficas y
sedimentarias.
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Rocas gneas
Se originan a partir de un magma (rocas fundidas a muy alta temperatura). El
trmino gneo deriva del latn igneus, es decir, ardiente. Las rocas gneas se
solidifican cuando se enfra el magma, sea bajo tierra o en la superficie. Las ms
antiguas tienen al menos 3.960 millones de aos, mientras que las ms jvenes
apenas se estn formando en estos momentos. El granito es la roca gnea ms
corriente, aunque existen ms de 600 tipos. Hay dos tipos de rocas gneas que se
distinguen porque en un caso el magma alcanza la superficie terrestre antes de
enfriarse y endurecerse, y en el otro no. El magma que cristaliza bajo tierra formarocas gneas intrusivas. El que alcanza la superficie antes de solidificarse forma las
rocas gneas extrusivas.
Rocas gneas intrusitas
Las rocas gneas que se forman en profundidad se enfran ms lentamente que
las formadas en superficie, por lo que tienden a ser de grano ms grueso y no
contienen inclusiones gaseosas o de vidrio. Los grandes cristales normalmente se
empaquetan de forma compacta, confiriendo un aspecto granuloso a la roca. Hay dos
tipos de rocas gneas intrusivas. Las hipoabisales se forman justo debajo de la
superficie, normalmente en diques y sills. Las rocas plutnicas se forman a mayor
profundidad y se emplazan en forma de plutones y batolitos. Las rocas gneas
intrusivas quedan expuestas a la superficie si las rocas que las cubren desaparecen por
efecto de la erosin.
Rocas gneas extrusivasSi el magma alcanza la superficie terrestre antes de enfriarse, forma rocas
gneas extrusivas de grano fino, tambin llamadas rocas volcnicas, ya que el magma
surge por los volcanes. Las rocas gneas extrusivas tienen formas fluidas y cristales
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de poco tamao que crecen rpidamente, y suelen contener inclusiones de vidrio y de
gas.
Composicin
Las rocas gneas estn compuestas esencialmente por silicatos, generalmente
ortosa, plagioclasa, cuarzo, mica biotita, olivino, anfboles y piroxenos. Cada tipo de
roca gnea contiene distintas proporciones de estos minerales.
Clasificacin
Las rocas gneas se clasifican segn la cantidad de slice que contienen.
Tambin se pueden agrupar por el tamao de los cristales. El tipo de magma, la forma
en que viaja hasta la superficie y la velocidad de enfriamiento determinan la
composicin y caractersticas como el tamao del grano, la forma de los cristales y el
color. El tamao del grano indica si una roca gnea es intrusiva (de grano grueso) o
extrusiva (de grano fino). Las primeras, como el gabro, tienen cristales de ms de 5
mm de dimetro; las rocas de grano medio, como la dolerita, tienen cristales de entre
0,5 y 5 mm de tamao; por ltimo, las de grano fino, como el basalto, tienen cristalesde menos de 0,5 mm. La forma de los cristales es otro indicador del origen de la roca.
Un enfriamiento lento permite que los minerales tengan tiempo de desarrollar
cristales bien formados (idiomrficos). Un enfriamiento rpido slo permite la
aparicin de cristales mal formados (alotriomrficos). El color puede ayudar a
establecer la composicin qumica de una roca. Las cidas de color claro contienen
ms del 65 por ciento de slice. Las bsicas son oscuras, tienen un bajo contenido en
slice y una mayor proporcin de minerales ferromagnesianos oscuros y densos como
la augita. Las intermedias se sitan entre las dos anteriores en cuanto a composicin
y, por lo tanto, tambin en color.
La figura II-1, muestra algunos tipos de rocas gneas y la Figura II-1.1
muestra la intemperizacin del granito
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Figura II-1. Tipos de Rocas gneas
Fuente: Grupo Geotecnia, 2003.
Figura II-1.1 La intemperizacion del granito
Fuente: Witlow, 1994.
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Rocas sedimentarias
Se forman en la superficie terrestre o cerca de ella. Normalmente, la roca sefragmenta y se disuelve por accin de la meteorizacin y la erosin, las partculas se
sedimentan y los minerales disueltos cristalizan a partir del agua y forman
sedimentos. Los componentes de la roca fragmentada son transportados por el agua y
el hielo y, enterrados a poca profundidad, se convierten en nuevas rocas. Las rocas
sedimentarias se disponen en capas, las ms recientes situadas sobre las ms antiguas,
lo que permite a los gelogos conocer la edad relativa de cada capa. Las rocas
sedimentarias suelen contener fsiles, que pueden ser de utilidad tanto para datar las
rocas como para determinar su origen. Existen tres grupos principales: orgnicas,
detrticas y qumicas.
Rocas sedimentarias orgnicas
Las rocas sedimentarias orgnicas se forman a partir de restos vegetales o
animales. Por lo general contienen fsiles, y algunas estn compuestas casi
ntegramente de restos de seres vivos. Por ejemplo, el carbn se forma a partir de
capas de material vegetal comprimido. La mayor parte de la piedra caliza procede de
restos de criaturas marinas.
Rocas sedimentarias detrticas
Las rocas sedimentarias detrticas estn constituidas por partculas de rocas
ms antiguas que pueden estar situadas a cientos de kilmetros. Las rocas de origen
se fragmentan debido a la lluvia, la nieve o el hielo, y las partculas resultantes son
arrastradas y depositadas como sedimentos en desiertos, en playas o en los lechos de
ocanos, lagos y ros. Las rocas detrticas se clasifican de acuerdo con el tamao de
las partculas que contienen. La arenisca es un ejemplo de roca sedimentaria detrtica.
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Rocas sedimentarias qumicas
Las rocas sedimentarias qumicas se forman a partir de minerales disueltos en
el agua. Cuando el agua se evapora o se enfra, los minerales disueltos pueden
precipitar y formar depsitos que pueden acumularse con otros sedimentos o formar
rocas por su cuenta. Las sales son un ejemplo habitual de rocas sedimentarias
qumicas.
Formacin de rocas sedimentarias
El proceso que convierte los sedimentos no consolidados en roca se denomina
litificacin. A diferencia de las rocas metamrficas, las sedimentarias se forman cerca
de la superficie terrestre, bajo presiones y temperaturas relativamente bajas. Los
sedimentos ms antiguos quedan enterrados bajo las nuevas capas y se van
endureciendo gradualmente por la compactacin y la cementacin. La compresin
que sufren esos sedimentos para formar rocas se denomina compactacin. A medida
que se van amontonando las capas de sedimentos, las ms inferiores van quedando
aplastadas por el peso de las superiores. El grado de compresin que pueden soportardepende del tipo de sedimento. El sedimento de grano fino se puede reducir a una
dcima parte de su grosor original en un proceso del que se obtiene la argilita (roca
constituida por arcillas), mientras que la arena se puede comprimir muy poco. Los
sedimentos suelen contener una gran cantidad de agua entre las partculas que se
expulsan durante la compactacin. Los componentes minerales disueltos pueden
cristalizar a partir de esa agua y cementar los sedimentos. Los cementos minerales
ms comunes son la calcita y el cuarzo.
Clasificacin de las rocas sedimentarias
La apariencia de una roca sedimentaria queda determinada por las partculas
que contiene. Caractersticas como el tamao y la forma del grano o la presencia de
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fsiles pueden ayudar a clasificar este tipo de rocas. El tamao de los granos de las
rocas sedimentarias vara mucho, desde grandes cantos hasta las minsculas
partculas de arcilla. Los conglomerados y las brechas, compuestos de guijarros y
cantos rodados, son las rocas sedimentarias de grano ms grueso; la arenisca est
formada por partculas del tamao de granos de arena y el esquisto es la roca
sedimentaria de grano ms fino. La forma de los granos que integran las rocas
sedimentarias depende de cmo stos se han transportado. La erosin del viento crea
partculas de arena esfricas y guijarros angulosos. La del agua origina partculas de
arena angulosas y guijarros esfricos. Los fsiles son restos animales o vegetales
conservados en capas de sedimentos. El tipo de fsil que contiene una roca indica suorigen. Por ejemplo, un fsil marino sugiere que la roca se form a partir de
sedimentos depositados en el lecho ocenico. Los fsiles suelen aparecer
principalmente en rocas sedimentarias, nunca en las gneas y raramente en las
metamrficas.
La figura II-2, muestra algunos tipos de rocas sedimentarias.
Rocas metamrficas
En la profundidad de la corteza terrestre, las temperaturas y las presiones son
altsimas. Dentro de nuestro planeta, el grupo de minerales que compone una roca se
puede transformar en otro que sea estable a presiones y temperaturas superiores. Las
rocas situadas cerca de un cuerpo de magma caliente se pueden transformar por la
accin del calor. Las rocas que han sido enterradas a gran profundidad por la accin
de placas tectnicas convergentes pueden transformarse por el aumento de la presin
y de la temperatura. Ese cambio se denomina metamorfismo, un proceso que puedemodificar cualquier tipo de roca, sea sedimentaria, gnea o incluso metamrfica. Por
ejemplo, la piedra caliza, que es sedimentaria, puede convertirse en mrmol, y el
basalto, que es gneo, en una roca verde, anfibolita o eclogita.
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Figura II-2. Tipos de Rocas Sedimentarias
Fuente: Grupo Geotecnia, 2003.
Temperatura y presin
Cuanto mayor sea la profundidad a la que est enterrada una roca, ms calor y
mayor temperatura soportar. Con cada kilmetro de profundidad la temperatura
aumenta unos 25C y la presin, unas 250 atmsferas. El aumento de la temperatura y
de la presin puede transformar las rocas en dos aspectos: pueden cambiar el conjunto
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de los minerales presentes en la roca preexistente (la paragnesis) y formar un
conjunto nuevo, y tambin pueden cambiar el tamao, la forma y la disposicin de los
cristales en la roca. Ambos procesos pueden causar la destruccin de los cristales
preexistentes y generar cristales nuevos por recristalizacin. El metamorfismo tiene
lugar con temperaturas de 250 a 800C; con temperaturas superiores a 650C, las
rocas se pueden fundir para formar magma y una roca "mixta" denominada
migmatita.
Metamorfismo regional
A medida que se forman las montaas, grandes cantidades de roca se
deforman y se transforman debido a un proceso llamado metamorfismo regional. Las
rocas enterradas a poca profundidad descienden a mayores profundidades, donde a
temperaturas y presiones superiores se pueden formar nuevos minerales. Una zona
que ha sufrido el proceso de metamorfismo regional puede ocupar miles de
kilmetros cuadrados. Este tipo de metamorfismo se clasifica en grado bajo, medio y
alto en funcin de las temperaturas alcanzadas. La pizarra, el esquisto y el gneis son
ejemplos de rocas afectadas por el metamorfismo regional.
Metamorfismo de contacto
El metamorfismo de contacto se da cuando las rocas son calentadas por un
cuerpo de magma. Los fluidos liberados por ese proceso pueden atravesar las rocas y
seguir transformndolas. La zona afectada situada en torno a una intrusin gnea o un
flujo de lava se denomina aureola. Su tamao depende del de la intrusin y de la
temperatura del magma. Los minerales de la roca original pueden transformarse demodo que la roca metamrfica resultante sea ms cristalina, y en el proceso pueden
desaparecer componentes, como los fsiles. Las corneanas son el resultado habitual
del metamorfismo de contacto.
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Metamorfismo dinmico
El metamorfismo dinmico es una forma secundaria de metamorfismo que se
da cuando las rocas son comprimidas a causa de los grandes movimientos de la
corteza terrestre, en especial a lo largo de sistemas de fallas. Grandes masas de roca
se superponen a otras rocas y, en los puntos donde entran en contacto, se forman unas
rocas metamrficas denominadas milonitas.
La clasificacin de las rocas metamrficas
Las rocas metamrficas presentan una serie de caractersticas comunes. El
anlisis de la estructura, el tamao del grano y el contenido mineral puede ayudar a
clasificar estas rocas. El trmino textura hace referencia a cmo se orientan los
minerales en el seno de una roca metamrfica. La orientacin de los cristales indica si
la roca se ha formado como consecuencia de un aumento de presin y de temperatura,
o bien, slo por un incremento de esta ltima. En las rocas metamrficas de contacto,
los minerales suelen estar ordenados al azar. En las de metamorfismo regional, la
presin a la que se ha visto sometida la roca suele provocar que determinadosminerales se alineen. El tamao de los cristales refleja el grado de calor y presin al
que se ha expuesto la roca. En general, cuantas ms altas hayan sido la presin y la
temperatura, mayores sern los cristales. Por ejemplo, la pizarra, que se forma bajo
poca presin, es de grano fino; el esquisto, que se forma a temperaturas y presiones
moderadas, es de grano medio; y el gneis, formado a altas temperaturas y presiones,
es de grano grueso. La presencia de determinados minerales en las rocas
metamrficas puede ayudar en el proceso de identificacin. El granate y la cianita se
dan en el gneis y el esquisto, mientras que en la pizarra suelen encontrarse cristales de
pirita.
La figura II-3, muestra algunos tipos de rocas metamrficas.
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Figura II-3. Tipos de Rocas Metamrficas
Fuente: Grupo Geotecnia, 2003.
Agentes generadores del suelo
Los agentes generadores de suelos que actan sobre la corteza terrestre, por la
naturaleza de su ataque producen desintegracin mecnica y descomposicin qumica
(Badillo y Rodrguez, 1976).
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La figura II-4, muestra el esquema de origen de los suelos.
Figura II-4. Esquema indicativo del origen y formacin de los suelos.
La desintegracin mecnica
Se refiere a la intemperizacin de las rocas por agentes fsicos: movimientos
tectnicos, agua, viento, hielo, vegetacin, temperatura y el hombre. Este proceso
genera los llamados suelos residuos: fragmentos de roca, gravas, arenas y limos.
La descomposicin qumica
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Se produce por la accin de agentes que atacan las rocas modificando su
constitucin mineralgica o qumica, siendo el principal agente el agua y los
mecanismos de ataque la hidratacin, la oxidacin, la carbonatacin, la solucin, los
efectos qumicos de la vegetacin. Produciendo arcilla como ltimo proceso de la
descomposicin.
Suelos Residuales y Transportados
Suelos residuales
Los suelos residuales son el producto de la meteorizacin de las rocas y su
comportamiento depende de las propiedades de la roca original y del grado de
descomposicin.
Los deslizamientos de tierra son muy comnes en suelos residuales, especialmente en
los periodos de lluvias intensas.
Como caractersticas de los suelos residuales pueden mencionarse las
siguientes (Brand, 1985):
1. Son generalmente muy heterogneos y difciles de muestrear y ensayar.
2. Comnmente, se encuentran en estado hmedo no saturado, lo cual
representa una dificultad para evaluar su resistencia al corte.
3. No pueden considerarse aislados del perfil de meteorizacin, del cual
son solamente una parte componente. Para definir su comportamiento y
la posibilidad de ocurrencia de deslizamientos, pueden ser ms
importantes las caractersticas del perfil que las propiedades del material
en s.
4. Generalmente, poseen zonas de alta permeabilidad, lo que los hace muy
susceptibles a cambios rpidos de humedad y saturacin.
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Suelos transportados
Son los que han sido trasladados de su lugar de origen, redepositados en otras
zonas, son suelos que sobreyacen a otros estratos sin relacin directa con ellos. Entre
los agentes de transporte se pueden mencionar: agua, viento, hielo, explosiones
volcnicas, la fuerza de gravedad.
Conforman los denominados depsitos naturales que, por el agente de
transporte, se denominan: aluviales, elicos, lacustre, marinos, volcnicos,
piedemonte.
Depsitos de Suelos
Depsitos aluvionales, son aquellos arrastrados y depositados por el agua en
movimiento. El tamao de sus granos vara desde grandes fragmentos de roca, como
los encontrados en los lechos del ro, a grava, arena, limo y algo de arcilla. Son, por
lo general bien gradados y pueden encontrarse de estado medio a compacto.
La compresibilidad de estos depsitos varia de acuerdo al tipo de sedimentos, es
decir, los sedimentos finos son de mediana compresibilidad en cambio los sedimentos
ms gruesos son de baja a muy baja compresibilidad
Depsitos lacustres, son aquellos depositados por los lagos; donde stos actan
como depsitos de sedimentacin en los que deposita la mayor parte de los materiales
que llevan en suspensin las corrientes que los alimentan.
En la zona en que la corriente entra al lago se depositan partculas de mayor
tamao en suspensin como las arenas (grano uniforme) conformando los deltas. Las
partculas en suspensin mas finas pasan a las aguas mas profundas, depositndose en
estratos horizontales de poco espesor alternndose con partculas mas gruesas que
pueden ser llevados mas all del delta en periodo de arrastre.
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Estos depsitos pueden presentar alta a muy alta compresibilidad debido a su
alto contenido de materia orgnica coloidal, pudiendo estar compuestos totalmente
por material orgnico.
Depsitos marinos, estos tienen su origen en la accin erosiva del mar sobre el
terreno.
Los depsitos a poca distancia de la costa tienen condiciones semejantes a los
lacustres, la disposicin ocurre en aguas tranquilas. Estos depsitos consisten en
estratos horizontales de materiales finos: limos y arcilla. Pueden presentarse
acumulaciones de arena calcrea.
Los depsitos de costa son muy variados debido a la mezcla y transporte que
producen en forma encontrada las corrientes de la costa y las olas. Los materiales
llevados al mar por los ros y sacados del mar por las olas, son arrastrados a lo largo
de la costa, depositndose en forma de bancos, se mueven continuamente a lo largo
de las costas como un cordn litoral. Las arenas y gravas marinas y los estratos
cementados son un excelente apoyo para fundaciones.
Depsitos elicos, son los formados por la accin del viento que al arrastrar
partculas de tamao variable puede hacer que las partculas se depositen en lugares
muy distantes de su sitio de origen. Los suelos aerotransportados comprenden dos
tipos de depsitos:
Los Loess que son depsitos constituidos por una mezcla uniforme de arena fina
cuarzosa con ciertos contenidos de feldespatos y limos, estructurados en formaabierta.
Los mdanos que son aglomeraciones de arena suelta que ha sido arrastrada por el
viento a poca altura y que se acumulan al chocar con algn obstculo natural en la
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superficie del terreno. Estn formados por arena cuarzosa uniformes con algo de
mica.
Los depsitos elicos son caractersticos de regiones ridas con nivel de agua
libre a gran profundidad. La compresibilidad de estos depsitos es de media a alta,
con baja densidad relativa.
Los depsitos elicos tienen la particularidad de cambiar las propiedades
mecnicas bajo saturacin debido a cambios de nivel de agua libre o condiciones de
flujo de agua. Por tanto, cuando sus condiciones de humedad natural son cambiadas,
sufren compactacin sbita, denominada hidroconsolidacin. Razn por la que se les
conoce igualmente como suelos colapsibles.
Depsitos pie de monte, son aquellos que se acumulan al pie de los taludes de las
montaas debido a avalanchas, deslizamientos o inestabilidad de los materiales
superficiales de los taludes. Estos depsitos contienen materiales de toda clase y
tamao de grano que va desde grandes fragmentos hasta fina materia orgnica. Dada
la caracterstica heterognea de estos depsitos, la compresin y la resistencia alesfuerzo cortante son muy variables.
Depsitos orgnicos, son depsitos de materiales orgnicos, los depsitos de turba o
material orgnico que no se ha descompuesto totalmente, debido a su alto contenido
de agua. Los depsitos orgnicos en ocasiones se encuentran estratificados con otros
elementos tales como limos o arenas o entremezclados con arcilla. Estos materiales
son muy problemticos para la ejecucin de excavaciones por su muy baja resistencia
al cortante. Es comn, que los materiales orgnicos fluyan al realizar excavaciones ose licuen en los eventos ssmicos.
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Minerales Constitutivo de los suelos gruesos
Un mineral es una sustancia inorgnica y natural, que tiene una estructura
interna caracterstica determinada por un cierto arreglo especfico de sus tomos e
iones. Su composicin qumica y sus propiedades fsicas o son fijas o varan dentro
de limites definidos. Sus propiedades fsicas ms interesantes, desde el punto de vista
de identificacin son: el color, el lustre, la tonalidad de sus raspaduras, la forma de
cristalizacin, la dureza, la forma de su fractura y disposicin de sus planos cruceros,
la tenacidad, la capacidad para permitir el de ondas y radiaciones (o luz) y la densidad
relativa.
La estructura atmico-molecular del mineral es el factor ms importante para
condicionar sus propiedades fsicas.
En los suelos gruesos el comportamiento mecnico e hidrulico esta
principalmente condicionado por su compacidad y por la orientacin de sus
partculas, por lo que la constitucin mineralgica es hasta cierto punto, secundaria.
Suelos formados por partculas gruesas
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Minerales constitutivos de las arcillas
Los minerales de arcilla se producen de manera primordial por el
intemperismo sobre feldespatos y micas. Estos minerales arcillosos estn constituidos
bsicamente por silicatos de aluminio hidratados y en algunas ocasiones silicatos de
magnesio, hierro u otros metales tambin hidratados.
Estos minerales tienen, casi siempre, una estructura cristalina definida, cuyos
tomos se disponen en lminas, como lo son: la silcica y la alumnica.
La primera esta formada por tomo de silicio rodeada de cuatro de oxigeno,
disponindose el conjunto en forma de tetraedro (tal como se muestra en la figura II-
5.1) estos tetraedros se agrupan en unidades hexagonales, sirviendo un tomo de
oxigeno de nexo entre cada dos (02) tetraedros.
Figura II-5.1. Esquema de la estructura de la tetradrica.
Whitlow, 1994
Capa tetradrica
Esta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla
considerndola como un conjunto de tomos dispuestos en planos paralelos, que podemos
suponer horizontales (Figura II-5.2.). En estos planos los tomos tendrn siempre simetra
hexagonal, o ms precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia
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arriba): (Edafologa, 2001)
Plano 1. Plano basal de los
tetraedros. Est formado por un
conjunto de tomos de O.
En la red hexagonal (seguiremos
llamndola hexagonal, parasimplificar, aunque ya sabemos que
en realidad es ditrigonal) aparecern
huecos (posiciones no ocupadas por
O) por exceso de cargas negativas
(gobernadas por los cationes que se
siten en el plano inmediatamente
superior).
Plano 2. Plano de los cationes de
Si del centro de los tetraedros. Se
colocan en el hueco que dejan cada
tres O. Se disponen formando
tambin una malla de anillos
hexagonales.
Figura II-5.2. Capas tetradricas (Plano 1)
Figura II-5.3. Capas tetradricas (Plano 2)
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Plano 3. Plano de O y de OH
compartidos por tetraedros y
octaedros. Los O se sitan justo
encima de los Si, del plano 2,
terminando de ocupar el hueco que
dejan los O del plano basal (plano 1).
Estos tres planos forman la capa
tetradrica. Los O del plano 3 ocupan
el vrtice superior de los tetraedros y
se unen a un Mg y/o Al octadrico
formando parte del plano inferior de
los octaedros. Algunos de los vrtices
de este plano basal de los octaedros
no tienen debajo ningn Si tetradrico
por lo que para compensar su carga se
une a un H formando un grupo OH.
Por tanto los iones que componeneste plano se comparten entre los
tetraedros y los octaedros (es a su vez
el plano superior de los tetraedros y el
inferior de los octaedros). Los O de
este plano quedan coordinados por
abajo al Si de la capa tetradrica y por
arriba al Mg/Al de la capa octadrica.
En este plano se encuentran ocupados
todos los nudos de la red hexagonal.
Figura II-5.4. Capas tetradricas y octadricas(Plano 3)
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Figura II-5.5. Unidades Hexagonales.
Los tetraedros de este plano 3 son
elctricamente neutros.
Efectivamente, en el interior el Si
aporta 4 cargas positivas y los
oxgenos, al compartirse con otros
tetraedros (plano basal) y octaedros
(plano superior), aportan slo una de
sus dos cargas, con lo que tendremos
en los vrtices 4 cargas negativas.
Las unidades hexagonales repitindose indefinidamente, constituyen una
retcula laminar.
Las laminas aluminicas,estn formadas por retculas de octaedros, dispuestas
con un tomo de aluminio o magnesio al centro y seis de oxidrilo alrededor (tal como
muestra la figura II-6) ahora es el oxidrilo el nexo entre cada dos octaedros vecinos,
para constituir la retcula. (Ver figura II-10)
Figura II-6. Esquema de la estructura de la Unidad Octadrica
Fuente: Whitlow, 1994
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Capas octadricas
Plano 4. Plano central de losoctaedros (que en estas estructuras seconsideran apoyados sobre una de suscaras, con su eje principal, ejecuaternario, inclinado). Estconstituido por los Mg o Al que sesitan en los huecos que dejan cadatres O y/o OH del plano 3. Si se tratade Mg se ocupan todas las posiciones,pero si el catin octadrico es el Al,por su mayor carga (+++ frente a las
++ del Mg) quedan posiciones vacasen la red. Se ocupan, concretamentedos de cada tres posibles y a esa capase le llama dioctadrica. A la capamagnsica se le llama trioctadrica, alocuparse tres nudos de cada tresposibles. Al igual que en el resto de losplanos de estas estructuras los Mg y Alse distribuyen en redes hexagonales.
Plano 5. Plano superior de losoctaedros. Constituido por O y OHformando la cara superior de losoctaedros. Plano compacto, con todoslos nudos de la red hexagonalocupados.
Como ocurra con las capastetradricas, las octadricas tambinson elctricamente neutras. De las dos
cargas de los oxgenos de los vrticesslo una se comparte con el catinoctadrico (Mg o Al), la otra carga secomparte con el silicio tetradrico de lacapa inferior y si no se une a estecatin en ese vrtice en vez de haberun oxgeno hay un grupo OH (por
Figura II-6.1. Capas octadricas (Plano 4)
Figura II-6.2. Capas octadricas (Plano 5)
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Fuente: Edafologa, 2001
tanto con slo una carga negativa). Siel catin octadrico es el Mg (++) los
vrtices del octaedro debenproporcionar un total de dos cargasnegativas y para ello cada vrtice secomparte entre tres Mg (pertenece atres octaedros), de esta manera cadavrtice aporta un tercio de carga ycomo hay seis vrtices tendremos untotal de dos cargas negativas poroctaedro. En el caso del Al (+++) senecesitan tres cargas negativas en eloctaedro y para ello ahora los vrtices
se comparten entre slo dos octaedros(cada vrtice aporta 1/2 de carga ycomo hay seis, pues 6 x 1/2 = 3).
Capas tetradricas frente a las octadricas
La disposicin de los iones entetraedros y octaedros parece algocomplicado, pero en la realidad es el
simple resultado de unempaquetamiento de esferas iguales entres planos ocupando el mnimoespacio.
La distribucin de tomos en redeshexagonales es simplemente elresultado del empaquetamiento detomos iguales para ocupar el mnimoespacio. Por tanto para obtener unplano de simetra hexagonal basta conintroducir bolas iguales en unrecipiente plano y apretarlas (almoverlas ellas mismas se acoplandando una simetra hexagonal).
Figura II-7. Capas tetradrica frente a lasoctadricas.
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Para construir este apilamiento separte de una esfera y se va repitiendo
formando una hilera. Luego se acoplanhileras paralelas y equidistantes demanera que se ajusten entre los huecos(desplazadas media esfera). De estemodo se forma un plano de simetrahexagonal.
Apilando planos de esferas de simetrahexagonal se origina la estructura. Alplano basal (con huecos, formandoanillos hexagonales) se le acopla otro
plano compacto (con todos los nudosde red ocupados). Ambos planos seencuentran ligeramente desplazados ygirados 60 grados, para que los tomosse acoplen en los huecos. Estos planosestn constituidos por aniones de O yOH y se unen por los cationescoordinantes que se sitan en un planointermedio y segn donde se coloquenaparece la coordinacin tetradrica o laoctadrica.
En la Naturaleza es frecuente que losdos primeros planos de aniones O y/oOH queden unidos por un catintetradrico, como es el caso del Si, yencima se site otro plano de OH conun plano intermedio de cationesoctadricos (de Mg o de Al) que losune.
De lo anteriormente se deduce que losfilosilicatos pueden ser considerados
como un empaquetamiento de iones Oque engloban a diversos cationes (Si,Al, Mg y H), concepto que puede seraplicado a la Tierra en su conjunto.
En resumen, a estructura se origina porun apilamiento de planos paralelos con
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Fuente: Edafologa, 2001
simetras hexagonales, alternando losplanos de aniones (O y OH) y los de
cationes (Si, Al y Mg).
Minerales de Arcillas
Dependiendo de la distribucin de apilacin de las lminas, as como del tipo
de iones que proveen la unin de las mismas, se pueden identificar cuatro grupos de
minerales de arcillas que son: caolinita, ilita, montmorilonita y vermiculita.
Grupo de caolinitas, (Al2O3. 2SiO2. 2 H2O) estn formadas por una lamina silcica y
otra alumnica, que se superponen indefinidamente, la unin entre todas las retculases lo suficientemente firme para no permitir la penetracin de molculas de agua
entre ellas (adsorcin). En consecuencia, las arcillas caolinitas sern relativamente
estables en presencia de agua.
Grupo de montmorilonitas, [(OH) 4.Si8Al4 O20. n H2O] estn formadas por una
lamina alumnica entre dos silcicas, superponindose indefinidamente. En este caso
la unin entre las retculas del mineral es dbil, por lo que las molculas de agua
pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad, a causa de las fuerzas
elctricas generadas por su naturaleza dipolar. Lo anterior produce un incremento en
el volumen de los cristales, lo que traduce, macrofisicamente, en una expansin. Las
arcillas montmorilonticas, especialmente en presencia de agua, presentarn fuerte
tendencia a la inestabilidad.
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Grupo de ilitas, [(OH)4.Ky(Si8-y.Aly) (Al4.Fe4.Mg4.Mg6)O20, con y, por lo
genera, igual a 1.5] estn estructuradas anlogamente que las montmorilonitas, pero
su constitucin interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen
el rea expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su expansividad es menor
que las de las montmorilonitas y, en general, las arcillas ilticas, se comportan
mecnicamente es forma mas favorable para el ingeniero.
Grupo de Vermiculita, este grupo contiene productos del intemperismo de la biotita y
la clorita. La estructura de la vermiculitica es similar a la montmorilonita, excepto
que los cationes que proporcionan los enlaces entre las lminas sonpredominantemente de Mg, acompaados por algunas molculas de agua. Por tanto,
tienen propiedades de contraccin/expansin similares a los de la montmorilonita
pero en menor magnitud.
De las propiedades de las arcillas, la capacidad de intercambio catinico
generalmente, controla su comportamiento frente al agua y su inestabilidad (ver
figura II-8). A mayor capacidad de intercambio catinico la arcilla es ms inestable.
De las motmorillonitas, la motmorillonita sdica o Bentonita es muy conocida
en el mbito de la ingeniera, la cual posee la capacidad de absorber grandes
cantidades de agua. El tipo de mineral de arcilla presente y el porcentaje, en
proporcin con el total de minerales afecta en forma considerable el comportamiento
del suelo. Una forma de poder analizar este comportamiento son los Lmites de
Atterberg o Lmites de Plasticidad (Tabla II-2). En general, las otras propiedades de
las arcillas, como son sus caractersticas de expansin y contraccin siguen un mismo
patrn ante las propiedades de plasticidad, entre ms plstico el material mayor su
potencial de expansin y menor su resistencia al cortante.
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Propiedades importantes de los minerales de arcilla
Desde el punto de vista de la ingeniera, la caracterstica ms importante de
cualquier mineral arcilloso natural es su forma laminar tpica. Varias propiedades
ingenieriles importantes son directamente atribuidas a este factor, combinados con
otros, tales como lo pequeo de sus partculas y su carga elctrica negativa
superficial. Las principales propiedades que deben considerarse en el contexto de
ingeniera son: rea superficial, carga superficial y adsorcin, capacidad de
intercambio bsico, floculacin y dispersin, expansin y contraccin, plasticidad y
cohesin.
rea superficial. Cuanto mas pequea y mas laminar sea una partcula, mayor ser su
rea superficial, la relacin del rea superficial por gramo de masa recibe el nombre
de superficie especifica (Se) del suelo. Considrese un cubo slido de d mm de
lado y un peso especifico relativo Gs.
rea superficial = 6d2mm
2Masa = d3Gs x 10-3g (II.01)
Entonces, superficie especifica, Ss g/mmGs)*(d
)(6x10S 2
-3
s= (II.02)
Carga superficial y adsorcin. Los iones que forman la superficie laminar de los
minerales de arcilla son O2- u (OH) - , por lo que dichas superficies presentan una
carga elctrica negativa. Puesto que las molculas de agua son dipolares , esto es,
tienen un extremo negativo y otro positivo, se forma una capa de agua que queda
unida a la superficie del mineral por medio de un enlace de hidrogeno (H3O)+. En lazona inmediatamente adyacente a la superficie, las molculas de agua son retenidas
en una capa fuertemente enlazada, pero al aumentar la distancia, los enlaces se
debilitan y el agua resulta ms fluida.
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Capacidad de intercambio bsico. La carga superficial negativa total exhibida por
todos los minerales de arcilla se puede neutralizar de varias maneras: parte por los
cationes internos, parte por los enlaces de hidrogeno en la capa acuosa adsorbida y
parte debida a los cationes en la capa adsorbida. El remanente de la carga superficial
negativa que no se neutraliza internamente recibe el nombre de capacidad de
intercambio del mineral, y sus unidades se hacen miliequivalentes por 100 g (me/100
g). En la figura II-8, se muestran algunos valores aproximados.
Se estima que el espesor de la capa acuosa adsorbida es del orden de 50 nm.
Con esta informacin es posible calcular el contenido aproximado de humedadadsorbida (wAD) en la siguiente forma.
swsAD StSw *05.0** == (II.03)
donde:
t = espesor de la capa = 50 x 10-9m
w= densidad del agua = 1x106g/m 3
Los valores de la tabla II-1 muestran la gran diversidad de contenidos de agua
adsorbida. Adems, ciertos minerales como la haloisita y la vermiculita inmovilizan
al agua entre las lminas apiladas, y debido a ello, pueden retener densidades bajas
con altos contenidos de humedad.
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Figura II-8 Estructura y tamaos de los principales minerales de arcilla
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
Tabla II-1. Contenidos de agua adsorbida
40800Montmorilonita
480Ilita
120Caolinita
1x10-3
0.02Arena de cuarzo (0.1 mm)
Contenido aproximado
de agua adsorbida (%)
Superficie especifica
Ss(m2/g)Mineral
Fuente: Whitlow, 1994
Floculacin y dispersin. Las interacciones que se desarrollan entre dos partculas
prximas entre s en su solucin acuosa, sern afectadas por dos tipos de fuerzas:
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a) Atraccin entre partculas debida a las fuerzas de enlaces secundarios o de
Van der Waals.
b) Fuerzas de repulsin debidas a la naturaleza de cargas negativas de la
superficie de la partcula y de la capa adsorbida.
Las fuerzas de atraccin de Van der Waals se incrementan si las partculas se
acerca, por ejemplo, esto sucede cuando el espesor de la capa adsorbida disminuye
por el proceso de intercambio bsico. En los suelos cuya capa adsorbida es gruesa, la
repulsin ser de mayor magnitud y las partculas permanecern libres y dispersas.
Cuando la capa adsorbida es lo suficientemente delgada para que dominen las fuerzasde atraccin, se forman grupos de partculas, en los que se presentan contactos de
superficies con aristas (positivo-negativo); en una suspensin, estos grupos se
sedimentan en conjunto. A este proceso se le llama floculados (Figura II-9.a). En las
arcillas marinas que contienen altas concentraciones de cationes, las capas adsorbidas
son delgadas, por lo que resultan estructuras floculadas, en tanto que las arcillas
lacustres (agua dulce) tienden a presentar estructuras dispersas (Figura II-9.b)
Figura II-9. Estructuras de las partculas de arcillas
(a) Floculadas, y (b) dispersas
Fuente: Lambe y Whitman, 1976.
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Expansin y contraccin. Las fuerzas entre partculas y de las capas adsorbidas
pueden alcanzar equilibrio en condiciones de presin y temperaturas ambientales
constantes, debido al movimiento de las molculas de agua que salen o entran de la
capa adsorbida. Al contenido de humedad del suelo correspondiente a este estado se
le llama contenido de humedad de equilibrio (emc). Cualquier alteracin de las
condiciones ambientales producir cambios en el contenido de humedad. Si el agua es
integrada a la estructura laminar y el aumento de volumen est confinado, se
desarrollar una presin de expansin. Cuando la capa adsorbida se comprime, se
produce una contraccin y lo mismo sucede cuando un efecto de succin reduce el
contenido de humedad (por ejemplo, por medio de una evaporacin climtica).
La capacidad de expansin de los suelos de montmorilonita es muy elevada. Los que
contienen una proporcin sustancial de Ilita, en especial los de origen marino, tienen
caractersticas de expansin bastante altas; los suelos de menor capacidad de
expansin son os caoliniticos. En las masas de suelo, la contraccin debida al secado
se manifiesta como una serie de cuarteaduras poligonales que se prolongan hacia
debajo de superficie.
Plasticidad y cohesin.La propiedad mas caracterstica de los suelos de arcilla es su
plasticidad, esto, es, su capacidad para adquirir y retener una nueva forma cuando se
moldean. Nuevamente, son el tamao y la forma de las partculas, en combinacin
con la naturaleza de la capa adsorbida, las que controlan esta propiedad. Los suelos
con superficies especficas altos, como los de la montmorilonitas, son los ms
plsticos y los ms compresibles.
La consistencia plstica de una mezcla de arcilla/agua, es decir, de un suelo
arcilloso, depende en alto grado del contenido de humedad, que es la relacin de
masa de agua a masa slida. Con contenidos de humedad bajos, el agua presente es
predominantemente la que se sita en las capas adsorbidas, por lo que las partculas
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de arcilla desarrollan considerables fuerzas de atraccin mutua. El efecto enlazante de
esta succin produce un cierto tipo de tensin interna que se llama cohesin. A
medida que se incrementa el contenido de humedad, el efecto de atraccin
interparticular se reduce y la cohesin disminuye. Cuando el agua presente es
suficiente como para permitir que las partculas resbalen unas sobre otras sin producir
grietas de tensin interna (esto es, sin desmoronarse), se dice que el suelo alcanza su
lmite plstico. Cuando el contenido de humedad se eleva hasta un punto tal que las
fuerzas interpartculas/agua estn en equilibrio, la mezcla se comporta como un
lquido y se dice que est en su lmite lquido.
Tabla II-2.