Monografía Cantera de Marabamba

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS - HUÁNUCO UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS - HUÁNUCO 2015 “Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación” UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS - HUÁNUCO “CANTERA DE MARABAMBA” CURSO: Mecánica de Suelos II FACULTAD: Ingeniería Civil CICLO: VI DOCENTE: ING. ALVARADO PONCE, LEONCIO Estudiantes: Fernando Liz Edith VAsquez ANGULO, Hans Henry HUÁNUCO – PERÚ 2015 DEDICATORIA A nuestros padres, pilares fundamentales en nuestra formación, confianza, por sus apoyos constante e incondicional, y por enseñarnos a ser personas integras y perseverantes. A los docentes que nos preparan para ser profesionales competitivos y llenos de valores para una nueva sociedad. ÍNDICE Contenido INTRODUCCIÓN 3 OBJETIVOS 4 CONTENIDO 5 SUELO 5 Propiedades Índice de los Suelos 12 Origen del Suelo 14 Depósitos formados por el Transporte de la Meteorización de las Rocas 16 Fases que componen el Suelo 18 Análisis Mecánico 19 Curva de Distribución de Tamaño de Partículas 19 Parámetros de un Suelo 19 Principales Características de las Arcillas 20 Consistencia y Límites de Consistencia 20 Índices de Consistencia 21 Clasificación de los Suelos 22 Flujo de Agua 25 Permeabilidad de los Suelos 26 Superficie o Nivel Freático del Agua 27 Esfuerzos Efectivos 28 Resistencia al Corte 29 Compactación de los Suelos 30 Incremento de Esfuerzo Vertical 31 Asentamientos 31 Capacidad de Apoyo 32 Presión Lateral del Suelo 33 Estabilidad de Taludes 34 Exploración del Subsuelo 35 CANTERA 37 DESARROLLO DEL TEMA 39 Ubicación 39 DATOS CLIMÁTICOS 41 PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO 41 Cálculo del Volumen de la Cantera 45 PASO 1 45 PASO 2 46 CONCLUSIONES 47 INTRODUCCIÓN Para propósitos ingenieriles, se define suelo como un agregado no cementado formado por partículas minerales y materia orgánica en descomposición (partículas sólidas) con algún líquido (generalmente agua) y gas (normalmente aire) en los espacios vacíos. La mecánica de suelos es la rama de la ciencia que estudia las propiedades físicas de los suelos y el comportamiento de las masas de suelo sujetas a distintos tipos de fuerzas. Las propiedades que se estudian son: origen, distribución de tamaño de partículas, plasticidad, capacidad de drenar agua, compresibilidad, resistencia al corte y capacidad de apoyo. En un suelo se presentan tres fases: a) sólida, conformada por las partículas minerales del suelo (incluyendo la capa sólida adsorbida) y entre sus espacios vacíos existen la fase gaseosa constituida por el aire (o también vapores sulfurosos, anhídrido carbónico, etc.) y la fase líquida constituida por el agua tomándose en cuenta solamente el que se encuentra libre. Las fases líquida y gaseosa constituyen el Volumen de vacíos mientras la fase sólida constituye el Volumen de sólidos. Un suelo se encontrará totalmente saturado si todos los vacíos se encuentran ocupados completamente por agua. Muchos de los suelos que yacen debajo del nivel freático se hallan en ese estado. Algunos suelos, además, contienen materia orgánica en diferentes cantidades y formas; uno de los suelos más conocidos es la turba, que está formada por residuos vegetales parcialmente descompuestos. Aunque el material orgánico y las capas adsorbidas son muy importantes no se toman en cuenta sino en fases posteriores del estudio de propiedades de los suelos. En los laboratorios de Mecánica de Suelos se pueden determinar, fácilmente, el peso de las muestras húmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad específica de los suelos, empero estas no son las únicas magnitudes que se requieren. Así deben buscarse relaciones entre sus fases que permitan la determinación de estos otros parámetros geotécnicos, las relaciones que se hallen deben ser sencillas y prácticas. OBJETIVOS General: · Estudiar las hipótesis y teorías que sirven de base para el conocimiento de las propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas de los suelos, y luego su aplicación adecuada para obras de Ingeniería Civil Específicos: · Conocer el perfil estratigráfico de los suelos que hay en las canteras de Huánuco. · Conocer los tipos de suelos que existen en Huánuco. · Poner en práctica los conocimientos teóricos adquiridos en clase a la ingeniería civil. · Cuidar el medio ambiente con una conducta responsable y profesional. · Compartir nuestros conocimientos con nuestros demás compañeros que están interesados a aprender. CONTENIDO SUELO Desde el punto de vista de la ingeniería, suelo es el sustrato físico sobre el que se realizan las obras, del que importan las propiedades físico-químicas, especialmente las propiedades mecánicas. Desde el punto de vista ingenieril se diferencia del término roca al considerarse específicamente bajo este término un sustrato formado por elementos que pueden ser separados sin un aporte significativamente alto de energía. Se considera el suelo como un sistema multifase formado por: · Fase Sólido: que constituyen el esqueleto de la composición del suelo. · Fase Líquida: generalmente agua. · Fase Gaseosa: generalmente aire, que ocupan los intersticios entre los sólidos. Pueden distinguirse tres grupos de parámetros que permiten definir el comportamiento del suelo ante la obra que en él incide: · Los parámetros de identificación. · Los parámetros de estado. · Los parámetros estrictamente geomecánicos. Entre los parámetros de identificación son los más significativos la granulometría (distribución de los tamaños de grano que constituyen el agregado) y la plasticidad (la variación de consistencia del agregado en función del contenido en agua). El tamaño de las partículas va desde los tamaños granulares conocidos como gravas y arenas, hasta los finos como la arcilla y el limo. Las variaciones en la consistencia del suelo en función del contenido en agua diferencian también las mencionadas clases granulométricas principales. Los parámetros de estado fundamentales son la humedad (contenido en agua del agregado), y la densidad, referida al grado de compacidad que muestren las partículas constituyentes. En función de la variación de los parámetros de identificación y de los parámetros de estado varía el comportamiento geomecánico del suelo, definiéndose un segundo orden de parámetros tales como la resistencia al esfuerzo cortante, la deformabilidad o la permeabilidad. La composición química y/o mineralógica de la fase sólida también influye en el comportamiento del suelo, si bien dicha influencia se manifiesta esencialmente en suelos de grano muy fino (arcillas). De la composición depende la capacidad de retención del agua y la estabilidad del volumen, presentando los mayores problemas los minerales arcillosos. Éstos son filosilicatos hidrófilos capaces de retener grandes cantidades de agua por adsorción, lo que provoca su expansión, desestabilizando las obras si no se realiza una cimentación apropiada. También son problemáticos los sustratos colapsables y los suelos solubles. De manera genérica, es usual hablar de movimiento de suelos incluyendo en el concepto el trabajo con materiales, como rocas y otros, que sobrepasan la definición formal. Proceso de formación: Según el proceso de formación, el suelo puede ser: · Sedimentario. En este tipo de suelo, las partículas se formaron en un lugar diferente, y fueron transportadas y se depositaron en otro emplazamiento. · Residual. Este suelo se ha formado por la meteorización de las rocas en el mismo local donde ahora se encuentra, con escaso o nulo desplazamiento de las partículas. · Relleno artificial. Estos son construidos por el hombre para los más diversos fines. Suelos sedimentarios Para explicar la formación de los suelos sedimentarios deben considerarse las tres fases del proceso de: La formación del sedimento; El transporte; y, El depósito de los sedimentos. Formación de sedimentos El principal modo de formación de los sedimentos lo constituye la meteorización física y química de las rocas de la superficie terrestre. En general las partículas de limo, arena y grava se forman por la meteorización física de la roca, mientras que las partículas arcillosas son formadas por procesos de alteración química de las mismas. La formación de partículas arcillosas a partir de las rocas puede producirse, por combinación de elementos en disolución o por la descomposición química de otros minerales. Transporte de los sedimentos Los sedimentos pueden ser transportados por uno de los cinco agentes siguientes: agua, aire, hielo, gravedad y organismos vivos. La forma de transporte afecta los sedimentos principalmente de dos formas: a) modifica la forma, el tamaño y la textura de las partículas por abrasión, desgaste, impacto y disolución; b) produce una clasificación o graduación de las partículas. Depósito de los sedimentos Después de que las partículas se han formado y se han transportado se depositan para formar el suelo sedimentario. Las tres causas de este depósito en el agua son: la reducción de la velocidad, la disminución de la solubilidad y el aumento de electrolitos. Cuando una corriente desemboca en un lago, océano, o un gran volumen de agua, pierde la mayor parte de su velocidad. Disminuye así la fuerza de la corriente y se produce una sedimentación. Cualquier cambio en la temperatura del agua o en su naturaleza química puede provocar una reducción en la solubilidad de la corriente, produciéndose la precipitación de alguno de los elementos disueltos. La tabla resume algunos de los efectos de los cinco agentes citados sobre los sedimentos. - Agua Aire Hielo Gravedad Organismos Tamaño Reducción por disolución, ligera abrasión en superficie, abrasión e impacto en el arrastre. Considerable reducción Considerable abrasión e impacto Impacto considerable Ligeros efectos de abrasión por el transporte directo por organismos vivos. Forma y redondez Redondeo de arena y grava Elevado grado de redondeo Partículas angulosas y planas Angulosas, no esféricas - Textura superficial · Arena: liza pulimentada brillante. · Limo: escaso efecto El impacto produce superficies mates Superficies estriadas Superficies estriadas - Clasificación por tamaño Considerable Muy considerable (progresiva) Muy escasa Nula Limitada Suelos Residuales Los suelos residuales se originan cuando los productos de la meteorización no son transportados como sedimentos, sino que se acumulan en el sitio en que se van formando. Si la velocidad de descomposición de la roca supera a la de arrastre de los productos de la descomposición se produce una acumulación de suelo residual. Entre los factores que influyen en la velocidad de alteración de la naturaleza de los productos de la meteorización están el clima (Temperatura y lluvia), la naturaleza de la roca original, el drenaje y la actividad bacteriana. El perfil de un suelo residual puede dividirse en tres zonas: a) la zona superior, en la que existe un elevado grado de meteorización, pero también cierto arrastre de materiales; b) la zona intermedia en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma; y, c) la zona parcialmente meteorizada que sirve de transición del suelo residual a la roca original inalterada. La temperatura y otros factores han favorecido el desarrollo de espesores importantes de suelos residuales en muchas partes del mundo. Los espesores de los suelos residuales pueden alcanzar espesores considerables: Sudeste de EE. UU. 6 a 23 m Angola 8 m Sur de la India 8 a 15 m África del Sur 9 a 18 m África Occidental 10 a 20 m Brasil 10 a 25 m Depósitos Artificiales En los dos apartados anteriores se ha comentado la formación de depósitos de suelo por la naturaleza. Un depósito hecho por el hombre se denomina terraplen o relleno. El terraplen constituye realmente un depósito sedimentario en el que el hombre realiza todos los procesos de formación, de una forma controlada para alcanzar resultados previamente definidos. El suelo se extrae, por excavación o voladura de un determinado yacimiento cuyo material cumple con las especificaciones pre-establecidas; se transporta mediante un vehículo que puede ser un camión, una vagoneta, un buldozer, o por medio de barcazas o tuberías y se deposita en el lugar predeterminado. El material puede dejarse tal como cae, o puede acomodarse y compactarse, para alcanzar las características mecánicas deseadas. Alteraciones de los Suelos después de su Formación: El especialista en suelos, al concebir un proyecto, debe proyectar las estructuras no solamente para las propiedades del suelo al comienzo de la obra sino que también para toda la vida útil de la misma. El tamaño y la forma de un depósito determinado, como las propiedades mecánicas del suelo que lo componen, pueden presentar grandes variaciones de manera muy significativa. Muchas de estas variaciones se producen independientemente de la actividad humana, mientras que otras se deben a la presencia de la obra. El suelo no es inerte, sino que es bastante activo y muy sensible a las condiciones de su entorno. Presiones En general un aumento de la presión sobre un elemento de suelo produce un incremento de la resistencia al esfuerzo cortante, una disminución de la compresibilidad y una reducción de la permeabilidad; los efectos contrarios se producen si las presiones disminuyen. Los cambios producidos por la reducción de la presión suelen ser menores que los producidos por un incremento de presiones de igual magnitud. El suelo se comporta por lo tanto como un cuerpo no perfectamente elástico. Durante la formación de un suelo sedimentario la presión total a una cota determinada continúa aumentando al ir creciendo la altura de la capa de suelo sobre el punto considerado. Así pues, las propiedades de un suelo sedimentario a una determinada profundidad están cambiando continuamente a medida que se va formando el depósito. La eliminación de las tierras superiores, por ejemplo por efecto de la erosión, da lugar a la reducción de las presiones. Un elemento de suelo que está en equilibrio bajo la máxima presión que ha experimentado en toda su historia se denomina normalmente consolidado, mientras que un suelo en equilibrio bajo una presión inferior a la que lo consolidó se denomina sobre consolidado. Tiempo El tiempo es una variable que interviene en los demás factores que contribuyen a las variaciones del comportamiento del suelo (en especial las presiones, la humedad y las condiciones del medio). Para apreciar las variaciones los efectos complejos de una variación de presiones, el agua debe ser expulsada o absorbida por el elemento del suelo. Debido a la permeabilidad relativamente baja de los suelos de grano fino, se requiere un cierto tiempo para que esta agua escape o penetre en tales suelos. Por otro lado el tiempo es un factor evidente en las reacciones químicas, como las que se producen en los procesos de meteorización. El tiempo meteorológico, o atmosférico, se define como el estado de la atmósfera en un determinado momento. Se toma en cuenta la humedad (absoluta y relativa), la temperatura y la presión, en un determinado lugar y momento. Como cada uno de los instantes son más o menos prolongados en el tiempo, y en extensión, se le denomina tipo de tiempo. Agua El agua puede tener dos efectos perjudiciales sobre el suelo. En primer lugar, la sola presencia del agua disminuye las fuerzas de atracción entre las partículas arcillosas. En segundo lugar, el agua intersticial puede, en determinadas situaciones particulares, soportar los esfuerzos aplicados, modificando así el comportamiento del suelo. Una muestra de arcilla, que puede tener una resistencia similar a la del cemento pobre cuando seca, puede convertirse en fango al sumergirse en agua. Así pues, el aumento de la humedad en un suelo reduce, por lo general, la resistencia del mismo. Las condiciones del agua intersticial pueden variar por causas naturales y por intervenciones andrógenas. Entre las causas naturales está la variación anual de precipitaciones, y por ende de la humedad en el suelo. En la estación seca, a causa de las pocas precipitaciones el nivel freático disminuye, en oposición a esto, en el período lluvioso, la abundancia de agua provoca una elevación del nivel freático. Esta variación de humedad en el suelo produce una variación significativa de las propiedades del suelo a lo largo del año. Por otro lado, muchos procesos constructivos modifican las condiciones del agua freáticas, y consecuentemente provocan variaciones importantes en las características de los suelos. El contenido de humedad influye en las propiedades físicas de una sustancia: en el peso, la densidad, la viscosidad, el índice de refracción, la conductividad eléctrica y en muchas otras. Entorno o Ambiente Existen varias características del entorno de un suelo que pueden tener una influencia importante en el comportamiento mecánico de este. Entre estas características están la naturaleza del fluido intersticial y la temperatura. Por ejemplo una arcilla sedimentaria o compactada puede haberse formado con un fluido intersticial de una cierta composición química y a una determinada temperatura, pero ambos factores pueden variar a lo largo de la vida del depósito. Un ejemplo clásico es el de la arcilla marina, depositada en agua con un elevado contenido de sales: 35 g de sal por litro de agua, en las condiciones marinas típicas. Las arcillas marinas han sufrido frecuentemente levantamientos tectónicos por lo cual se encuentran por encima del nivel del mar, y el agua que se filtra a través de las mismas tiene un contenido en sales muy inferior al agua del mar. Así a lo largo del tiempo se produce una disminución lenta y gradual de la sal contenida en los poros del sedimento arcilloso, de forma que al cabo de muchos miles de años de lavado o lixiviación, el fluido intersticial puede ser muy diferente del original que existía en el momento de la formación del sedimento. La reducción del contenido de los electrolitos del agua en torno a las partículas del suelo puede reducir la fuerza neta de atracción entre las mismas. En otras palabras el arrastre de la sal de entre los poros puede reducir la resistencia al corte del terreno. Propiedades Índice de los Suelos Las Propiedades índice de los suelos trata de estudiar métodos para la diferenciación de los distintos tipos de suelos de una misma categoría, en base a ensayos denominados ensayos de clasificación, es decir que las propiedades índice son las características particulares de cada suelo de una misma categoría. Estas características son la granulometría, consistencia, cohesión y estructura, que son las que determinan cuan bueno o malo es un suelo para su uso en la construcción de las obras civiles. Estas propiedades índices de los suelos se dividen en dos: · Propiedades de los Granos de Suelo. Se relacionan directamente la forma y tamaño de las partículas que constituyen el suelo. · Propiedades de los Agregados de los Suelos. Para los suelos no cohesivos la densidad relativa y para suelos cohesivos la consistencia. Conceptos Básicos a) Mineral: Un mineral puede ser definido como una sustancia inorgánica natural que tiene una composición química en particular, o una variación de su composición, y una estructura atómica regular que guarda íntima relación con su forma cristalina. Los minerales son los principales constituyentes sólidos de todas las rocas, que dan a las rocas características físicas, ópticas y químicas como el color, lustre, forma, dureza y otros; generalmente los minerales dominantes de los suelos son cuarzo y feldespatos. b) Suelo: Para propósitos ingenieriles, se define suelo como un agregado no cementado formado por partículas minerales y materia orgánica en descomposición (partículas sólidas) con algún líquido (generalmente agua) y gas (normalmente aire) en los espacios vacíos. c) Roca: La roca puede ser definida como un agregado natural sólido con contenido mineral, que tiene propiedades físicas como químicas. Las rocas son materiales cementados, usualmente tienen muy baja porosidad, pueden ser encontradas en procesos de descomposición con sus propiedades físicas y químicas alteradas, presentan discontinuidades y su comportamiento es complejo cuando se someten a esfuerzos. d) Mecánica de Suelos: La mecánica de suelos es la rama de la ciencia que estudia las propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelo sometidas a varios tipos de fuerzas. Las propiedades que se estudian son: origen, distribución de tamaño de partículas, plasticidad, capacidad de drenar agua, compresibilidad, resistencia al corte y capacidad de apoyo. e) Ingeniería de Suelos: Se considera la aplicación de los principios de mecánica de suelos a problemas prácticos en la ingeniería, donde la experiencia y el conocimiento adquirido se complementan. f) Ingeniería Geotécnica: La ingeniería geotécnica es definida como una subdisciplina de la ingeniería civil que involucra materiales encontrados cerca de la superficie de la tierra como la roca, suelo y agua subterránea, encontrando relaciones para el diseño, construcción y operación de proyectos de ingeniería. La ingeniería geotécnica es altamente empírica e incluye la aplicación de los principios de la mecánica de suelos y la mecánica de rocas para el diseño de fundaciones, estructuras de retención y estructuras terrestres. Origen del Suelo El suelo es producto de la meteorización de las rocas, es decir, la desintegración de esta en pedazos de minerales cada vez más pequeños, que en contacto con el medio (agua, aire) se unen formando el suelo; la meteorización y otros procesos geológicos actúan en las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre transformándola en materia no consolidada o más comúnmente llamada suelo. En la pregunta cinco se explicaran con más detalle el concepto de la meteorización y en las partes que se divide. Ciclo de la Roca Se llama ciclo de la roca a un proceso geológico extremadamente lento, queda lugar al origen de tres categorías diferentes de rocas como ser: Rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. Rocas Ígneas: son formadas por la solidificación del magma derretido, expulsado de las profundidades de la tierra. Rocas Sedimentarias: son formadas por la compactación de minerales sueltos como gravas, arenas, limos y arcillas por medio de sobrecargas que después son cementados por agentes como el óxido de hierro, calcita, dolomita, y cuarzo. Los agentes cementadores son llevados generalmente por las aguas subterráneas que llenan los espacios vacíos entre las partículas y forman las rocas sedimentarias. Rocas Metamórficas: son formadas por procesos metamórficos como lo son el cambio de composición y textura de las rocas, sin fundirse por presión o calor. ROCA ÍGNEA ROCA SEDIMENTARIA ROCA METAMÓRFICA Meteorización Es el proceso de desintegración de rocas a pedazos más pequeños por procesos mecánicos y químicos. Debido a esto es que la meteorización se divide en dos partes dependiendo del proceso que son la meteorización mecánica y la meteorización química. Meteorización Mecánica: puede ser causada por la expansión y contracción de las rocas debido a la continua perdida y ganancia de calor lo que produce que el agua que se escurre entre los espacios vacíos se congela y por lo tanto se expande lo que da como resultado un aumento de presión muy grande que finalmente desintegra la roca sin cambiar su composición química. Dentro la meteorización mecánica se puede mencionar la descarga mecánica, la carga mecánica, expansión y contracción térmica, acumulación de sales incluyendo la acción congelante, desprendimiento coloidal, actividad orgánica, carga neumática. Meteorización Química: se produce debido a que los minerales de la roca original son transformados en nuevos minerales debido a reacciones químicas. Dentro la meteorización química se puede mencionar la hidrólisis, carbonización, solución, oxidación, reducción, hidratación, lixiviación y cambio de cationes. Depósitos formados por el Transporte de la Meteorización de las Rocas Los suelos producto de la meteorización pueden permanecer en el suelo de origen o pueden ser movidos a otros lugares por la acción del hielo, agua, viento, y la gravedad. La forma de clasificación de los suelos producto de la meteorización depende de la forma de transportación y depósitos. · Suelos Glaciares: Son los suelos formados por el transporte y deposición de los glaciares. · Suelos Aluviales: Son los suelos transportados por las corrientes de agua y depositados a lo largo de la corriente. · Suelos Lacustres: Son los suelos formados por la deposición en lagunas en reposo. · Suelos Marinos: Son los suelos formados por la deposición en mares. · Suelos Eólicos: Son los suelos transportados y depositados por el viento. · Suelos Coluviales: Son los suelos formados por el movimiento de los suelos de su lugar de origen por efecto de la gravedad, como los deslizamientos de tierra. · Suelos Residuales: Los suelos formados producto de la meteorización que se mantienen en su mismo lugar de origen so llamados suelos residuales, que a diferencia de los suelos producto del transporte y deposición, estos están relacionados con los materiales del lugar, clima, topografía. Se caracterizan por tener una gradación del tamaño de partículas aumentado su tamaño con el incremento de la profundidad, pueden componerse de materiales altamente compresibles. Fases que componen el Suelo El suelo a diferencia de cualquier otro material, se compone de tres fases simultáneamente: sólida, líquida y gaseosa. El comportamiento de un suelo depende de la cantidad relativa de cada una de estas tres fases que interactúan entre sí. Fase Sólida: Siempre está presenta en el suelo y usualmente está constituida de partículas derivadas de rocas como la arena, grava, limo y arcilla, incluso de materia orgánica. Fase Líquida: Esta se ubica en los espacios vacíos entre partículas, consiste casi siempre de agua y en casos particulares otros líquidos. Para el estudio de las fases del suelo se asumirá agua en todos los casos por ser un elemento común. Fase Gaseosa: Si el líquido no llena completamente los espacios vacíos estos espacios restantes son ocupados por la fase gaseosa que generalmente es aire aunque puede ser otro tipo de gas, sin embargo se asumirá el aire para todos los casos. Existen dos posibles casos alternativos que también pueden tenerse en un suelo, relacionado con los vacíos del mismo. Si estos vacíos están llenos de aire y no contienen agua se dice que el suelo está seco. En cambio si todos los vacíos están llenos de agua se dice que se halla saturado. Análisis Mecánico El análisis mecánico consiste en la determinación del rango de tamaño de partículas presentes en un suelo, expresado en porcentaje del peso total seco. Es decir que trata de separar por medios mecánicos, los distintos tamaños de partículas presentes en el suelo, expresando cada tamaño de partículas en porcentaje del peso total seco. El método más directo para separar el suelo en fracciones de distinto tamaño consiste en el análisis por tamices, que se lo realiza haciendo pasar una masa de suelo a través de un juego de tamices. El uso de tamices está restringido al análisis de suelos gruesos o no muy finos con un tamaño de partículas cuyos diámetros sean mayores a 0.075 mm. y menores a 3 plg. Sin embargo puede darse la posibilidad que el suelo considerado como fino no sea retenido por ningún tamiz, en este caso se aplica un procedimiento diferente. Para el análisis mecánico de suelos finos se emplea el método del hidrómetro el cual consiste en la sedimentación de las partículas finas. Basados en la ley de Stokes que fija la velocidad a la que una partícula esférica de diámetro dado sedimenta en un liquido en reposo. El análisis por hidrómetro esta restringido para diámetros de partículas menores 0.075 mm. Curva de Distribución de Tamaño de Partículas La curva de distribución de tamaño de partículas nos permite determinar el porcentaje grava, arena, limo y partículas de arcilla presentes en un suelo, pero no solo muestra el rango del tamaño de partículas, sino también el tipo de distribución de varios tamaños de partículas. La forma de la curva de distribución de tamaño de partículas nos puede ayudar también a determinar el origen geológico de un suelo, también puede ser usada para determinar algunos parámetros de un suelo como, diámetro efectivo, coeficiente de uniformidad, coeficiente de gradación, coeficiente de clasificación. Parámetros de un Suelo Los parámetros de un suelo como, diámetro efectivo, coeficiente de uniformidad, coeficiente de gradación, coeficiente de clasificación. Diámetro Efectivo D10: es el diámetro en la curva de distribución de tamaño de partículas que corresponde al 10 % más fino. El diámetro efectivo D10, de un suelo granular es una buena medida para estimar la conductividad hidráulica y el drenaje a través de un suelo. Coeficiente de Uniformidad Cu: expresa la uniformidad de un suelo, y se define como: Un suelo con un coeficiente de uniformidad menor a 2 es considerado uniforme. En realidad la relación es un coeficiente de no uniformidad, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Coeficiente de Gradación o Curvatura CC: mide la forma de la curva entre el D60 y el D10, algunos autores llaman a este parámetro de la curva de distribución del tamaño de partículas como coeficiente de ordenamiento. Valores de CC muy diferentes de la unidad indican la falta de una serie de diámetros entre los tamaños correspondientes al D10 y el D60. Principales Características de las Arcillas Las arcillas se caracterizan por tener una estructura laminar, tener un alto grado de plasticidad, una gran resistencia en seco y poseen una carga negativa neta en sus superficies lo que provoca que las cargas positivas del hidrogeno del agua se adhieran a la superficie de las arcillas. Consistencia y Límites de Consistencia La consistencia se refiere al estado en que se encuentra una masa como resultado de los componentes de un elemento unidos unos a otros. Para el caso de suelos la consistencia está muy relacionada con el contenido de humedad del suelo. En lo que respecta a los suelos finos pueden definirse cuatro estados de consistencia: estado sólido, cuando el suelo está seco, pasando al añadir agua a semisólido, plástico y finalmente líquido. La transición de un estado a otro es muy progresiva, debido a esto se han planteado límites definidos de consistencia, como ser él límite de contracción, límite plástico y límite líquido. Sin embargo estos límites son válidos para fracciones de suelo que pasan por el tamiz Nº 40. Límite de Contracción: este límite separa el estado semisólido del estado sólido. Esta prueba se realiza en con equipo de laboratorio. Cuando empieza a secarse progresivamente el volumen disminuye en proporción con la pérdida del contenido de humedad. El instante en que a un determinado contenido de humedad el volumen empieza a mantenerse constante, a ese contenido de humedad donde el volumen llega a su valor más bajo se denomina límite de contracción (LC). Para poder conocer el límite de contracción, se necesita conocer dos valores: 1. El contenido de humedad de la muestra saturada (ωi). 2. La variación del contenido de humedad (∆ω). De tal manera el límite de contracción será: LC = ωi - ∆ω Limite Plástico: este límite separa el estado plástico del estado semisólido. La prueba para la determinación del límite plástico, consiste en amasar en forma de rollito una muestra de material fino. Este ensayo es explicado en el libro guía de esta materia. Límite Líquido: este límite separa el estado líquido del estado plástico. Para determinar el límite líquido se utiliza una técnica basada en la cuchara de Casagrande. Este ensayo es explicado en el libro guía de esta materia. Índices de Consistencia Al igual que cualquier otro índice los índices de consistencia nos indican el grado de liquidez, plasticidad es decir la consistencia respectiva de una masa de suelo. A diferencia de los límites de consistencia que indican el contenido máximo de humedad para pasar de un estado de consistencia a otro estos nos permiten hacer comparaciones con otros suelos. Índice de Plasticidad (IP): es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico. Expresa el campo de variación en que un suelo se comporta como plástico. Viene definido por la relación: IP = LL - LP No siempre el límite liquido o el límite plástico presenta valores determinantes, considere el caso de la existencia real de algún tipo de arcilla que antes de ser alteradas contengan una humedad mayor al del límite líquido pero que su consistencia no sea nada líquida. También la resistencia de diferentes suelos arcillosos en el límite líquido no es constante, sino que puede variar ampliamente. En las arcillas muy plásticas, la tenacidad en el límite plástico es alta, debiéndose aplicar con las manos considerable presión para formar los rollitos: por el contrario las arcillas de baja plasticidad son poco tenaces en el límite plástico. Algunos suelos finos y arenosos pueden, en apariencia, ser similares a las arcillas pero al tratar de determinar su límite plástico se nota la imposibilidad de formar los rollitos, revelándose así la falta de plasticidad material; en estos suelos el límite líquido resulta prácticamente igual al plástico y aún menor, resultando entonces un índice plástico negativo; las determinaciones de plasticidad no conducen a ningún resultado de interés y los límites líquido y plástico carecen de sentido físico. En estos casos se usa el índice de liquidez. El índice de liquidez será: IL = (w - LP) / (LL - LP) Cuando el contenido de humedad es mayor que el límite líquido, índice de liquidez mayor que 1, el amasado transforma al suelo en una espesa pasta viscosa. En cambio, si el contenido es menor que el límite plástico, índice de liquidez negativo, el suelo no pude ser amasado. El índice de consistencia es: IC = 1 - IL Se debe tomar en cuenta el caso en el que el contenido de humedad (w) es igual al límite líquido (LL), entonces el índice de liquidez (IL) será uno lo que significa que el índice de consistencia será cero. (Consistencia líquida) De igual manera si w = IP entonces IC = 1. Clasificación de los Suelos La clasificación de los suelos permite obtener una descripción apropiada y única de estos y así conocer de qué material se trata en cada caso dándonos una idea clara de sus características y el uso que se le puede dar, los métodos de clasificación de suelos solo consisten en agruparlos en una u otra categoría dependiendo de sus propiedades físicas. Existe una clasificación de las partículas dependiendo su tamaño, de este modo, las partículas se definen como: · Grava: si su tamaño se encuentra entre 76.2 mm y 2 mm. · Arena: si su tamaño es de 2 mm a 0.075 mm. · Limo: si su tamaño es de 0.075 mm a 0.02 mm. · Arcilla: si su tamaño es menor a 0.02 mm. Entre los métodos de clasificación que se utilizan son: · Sistema de Clasificación AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials): este es un sistema de clasificación más apto para material de construcción de vías de comunicación, dando a los materiales una clasificación que va de A-1 a A-7 acompañados de un índice de grupo, en la que los mejores materiales para la construcción de bases y sub-bases son los primeros A-1 y A-2. · Sistema de Clasificación de Suelos Unificado, USCS (Unified Soil Classification System): se trata de un sistema más completo de clasificación que nos permite también conocer las características de plasticidad, gradación y otros de las muestras que se analiza, este método más usual para la ingeniería geotécnica clasifica las muestras mediante las abreviaciones del método y le asigna un nombre con respecto a sus otras características. Para obtener la distribución de tamaños de las partículas se utilizan dos métodos muy difundidos como son el tamizado mecánico y el del hidrómetro que se complementan mutuamente para obtener granulometrías completas hasta tamaños de partículas ínfimos. Para la determinar los límites de consistencia LL, LP e IP (IP = LL – LP) se determinan mediante el ensayo de muestras según métodos normalizados. El sistema de clasificación Unificado clasifica a los suelos en cuatro principales categorías, cada una de estas categorías usa un símbolo que define la naturaleza del suelo: · Suelos de Grano Grueso. Son de naturaleza tipo grava y arena con menos del 50% pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo “G” para la grava o suelo gravoso del inglés “Gravel” y “S” para la arena o suelo arenoso del inglés “Sand”. · Suelos de Grano Fino. Son aquellos que tienen 50% o más pasando por el tamiz Nº 200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M” para limo inorgánico del sueco “mo y mjala”, “C” para arcilla inorgánica del inglés “Clay”. · Suelos Orgánicos. Son limos y arcillas que contienen materia orgánica importante, a estos se los denomina con el prefijo “O” del inglés “Organic”. · Turbas. El símbolo “Pt” se usa para turbas del inglés “peat”, lodos y otros suelos altamente orgánicos. Descripción e Identificación de Suelos La identificación de un suelo consiste en reconocer el tipo de suelo en un sistema de clasificación conocido, en este caso mediante una inspección visual, táctily olfativa, acompañado de algunos ensayos manuales evaluados en forma cualitativa. Mientras que la descripción consiste en aportar información adicional de algunas características notorias del suelo como ser: el color, olor, forma de las partículas del suelo y otras características. Inclusive esta información descriptiva debe usarse para complementar la clasificación de un suelo mediante los ensayos convencionales de laboratorio. En ingeniería civil se utilizan los suelos con dos propósitos: a) Material de préstamo para terraplenes o rellenos. b) Fundaciones de estructuras. Se realiza la descripción de los suelos dependiendo como vayan a ser utilizados. a) Material de Préstamo. Descripción del contenido de humedad seco, húmedo, saturado. b) Para Fundaciones. Estructura natural, densificación en campo, consistencia del suelo, contenido de humedad. En general, se debe seguir el siguiente procedimiento: 1. Nombre típico. 2. Porcentaje aproximado de arena y grava. 3. Máximo tamaño de partículas. 4. Forma de los granos gruesos, angularidad. 5. Condición de la superficie de los granos. 6. Dureza. 7. Color. 8. Humedad. 9. Contenido orgánico. 10. Plasticidad. 11. Estructura. 12. Cementacion. 13. Grado de compacidad (excepto arcilla). 14. Consistencia (solo arcillas). 15. Nombre geológico. 16. Símbolo de grupo. Flujo de Agua Los suelos tienen espacios vacíos interconectados entre sí, a través de los cuales el agua puede fluir desde los puntos de mayor energía hacia los puntos de menor energía; todos los poros del suelo están conectados con sus vecinos. Los poros aislados son imposibles en una agrupación de esferas, cualquiera sea la forma de la misma. En los suelos gruesos, gravas, arenas e incluso limos es difícil imaginar poros aislados. En las arcillas, formadas como es habitual por partículas aplanadas, podrían existir un pequeño porcentaje de huecos aislados. Las fotografías con microscopio electrónico de arcillas naturales sugieren, sin embargo, que incluso en los suelos de grano más fino todos los huecos están interconectados. Como los poros de un suelo están aparentemente comunicados entre sí, el agua puede fluir a través de los suelos naturales más compactos. El estudio del flujo de agua a través de un medio poroso es importante en la mecánica de suelos. Es necesario para la estimación de la cantidad de flujo subterráneo bajo varias condiciones hidráulicas, para la investigación de problemas que envuelven la presión del agua bajo una construcción y para realizar el análisis de estabilidad en presas de tierra y estructuras de soporte hechas de tierra que están sujetas a fuerzas debidas al escurrimiento. Para éste estudio se sigue la ley de Darcy, la cual propone una simple ecuación para la velocidad de descarga del agua a través de los suelos saturados. Se debe tener muy en cuenta que la ecuación de Darcy sólo es aplicable en suelos más finos que las arenas gruesas. Además que el flujo de entre dos puntos cualesquiera dependen sólo de la diferencia de carga total. De la mecánica de fluidos sabemos que, de acuerdo a la ecuación de Bernoulli, la altura total en un punto de análisis de agua en movimiento puede determinarse como la suma de la presión, la velocidad y la elevación. Cabe hacer notar que la altura de elevación, Z, es la distancia vertical de un punto dado por encima o por debajo del plano de referencia llamado Datum a éste. Si se aplica la ecuación de Bernoulli al flujo de agua a través de un medio poroso, como es el suelo, el término de velocidad puede ser despreciado, esto porque la velocidad de desplazamiento es pequeña, por tanto podemos decir que la altura total en cualquier punto es: h = u/γw + v2/2g La altura de presión en un punto es la altura de la columna vertical de agua en el piezómetro instalado en tal punto. Permeabilidad de los Suelos La permeabilidad es una propiedad hidráulica de los suelos, donde el suelo permite hasta cierto grado particular, un movimiento de agua perceptible a través del mismo en estado saturado. La permeabilidad se mide en unidades de área, se considera a los suelos compuestos de grava y arena como de alta permeabilidad, mientras a los suelos arcillosos como muy poco permeables. Superficie o Nivel Freático del Agua Los suelos están formados por partículas minerales con agua o gas entres sus espacios vacíos. Los espacios vacíos están interconectados entre sí de diversas maneras, por lo tanto el agua puede pasar a través de estas en descenso de las zonas de alta presión a las de baja presión. El nivel de agua descenderá hasta detenerse, esto es cuando se encuentre un equilibrio entre la presión atmosférica y la presión de poros del suelo. Este nivel de agua, recibe el nombre de superficie freática o nivel freático de agua. Conceptos Básicos a) Acuífero: El agua que penetra en el suelo por infiltración puede quedar retenida a una profundidad o bien descender a una profundidad mayor. Un acuífero es un estrato subterráneo de arena o grava que almacena esta agua, cuya permeabilidad permite la retención de agua y permitir su movimiento a lo largo de este. Generalmente esta agua es transmitida a zonas de recarga, como: lagos, pantanos, manantiales, pozos y otras fuentes de captación. b) Acuítardo: Es una formación geológica similar al acuífero, que contiene apreciables cantidades de agua, pero este debido a su permeabilidad, la transmite muy lentamente, como fuente de recarga, hacia otros acuíferos. c) Acuícludo: Es una formación geológica compuesta de arcilla (muy baja permeabilidad) que, conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturación, no la transmite. d) Acuífugo: Esta es una formación geológica subterránea, que se caracteriza por no tener intersticios interconectados, es decir que los espacios vacíos entre partículas no están conectados entre sí, por lo tanto, es incapaz de absorber agua y mucho menos transmitirla. Esfuerzos Efectivos Movimientos del terreno e inestabilidades pueden ser causados por cambios en la presión de poros. Por ejemplo, taludes estables pueden fallar después de tormentas de lluvia porque la presión de poros aumenta debido a la infiltración de la lluvia en el talud mientras que el descenso del nivel freático debido a la extracción de agua causa asentamientos en el terreno. Como la compresión y la resistencia del suelo pueden cambiar con cambios del esfuerzo total o con cambios de la presión de poros existe una combinación entre el esfuerzo total y la presión de poros llamada esfuerzo efectivo que rige el comportamiento del suelo. La relación entre esfuerzo total, esfuerzo efectivo, y presión de poros fue descubierta primero por Terzaghi (1936). El definió el esfuerzo efectivo de esta manera: Todos los efectos medibles de un cambio de esfuerzos, tal como la compresión, distorsión, y un cambio de la resistencia al corte, son debidos exclusivamente a cambios del esfuerzo efectivo. El esfuerzo efectivo está relacionado al esfuerzo total y presión de poros por: σ' = σ - µ Importancia: El principio del esfuerzo efectivo es absolutamente fundamental a la mecánica de suelos y su importancia no es exagerada. Esta es la manera en el que el comportamiento del suelo debido a cargas está relacionado al comportamiento debido a cambios de la presión de poros. Debido a que los esfuerzos total y efectivo son diferentes (excepto cuando las presiones de poros son cero) es absolutamente esencial distinguir entre los dos. Los esfuerzos efectivos σ′ y τ′ son siempre denotados por primas mientras que los esfuerzos totales σ y τ no tiene primas. En toda ecuación todos sus componentes deben ser esfuerzos totales, o esfuerzos efectivos, o los esfuerzos totales y efectivos deben estar relacionados correctamente por la presión de poros. Resistencia al Corte La resistencia de un material describe el estado último de esfuerzo que puede soportar antes de que falle. Para suelos que pueden tener niveles altos de deformación se define la falla de acuerdo a sus deformaciones. Se habla de resistencia a la tensión, resistencia a la compresión, resistencia al corte, y así sucesivamente, pensando que estos términos son diferentes, pero estos términos deben realmente estar relacionados a una característica fundamental de resistencia. La conexión entre estas resistencias diferentes es el esfuerzo de corte máximo, o el tamaño del círculo de Mohr más grande que el material pueda soportar. El círculo de Mohr es un diagrama de esfuerzos utilizado para analizar los estados de esfuerzos en un elemento de suelo. El criterio de Mohr-Coulomb es un criterio de falla que indica que la resistencia de un material aumenta linealmente con el aumento del esfuerzo efectivo normal y el material fallará cuando el círculo de Mohr toque una curva límite. Es así que el criterio de Mohr-Coulomb se utiliza para determinar la resistencia de suelos sometidos a cargas en problemas de la ingeniería geotécnica. De esta manera podemos decir que materiales que tienen resistencia pueden soportar esfuerzos de corte y la resistencia es el máximo esfuerzo de corte que pueda ser soportado. Solo los materiales con resistencia pueden tener taludes porque los esfuerzos de corte son requeridos para mantener un talud. Un material sin resistencia al corte, como agua estacionaria, no puede soportar un talud y el círculo de Mohr se reduce a un punto. Teoría del Estado Crítico Los parámetros c y φ de resistencia al corte de Mohr - Coulomb, no son propiedades fundamentales del suelo. Ellos dependen del tipo de ensayo en la cual fueron determinados. La teoría del estado crítico es un esfuerzo por predecir el comportamiento de un suelo saturado sujeto a un sistema de esfuerzos axisimétricos mediante un concepto matemático. La idea central en la teoría del estado crítico es que todos los suelos fallan en una única superficie de falla en un espacio q, p’, e. El modelo de estado crítico incorpora en su criterio de falla cambios de volumen diferente al criterio de Mohr - Coulomb donde la falla solo está definida por la pendiente de la línea de esfuerzos máximos. De acuerdo con el modelo de estado crítico el estado de falla de esfuerzos es insuficiente para garantizar la falla en los suelos. Compactación de los Suelos La construcción de carreteras, presas de tierra y otras estructuras ingenieriles requiere de suelos con buenas características de resistencia y de cargas portantes que por lo general no corresponderán a las características naturales del suelo, es en estos casos que se requiere mejorar las propiedades del suelo con la aplicación de algunos métodos, uno de los más usuales es la compactación. La compactación de los suelos consiste en eliminar de ellos la mayor cantidad de aire presente en su estructura, mediante la adición de cierta cantidad de energía mecánica, la compactación es evaluada en términos de su peso unitario seco (γd), y tiene lugar al añadir una cantidad de agua determinada la cual lubricará las partículas, permitiendo que estas se reordenen en un menor volumen por acción de la energía mecánica, densificando así el suelo. La compactación de los suelos requiere de ensayos en laboratorio que permiten conocer la curva de compactación de la que se obtiene el contenido de humedad optimo (wopt) para alcanzar un peso unitario máximo (γdmax), del que se infiere el que se buscará en campo, estos ensayos se encuentran normalizados y se conocen como ensayo Proctor Estándar y el Proctor Modificado que se realizan sobre muestras de material fino y que en caso de contener mucho material grueso requieren de correcciones que también se encuentran normalizadas. Beneficios de realizar una Compactación en el Suelo a) Reducción o prevención de los asentamientos perjudiciales: Si la estructura se construye en un suelo sin compactar o compactado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la estructura se deforme (asentamientos). El hundimiento es más profundo generalmente en un lado o esquina, por lo que se producen grietas o un derrumbe total de la estructura. b) Aumento de la resistencia del suelo y mejoramiento de la estabilidad del talud: Los vacíos producen debilidad al suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando el suelo compactado, se reducen los vacíos y todas las partículas del suelo están más apretadas, por lo tanto estas pueden soportar cargas mayores. c) Reduce la expansión y contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo durante la estación seca. d) Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo. e) Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la penetración de agua. Incremento de Esfuerzo Vertical Cuando se construye una estructura, al nivel del contacto suelo-fundación, se produce un incremento neto de carga que conduce a un aumento de esfuerzo de la masa de suelo que la soporta. La magnitud de la deformación del suelo por debajo la estructura dependerá del incremento de esfuerzo. Los suelos no se comportan de forma lineal y elástica debido a su naturaleza y composición compleja. Sin embargo, el método más utilizado para la estimación de incremento de esfuerzos, propuesto por Boussinesq en 1883, modela la masa de suelo como un medio elástico, continuo, isotrópico, y homogéneo. En general los suelos son anisotrópicos, no elásticos y heterogéneos, razón por la cual, algunos estudios muestran que la variación entre datos estimados y reales en campo pueden alcanzar variaciones entre el ± 25 a 30%. Boussinesq encontró la ecuación de incremento de carga en cualquier punto de un semiespacio infinito donde actúa una carga puntual, la que fue utilizada para determinar las ecuaciones correspondientes a diferentes tipos de carga flexible. Asentamientos El asentamiento en las fundaciones superficiales está compuesto por tres componentes, el asentamiento inmediato (Si), el asentamiento por consolidación primaria (Sc) y el asentamiento por consolidación secundaria (Ss). El cálculo el sentamiento inmediato en general se basa en la teoría elástica. Los otros dos componentes de asentamiento resultan de la expulsión gradual de agua y del reordenamiento de partículas bajo carga constante, respectivamente. La importancia relativa de los componentes de asentamiento según el tipo de suelo, es presentada en la Tabla. Tipo de suelo Si Sc Ss Arena Si No No Arcilla Relativa Si Relativa Suelo orgánico Relativa Relativa Si Asentamiento Inmediato. Es estimado a partir de los parámetros elásticos del suelo. Para suelos predominantemente cohesivos, esta teoría es buena, debido a que se asumen condiciones de homogeneidad e isotropía no tan alejadas de la realidad. Como datos para el cálculo, se requieren el módulo de elasticidad no drenado EU y el coeficiente de Poisson ν. Por otro lado, para la estimación del asentamiento inmediato de suelos granulares sin cohesión, se recomienda utilizar los métodos semiempíricos en los que sí se toma en cuenta la variación de los parámetros elásticos, como por ejemplo el método de Schmertmann. Asentamiento por Consolidación Primaria. El asentamiento por consolidación es propio de suelos saturados cohesivos o de baja permeabilidad sujetos a un incremento en el esfuerzo efectivo que se traduce en un incremento en la presión de poros. Si bien el agua y las partículas de suelo son virtualmente incompresibles, el cambio de volumen en la masa de suelo se debe a la expulsión gradual del agua de los poros. Para predecir el asentamiento por consolidación, es necesario conocer las propiedades esfuerzo - deformación en una masa de suelo. Para esto, se desarrolla una prueba de laboratorio denominada consolidación unidimensional (prueba del edómetro), en la cual la muestra puede deformarse solamente en dirección vertical. La deformación horizontal es impedida. De forma meramente casual, el método de consolidación primaria unidimensional resulta muy acertado para la estimación del asentamiento total (Si + Sc). Para arcillas rígidas el asentamiento total es igual al asentamiento edométrico (ρtotal=ρedómetro). Para arcillas blandas el asentamiento total es igual a 1,1 veces el asentamiento edométrico (ρtotal=1,1xρedómetro). Finalmente, en cuanto a la estimación del tiempo de consolidación, el Anexo I presenta las ecuaciones y tablas basadas en la teoría de consolidación unidimensional de Terzaghi. Asentamiento por Consolidación Secundaria. A diferencia de la consolidación primaria, el proceso de consolidación secundaria no contempla la expulsión de agua de los poros, sino más bien se refiere a la reorientación, fluencia y descomposición de materiales orgánicos en el suelo por lo que tampoco es preponderante un cambio en el esfuerzo efectivo para su desarrollo. Capacidad de Apoyo Las fundaciones están generalmente diseñadas para satisfacer ciertos criterios de servicio y resistencia. El criterio de servicio indica que la fundación debe satisfacer su propósito de diseño bajo cargas de operación normales de la estructura o equipo que soporta. Estas limitaciones de servicio son típicamente los asentamientos u otras limitaciones de movimiento. El criterio de resistencia tiene el propósito de asegurar que la fundación tiene suficiente resistencia de reserva para resistir las grandes cargas ocasionales que pueden experimentarse debido a fuerzas del entorno u otras fuentes. El criterio de servicio es típicamente una consideración a largo plazo para una fundación que puede depender de la consolidación del terreno. La resistencia de la fundación, o la capacidad de soporte, puede ser un problema a corto plazo como la construcción de un terraplén o una fundación en condiciones no drenadas o un problema a largo plazo donde la carga máxima sobre la fundación puede llegar en un tiempo no conocido. Los términos utilizados que relacionan presiones de soporte y capacidad de soporte son los siguientes: a) Carga Última de Apoyo, qu: Es el valor de la intensidad de carga a la cual el terreno falla en corte. b) Máxima capacidad segura de apoyo, qs: Es la carga última de apoyo dividida por un factor de seguridad adecuado. c) Carga admisible, qa: La carga admisible de un suelo es la máxima presión bruta permisible en el terreno en cualquier caso dado, tomando en consideración la máxima capacidad segura de apoyo, la cantidad estimada y velocidad de asentamiento que ocurrirá, y la capacidad de la estructura para soportar estos asentamientos. La fundación al alcanzar la carga última de apoyo puede fallar en diferentes modos de falla: a) Falla por Corte General: Se da cuando la carga sobre la fundación alcanza la carga última de apoyo, qu, y la fundación tiene un asentamiento grande sin ningún incremento mayor de carga. b) Falla por Corte Local: Se da generalmente en terrenos de arena de densidad suelta a media. En este tipo de falla, las superficies de falla, a diferencia de la falla por corte general, terminan en algún lugar dentro del suelo. Para el cálculo de la carga última de apoyo se han utilizado extensivamente ecuaciones desarrolladas según la teoría del análisis del equilibrio límite. Entre estas ecuaciones, las ecuaciones de Terzaghi, Meyerhof, Hansen, y Vesic han sido las normalmente utilizadas. Estas ecuaciones toman en cuenta la forma y la profundidad de la fundación, inclinación de la carga, la base de la fundación y la superficie del terreno. Las ecuaciones de Meyerhof, Hansen y Vesic utilizan la misma ecuación básica, pero los factores de forma, profundidad, inclinación, y Nγ son calculados de diferente manera, siendo la diferencia entre ellos en algunos casos pequeña. El cálculo de la capacidad portante puede ser realizado para condiciones drenadas o a largo plazo donde se deben emplear los parámetros efectivos del suelo. Si las condiciones son a corto plazo o nodrenadas entonces se emplean los parámetros totales del suelo. Presión Lateral del Suelo Los muros de contención son obras civiles cuya función es la de retener masas de suelo natural o rellenos a distintos niveles. En general, existen dos tipos de muros de contención, los muros de gravedad y los muros tipo ménsula. Los muros de gravedad son construidos de hormigón en masa sin refuerzo de acero y por lo general son de gran volumen, en cambio los muros de tipo ménsula son esbeltos ya que están construidos con hormigón armado, su utilización es muy común y a veces más económica. El cuerpo del muro está sometido a la presión lateral que ejerce el terreno sobre el mismo. Existen tres categorías de presión lateral, la presión lateral en reposo, la presión lateral activa y la presión lateral pasiva. La presión lateral en reposo es desarrollada por la masa de suelo únicamente cuando el muro que la retiene es indesplazable y muy rígido, impidiendo su movimiento hacia el relleno o hacia fuera. Si el muro se mueve hacia fuera, la presión sobre el mismo disminuirá progresivamente hasta alcanzar un valor mínimo en el instante en que se produce la falla por cortante, el valor mínimo de presión desarrollado se denomina presión lateral activa. Por el contrario, si el muro se mueve hacia el relleno, la presión lateral aumentará gradualmente hasta alcanzar un valor máximo en el instante en que se produce la falla por cortante, el valor máximo de presión desarrollado se denomina presión lateral pasiva. En general, el diseño de muros de contención es un análisis iterativo en el que se asumen algunas dimensiones iniciales para verificar las condiciones de estabilidad hasta encontrar las más apropiadas, seguras y económicas. La verificación de estabilidad de un muro incluye la posibilidad de volteo alrededor de la puntera, la falla por deslizamiento sobre su base, la capacidad portante y asentamiento de su fundación y la estabilidad global del sistema en general. Estabilidad de Taludes La superficie de la tierra es raramente plana y por lo tanto existen taludes en muchos lugares. Aún el terreno relativamente plano frecuentemente tiene ríos y canales de drenaje con taludes en los lados. Los taludes pueden ser naturales, debidos a la erosión por ríos o el mar, o construidos por medio de una excavación o relleno. Los taludes construidos para caminos y represas son permanentes, y taludes temporales son requeridos durante la construcción de fundaciones y estructuras subterráneas. La geometría de un talud puede ser caracterizado por su ángulo β y altura H. Las cargas en el talud se deben al peso propio del suelo y a cargas externas, que pueden venir de fundaciones en la parte superior del talud o agua en la excavación. Un caso especial de un talud es un corte vertical, tal como los lados de una zanja, donde β = 90º. En el suelo detrás del talud existirán esfuerzos de corte que son requeridos para mantener el talud (materiales que no pueden soportar esfuerzos de corte no pueden tener taludes). Por lo tanto se deben realizar cálculos para verificar la seguridad de taludes naturales, taludes de excavaciones, y terraplenes compactados. Esta verificación concierne la determinación y comparación del esfuerzo de corte desarrollado a lo largo de la superficie de ruptura con la resistencia al corte del suelo. Este proceso se llama análisis de estabilidad de taludes. La superficie de ruptura es el plano crítico que tiene el factor de seguridad mínimo. El análisis de estabilidad de un talud no es una tarea fácil. La evaluación de las variables como la estratificación del suelo y sus parámetros de resistencia al corte en campo llegan a ser un trabajo muy extenso. La infiltración a través del talud y la elección de la superficie de deslizamiento potencial añaden a la complejidad del problema. En este capítulo se desarrollan variados problemas concernientes al análisis de estabilidad de taludes. Exploración del Subsuelo Para el diseño de una fundación y su construcción, es necesario conocer la actual estratificación del suelo, los resultados de laboratorio de muestras obtenidas a varias profundidades y las observaciones realizadas durante la construcción de otras estructuras obtenidas en similares condiciones. Para este propósito una exploración del subsuelo adecuado es necesaria. Los objetivos de la exploración del subsuelo son entre otros: 1. Determinar la naturaleza y estratificación del suelo en el sitio. 2. Obtener muestra. 3. s de suelo disturbados y no disturbados, para una identificación visual y ensayos de laboratorio apropiados. 4. Determinar la profundidad y naturaleza del lecho rocoso, si este es encontrado. 5. Realizar ensayos de campo en sitio, como SPT, CPT, veleta de corte y otros. 6. Observar las condiciones de drenaje tanto superficial como subsuperficial. 7. Observar posibles problemas constructivos ya sea por la topografía o por la existencia de estructuras próximas. Un programa de exploración del suelo para una determinada estructura se divide en cuatro categorías principales: Recolección de Información Preliminar Este paso incluye la obtención de información acorde al tipo de estructura y su uso. Para la construcción de un edificio se deberá conocer, la distancia entre columnas, la magnitud de sus cargas y los requerimientos del código de construcción local. Una idea general de la topografía y el tipo de suelo, puede ser encontrado en mapas geológicos locales y nacionales, en oficinas estatales de agricultura, publicaciones sobre agricultura, publicaciones de información hidrológica, mapas hidrológicos, manuales y publicaciones del departamento estatal de caminos. Reconocimiento El ingeniero siempre hará una inspección visual del terreno para la obtención de información básica sobre: 1. La topografía general, existencia de drenajes, presas, taludes, grietas que indiquen suelos expansivos, etc. 2. Estratificación del suelo, por excavaciones hechas anteriormente, cortes realizados en caminos próximos, etc. 3. Tipo de la vegetación en el sitio, el cual puede indicar la naturaleza del suelo. 4. Humedad en construcciones próximas, puede indicar nivel freático alto así como venas de capilaridad por la cercanía de un río. 5. Observaciones en construcciones próximas tales como grietas en muros, asentamiento de columnas y otros pueden indicar problemas de asentamientos. Investigación del Sitio Esta etapa consiste en la realización de ensayos tanto en sitio como en laboratorio. La profundidad de sondeo depende del suelo encontrado, sin embargo para determinar una profundidad mínima, el ingeniero puede usar reglas dadas por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. 1. Determinar los incrementos de esfuerzo ∆σ, bajo la fundación a diferentes profundidades. 2. Estimar la variación del esfuerzo vertical σ’v con la profundidad. 3. Determinar la profundidad D1 en el cual ∆σ es igual a q/10, donde q es la presión neta estimada que transmite la fundación. 4. Determinar la profundidad D2 en el cual ∆σ/σ’v=0,05. 5. Si es que el lecho rocoso no fuera encontrado durante el proceso de perforación, la mínima profundidad de exploración será el menor valor entre D1 y D2. Técnicas de Muestreo en Suelos Uno de los propósitos principales de los sondeos es la obtención de muestras representativas del suelo. Estos se utilizan para determinar el perfil del suelo y realizar ensayos de laboratorio. Hay dos tipos de muestras: disturbadas y no disturbadas. Una muestra disturbada es aquella compuesta por suelo alterada por los procesos de perforación. Estas son utilizadas para la realización de ensayos de clasificación y ensayos de compactación Proctor. Una muestra no disturbada es aquella recuperada completamente intacta, conservando las estructura y esfuerzos propios del suelo en el sitio. Estas muestras son requeridas para ensayos de laboratorio tales como ensayos de consolidación y ensayos de corte. Se obtienen mediante tubos Shelby, los que tienen pared delgada. Métodos Geofísicos Son métodos indirectos cuyo principio es el siguiente: Consiste en generar ondas de choque en el suelo, las cuales viajan por el subsuelo hasta el lecho rocoso. Usando sensores denominados geófonos se mide el retorno de estas ondas en la superficie. De acuerdo a la magnitud, tiempo y características de las ondas de retorno es posible estimar el perfil geológico del suelo. REPORTE DE LA EXPLORACIÓN Al finalizar la exploración, luego de realizar los ensayos tanto de campo como de laboratorio, se deberá prepara un reporte de los resultados para el uso en el diseño estructural. Un reporte podrá contener la siguiente información. 1. Alcance de la investigación. 2. Descripción general de la estructura propuesta para la cual se realizó la exploración. 3. Condiciones geológicas del sitio. 4. Facilidades de drenaje del sitio. 5. Detalles del sondeo. 6. Descripción de las condiciones del subsuelo determinadas por las muestras de suelo. 7. Profundidades del nivel freático observado en la exploración. 8. Detalles de las fundaciones recomendadas y sus alternativas. 9. Algunos problemas constructivos que puedan tenerse. 10. Limitaciones de la investigación. Las siguientes presentaciones graficas también necesitan ser adjuntadas al reporte: 1. Mapa de la localización del sitio. 2. Localización de las perforaciones con respecto a la estructura propuesta. 3. Esquema de los detalles obtenidos de cada una de los sondeos. 4. Resultados de ensayos en laboratorios. 5. Otras presentaciones especiales. CANTERA Una cantera es una explotación minera, generalmente a cielo abierto, en la que se obtienen rocas industriales, ornamentales o áridos. Las canteras suelen ser explotaciones de pequeño tamaño, aunque el conjunto de ellas representa, probablemente, el mayor volumen de la minería mundial. Los productos obtenidos en las canteras, a diferencia del resto de las explotaciones mineras, no son sometidos a concentración. Las principales rocas obtenidas en las canteras son: mármoles, granitos, calizas y pizarras. Toda cantera tiene una vida útil, y una vez agotada, el abandono de la actividad puede originar problemas de carácter ambiental, principalmente relacionados con la destrucción del paisaje. MECÁNICA DE SUELOS En ingeniería, la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925. Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos. Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono. En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos. Génesis y composición de suelos Génesis El mecanismo primario de creación de suelos es la erosión de rocas. Todos los tipos de rocas (ígneas, metamórficas y sedimentarias) pueden ser reducidas a partículas menores para crear suelo. Los mecanismos de erosión dependen del agente, pudiendo ser físico, químico y biológico. Las actividades humanas como las excavaciones, explosiones y deposición de residuos y material pueden crear también suelos. A lo largo del tiempo geológico los suelos pueden ser alterados por presión y temperatura hasta convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, o volver a ser fundidos y solidificados, volviendo a ser ígneos y cerrando el ciclo de las rocas. La erosión física incluye los efectos de la temperatura, heladas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La erosión química incluye la disolución del compuesto de la roca y la precipitación en forma de otro mineral. La arcilla, por ejemplo, puede formarse a través de la erosión del feldespato, que es uno de los minerales más comunes de las rocas ígneas. El mineral más común de la arena es el cuarzo, que es también un componente importante de las rocas ígneas y se le llama Óxido de silicio (IV). En resumen todos los suelos del mundo son partículas más pequeñas provenientes de las rocas. Las partículas más grandes son denominadas gravas. Si las gravas se parten en partes más pequeñas pueden convertirse en arena, de esta al limo y de este a la arcilla, que es la división más pequeña. De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, las partículas limosas tienen un rango de tamaños entre los 0,002 mm a los 0,075 mm y las partículas de arena tienen un tamaño entre 0,075 mm a 4,75 mm. Las partículas de gravas se consideran entre un rango que va de los 4,75 mm a los 100 mm y por encima de esto se denominan bloques. Transporte Ejemplo de horizontes del suelo a) coluvión y suelo más alto b) suelo residual maduro c) suelo residual joven d) roca erosionada. Los depósitos de suelo están afectados por el mecanismo del transporte y la deposición hasta su localización. Los suelos que no han sido transportados sino que provienen de la roca madre que subyace por debajo de éstos se denominan suelos residuales. El granito descompuesto es un ejemplo común de suelo residual. Los mecanismos más comunes del transporte son la acción de la gravedad, hielo, viento y agua. Los procesos eólicos incluyen las dunas de arena y los loess. El agua transporta las partículas en función de su tamaño y la velocidad de las aguas, de ahí la distribución granulométrica que aparecen en muchos ríos en función del punto donde se tome la muestra. Generalmente la arcilla y el limo se acumulan en las zonas más lentas del río, o en lagos y pantanos, mientras que las arenas y gravas se acumulan en el lecho de los ríos. La erosión de los glaciares es capaz de desplazar grandes bloques de piedra y partirlos en su camino hacia la desembocadura. La gravedad también es capaz de transportar grandes cantidades de materiales desde la cima de las montañas a los valles. A estos depósitos formados en las faldas de las montañas se le denominan coluvión. El mecanismo del transporte también afecta a la forma de las partículas, por ejemplo, las partículas de los ríos suelen ser redondeadas y los coluviones suelen presentar fracturas frescas. Composición del suelo Mineralogía del suelo Arcillas, limos, arenas y gravas están clasificados por su tamaño, pero eso pueden consistir en una gran variedad de minerales. Debido a la estabilidad del cuarzo respecto a otras rocas minerales, es el material constituyente más común de la arena y el limo. Mica y feldespato son otros minerales comunes presentes en arenas y limos. Los minerales constituyentes de gravas suelen ser muy similares a los de la roca madre. Los minerales más comunes en las arcillas son la montmorillonita, la esmectita, la ilita y la kaolinita. Estos minerales tienden a formar estructuras en placa con un rango entre y y un rango de grosores entre y , y tienen una superficie específica relativamente grande. La superficie específica es definida por el ratio de área superficial de partículas entre la masa de la partículas. Los minerales de la arcilla tienen un rango de superficie específica de 10 a 1.000 metros cuadrados por gramo. Esto hace que las arcillas tengan unas propiedades químicas y electrostáticas completamente distintas a la de otros materiales. Los minerales de los suelos están predominantemente formados por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en formas cristalinas. Estos elementos junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de La Tierra. Relación masa-suelo Un diagrama de fase de suelo indicando la masas y volúmenes del aire, sólido, líquido y huecos. Hay una gran variedad de parámetros1 usados para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define estos parámetros y algunas de sus interrelaciones. La notación básica sería: , , and representa el volumen de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelos; , , and representa el peso del aire, agua y sólidos en una mezcla de sólidos; , , and representa la masa del aire, agua y sólidos en la mezcla de sólidos; , , and representa las densidades de los constituyentes (aire, agua y sólidos) en una mezcla de suelo; Nótese que el peso, W, puede ser obtenido multiplicando la masa, M, por la aceleración de la gravedad, g, e.g., Gravedad específica es el ratio entre la densidad del material y la densidad del agua pura (). Gravedad específica de sólidos, Nótese que las unidades de peso convencionales pueden ser obtenidas multiplicando la densidad por la aceleración debida a la gravedad, . Densidad o Densidad húmeda , son los nombres distintos que se le da a la densidad de la mezcla, es decir el total de aire, agua y sólido dividido por el volumen de agua, aire y sólidos. (la masa del aire se aproxima a cero para propósitos prácticos): Densidad seca, , es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos: Densidad de flotación, o Densidad sumergida , se define como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, lo cual es útil en suelos sumergidos: donde es la densidad del agua Contenido en agua o Humedad, es el ratio de masa de agua respecto a la masa de sólido. Es fácil de medir ya que es el cociente entre la muestra natural y la muestra secada al horno y pesada de nuevo. El procedimiento está estandarizado por la ASTM. Índice de huecos, , es el ratio de volumen de huecos por el volumen de sólidos: Porosidad, , es el ratio entre el volumen de huecos y el volumen total, y está relacionado con el índice de huecos: Grado de saturación, , ratio entre el volumen de agua y el volumen de huecos, así una muestra S=1 estará completamente húmeda y no admitirá más agua: De las definiciones de arriba se pueden derivar las siguientes: Tensión efectiva y capilaridad: condiciones hidrostáticas Esquema del aparato usado para efectuar la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante. En la actualidad esta prueba se ha visto desplazada por las pruebas de compresión triaxial Para entender la mecánica de suelos es necesario entender cómo actúan las tensiones normales y efectivas entre las distintas fases. Ni la fase líquida ni la gaseosa aportan resistencia significativa a tensión cortante. La resistencia de cortante del suelo proviene de la fricción y el bloqueo interno de las partículas. La fricción depende de las tensiones de contracto entre las partículas sólidas. Por otro lado, las tensiones normales se distribuyen por todo el fluido y las partículas. Aunque los poros de aire son relativamente compresibles, pero los poros llenos de agua no por lo que en caso de esfuerzo normal las partículas se reordenarán distribuyendo toda la tensión por los fluidos, juntando aún más las partículas. El principio de tensión efectiva, introducida por Karl Terzaghi, determina que la tensión efectiva σ',es decir, la tensión media intergranular entre partículas sólidas puede ser calculada por una simple resta de la presión de los poros de la presión total: donde σ es la tensión total y u es la presión del poro. No es práctico medir σ' directamente, así que en la práctica la tensión vertical efectiva se calcula a partir de la presión de los poros y la tensión total vertical. La distinción entre los términos de presión y tensión es también importante. Por definición, la presión en un punto es igual en todas las direcciones pero la tensión de un punto puede ser distinta en diferentes direcciones. En mecánica de suelos, las tensiones y presiones de compresión se consideran positivas y las presiones de tensión se consideran negativas, a la inversa de la convención utilizada en mecánica de sólidos. Presión total Para condiciones a nivel de suelo, la presión vertical total en un punto, , en promedio, es el peso de todo lo que quede por encima de dicho punto por unidad de área. La tensión vertical bajo una capa superficial uniforme con densidad , y grosor es por el ejemplo: donde es la acelaración debida a la gravedad, y en la unidad de masa de la capa superior. Si hay varias capas encima de distintas densidades o capas de agua se puede obtener el valor total sumando el producto de todas las capas. La tensión total aumenta con el incremento de la profundidad en proporción a las densidades de las capas superiores. Para calcular la tensión total horizontal se tiene que acudir a otras fórmulas, basada en la tensión vertical. Presión de poros de agua Condiciones aerostáticas Tubo capilar de agua Si no hubiera flujo de agua entre los poros, la presión de los poros de agua sería hidrostática. La tabla de agua o nivel freático está situada a la profundidad donde la presión de agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión de agua aumenta linearmente con la profundidad por debajo del freático. donde es la densidad del agua, y es la profundidad por debajo del nivel freático. Acción capilar Agua en los contactos de los granos Debido a la tensión superficial el agua puede subir mediante los pequeños huecos que se producen en el suelo. De esta forma el agua puede ascender por encima de la tabla de agua por los pequeños poros entre las partículas de suelo. De hecho el suelo puede saturarse completamente por encima de la tabla de agua. Por encima de la altura de saturación capilar, el contenido de agua en el suelo puede disminuir con la cota. Si el agua en la zona capilar no se está desplazando, la presión del agua obliga al equilibrio de la ecuación hidrostática, , sin embargo es negativa por encima del nivel freático. Por tanto, las presiones hidrostáticas del agua por encima del nivel freático son negativas. El grosor de la zona de capilaridad depende del tamaño de las partículas del suelo, pero generalmente, las alturas pueden variar entre centímetros (para un suelo arenoso) a decenas de metros (para un suelo arcilloso o limoso) Fuerza de contacto intergranular, debida a la tensión superficial. Clasificación del suelo Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas del suelo en función de varios experimentos (secado, paso por tamizes y moldeado). Estos experimentos aportan la información necesaria sobre las características de los granos del suelo que los componen. Hay que decir que la clasificación de los tipos de granos presentes en el suelo no aporta información sobre la "estructura" o "fábrica" del suelo, condiciones que describen la compacidad de las partículas y el patrón en la disposición de las partículas en un zona de carga tanto como el tamaño del poro o la distribución de fluido en los poros. Los ingenieros geológicos también clasifican el suelo en función de su génesis o su historial de estratificación. Clasificación de los granos del suelo En Estados Unidos y otros países se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (Unified Soil Classification System o USCS). En Reino Unido se emplea la Norma British Standard BS5390 y también es muy conocida la clasificación del suelo de la AASHTO. En España se usa la clasificación del PG-3 para obras de carreteras. Clasificación de arenas y gravas En el SUCS, gravas (que tienen el símbolo G) y arenas (con el símbolo S) están clasificadas de acuerdo al tamaño del grano y su distribución. Para el SUCS, las gravas pueden ser clasificadas por GW (grava bien gradada), GP (grava pobremente gradada), GM (grava con una gran cantidad de limo), o GC (grava con una importante cantidad de arcilla). Igualmente las arenas pueden ser clasificadas como SW, SP, SM o SC. Arenas y gravas con una pequeña pero importante cantidad de finos (entre el 5% y 12%) pueden tener una clasificación doble, como por ejemplo SW-SC. Límites de Atterberg Arcillas y limos, a veces llamados "suelos de finos", son clasificados en función de sus límites de Atterberg; los más usados son el Límite Líquido (denotado por LL o ), Límite Plástico (denotado por PL o ), y el límite de retracción (denotado por SL). El límite de retracción corresponde al contenido de agua por debajo del cual el suelo no se retrae si se seca. El límite líquido y el límite plástico están arbitrariamente determinados por la tradición y convenciones. El límite líquido se determina midiendo el contenido en agua de una cuchara cerrada después de 25 golpes en un test estandarizado.3 También se puede determinar mediante un test de caída en un cono. El límite plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible moldear cilindros con la mano menores de 3 milímetros. El suelo tiende a quebrarse o deshacerse si baja esa humedad. El índice de plasticidad es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico del extracto de suelo. Es un indicador de cuanta agua puede absorber el suelo. Clasificación de limos y arcillas Gráfica para clasificar suelos finos por el sistema USCS. De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, los limos y arcillas están clasificados en función de los valores de su índice de plasticidad y límite líquido en una gráfica de plasticidad. La línea A de la gráfica separa las arcillas (C) de los limos (M). El límite líquido de 50% separa los suelos de alta plasticidad (se añade la letra H) de los de baja plasticidad (se añade la letra L). Otras posibles clasificaciones de limos y arcillas están dadas por ML, CL y MH. Si los límites de Atterberg caen en un punto de la gráfica cercano al origen pueden recibir una clasificación dual 'CL-ML'. Índices relativos a la resistencia del suelo Índice de liquidez Los efectos del contenido del agua en la resistencia de los suelos saturados puede ser cuantificada por el uso del índice de liquidez o leche: Densidad relativa La densidad de arenas (suelos sin cohesión) está caracterizada a veces por su densidad relativa, Roca y suelo Los términos roca y suelo, en las acepciones en que son utilizados por el ingeniero civil y a diferencia del concepto geológico que supone roca a todos los elementos constitutivos de la corteza terrestre, implican una clara diferencia entre dos tipos de materiales. La roca es considerada como un agregado natural de partículas minerales unidas mediante grandes fuerzas cohesivas. Y se llama roca a todo material que suponga una alta resistencia, y suelo, contrariamente, a todo elemento natural compuesto de corpúsculos minerales separables por medios mecánicos de poca intensidad, como son la agitación en agua y la presión de los dedos de la mano. Para distinguir un suelo de una roca se puede hacer uso de un vaso de precipitado con agua en el que se introduce la muestra a clasificar y se agita. La desintegración del material al cabo del tiempo conduce al calificativo de suelo, considerándose roca en el caso de efectos contrarios. Por medio de la compresión se puede establecer una frontera numérica; si el material rompe a menos de 14 kg/cm² se toma como suelo, significándose que tal límite es arbitrario y que, en ocasiones, muestras que superan en el laboratorio el supradicho esfuerzo son manejadas con los criterios de suelo. Con el paso del tiempo y debido a fenómenos de meteorización, la roca va perdiendo progresivamente su resistencia mecánica y se transforma en suelo. Métodos de prospección de suelos Un estudio de mecánica de suelos nos debe llevar a obtener un conjunto de datos que nos permita tener una mejor idea acerca de las características que presenta el suelo donde vamos a construir. Hablando de esas características lo que un ingeniero civil o el proyectista requiere son las propiedades físicas del subsuelo, para esto se deben de tomar muestras del suelo las cuales serán llevadas a un laboratorio donde una persona preparada en el tema nos reportara los datos que necesitamos. Existen dos tipos de sondeos los preliminares y los definitivos. Pruebas índice en los suelos parcialmente saturados, saturados y secos Contenido de humedad W%=W_W/W_S *100 Relación de vacíos e=V_V/V_S Porosidad n%=V_V/V_M *100 Peso específico o volumétrico γ=W/V Grado de saturación Gw%=V_W/V_V *100 Densidad de sólidos Ss=W_S/(V_S γ_W) Estratigrafía La estratigrafía es la rama de la geología que trata del estudio e interpretación de las rocas sedimentarias, metamórficas y volcánicas estratificadas, y de la identificación, descripción, secuencia, tanto vertical como horizontal, cartografía y correlación de las unidades estratificadas de rocas.1 Divisiones de la estratigrafía La estratigrafía se puede dividir en diferentes áreas especializadas, todas interrelacionadas entre sí y con otras ciencias: Análisis de facies, que estudia las facies en todos sus aspectos: composición, génesis, asociaciones, secuencias, distribución, etc. Es un campo de intersección con la sedimentología. Litoestratigrafía, encargada de la caracterización litológica (composición y estructura) de las sucesiones estratigráficas y de la definición de unidades litoestratigráficas, como las formaciones. Bioestratigrafía, que estudia el contenido, sucesión y distribución del registro fósil en las rocas, en estrecha relación con la paleontología. De ella dependen las unidades bioestratigráficas. Cronoestratigrafía, se ocupa de la ordenación relativa de las rocas en el tiempo y del establecimiento de unidades cronoestratigráficas. De la datación absoluta de las mismas se ocupa la geocronometría, una rama de la geocronología. Magnetoestratigrafía, que estudia la sucesión de los cambios en la orientación de los polos magnéticos de la tierra (paleomagnetismo) y el establecimiento de una escala paleomagnética. Quimioestratigrafía, que se ocupa de la composición geoquímica de los materiales sedimentarios de la corteza terrestre, así como del análisis de la variación a lo largo del tiempo de la acumulación en las rocas de determinados elementos, isótopos o compuestos químicos. Estratigrafía secuencial, que estudia las secuencias deposicionales y las unidades tectosedimentarias, conjuntos de sedimentos agrupados con criterios genéticos, sedimentológicos y tectónicos. Análisis de cuencas es el estudio global de las cuencas sedimentarias, integrando todos los datos sedimentológicos, estratigráficos, tectónicos, petrográficos, etc. Es el objetivo último de los estudios estratigráficos y uno de los de mayor trascendencia económica por su aplicación en la prospección de recursos naturales. En base a las unidades bioestratigráficas, cronoestratigráficas y geocronométricas se establecen las unidades geocronológicas, y su compendio integra la escala temporal geológica, otro de los objetivos de la estratigrafía. Principios de la estratigrafía Principio del uniformismo o actualismo: Las leyes que rigen los procesos geológicos han sido las mismas y producen los mismos efectos durante toda la historia de la Tierra. Principio de la sucesión de eventos: Todo acontecimiento que afecte a las rocas es posterior a las mismas. Principio de la superposición de estratos: los niveles superiores serán más recientes que los inferiores. Principio de la horizontalidad original: Los estratos se depositan siempre de forma horizontal o subhorizontal y permanecen horizontales si no actúa ninguna fuerza sobre ellos. Principio de la continuidad lateral: un estrato tiene la misma edad a lo largo de toda su extensión horizontal. Principio de sucesión faunística: Los estratos que se depositaron en diferentes épocas geológicas contienen distintos fósiles, debido a la naturaleza continua e irreversible de la evolución biológica. De igual manera las capas que contienen fósiles pertenecientes a los mismos taxones, aunque sean de diferente litología, serán de la misma edad. Generalidades Estratificación es la disposición en capas, más o menos paralelas, de algunas rocas sedimentarias, ígneas y metamórficas. Estrato es cada una de las capas de que consta una formación de rocas estratificadas. Techo del estrato es su superficie superior. Muro o base del estrato es su superficie inferior. Potencia del estrato es el espesor comprendido entre el techo y el muro. Secuencia estratigráfica es una sucesión de estratos. Serie estratigráfica es una sucesión de estratos con continuidad en el tiempo y separada de otras series por una discontinuidad estratigráfica. Laguna estratigráfica es la ausencia de materiales que puede ser tanto por erosión como por la ausencia del registro de la sedimentación. Dirección del estrato es el ángulo respecto al Norte magnético que forma la recta definida por la intersección del estrato con la horizontal. Buzamiento del estrato es el ángulo de abatimiento, respecto a la horizontal, que forma el estrato, medido perpendicularmente a su dirección. Datación de los estratos Relativa Ordena los estratos y acontecimientos en una secuencia según su antigüedad. Absoluta Permite hallar la edad de un estrato o acontecimiento geológico determinado, por los métodos: Biológicos: analizan ritmos biológicos que siguen intervalos regulares de tiempo en su desarrollo (los anillos de los árboles y las estrías de los corales). Sedimentológicos: Analizan los depósitos de sedimentos que siguen intervalos regulares de tiempo. Ejemplo: las varvas glaciares son sedimentos en el fondo de los lagos glaciares. En invierno se deposita un sedimento delgado y oscuro; y en verano, uno grueso y claro. Así, cada pareja de capas corresponde a un año. Radiométricos: se basan en el período de semidesintegración de los elementos radiactivos; éstos transforman en dicho período la mitad de su masa en elementos no radiactivos. Así, conocido el período de semidesintegración de un elemento radiactivo contenido en un estrato y el porcentaje del elemento radiactivo que se ha desintegrado, se puede precisar la antigüedad del material. Algunos conceptos estratigráficos Inversión estratigráfica La inversión estratigráfica consiste en la formación de un pliegue inclinado hasta tal punto que, en alguna parte del corte estratigráfico, los estratos más antiguos se encuentran dispuestos sobre los más modernos. Discontinuidad o discordancia estratigráfica La discontinuidad o discordancia estratigráfica es la separación entre dos series estratigráficas, debida a la existencia de una laguna estratigráfica. Hay varios tipos: Discordancia angular: la serie antigua se encuentra plegada, de modo que forma un ángulo con la serie moderna. Esto supone una etapa de plegamiento posterior al depósito de los materiales más antiguos, una etapa de erosión, y finalmente la sedimentación de los materiales modernos. Discordancia erosiva o disconformidad: la serie antigua se encuentra erosionada en su parte superior, y sobre ella se ha depositado la serie moderna. Los estratos se mantienen paralelos, pero su superficie de contacto muestra la cicatriz producida por la erosión que puede ser irregular. Inconformidad: La serie estratigráfica está depositada sobre un material no estratificado (rocas metamórficas o ígneas). Paraconformidad: la separación entre las dos series estratigráficas es horizontal y, por lo tanto, no se distingue de la separación normal entre dos estratos. DESARROLLO DEL TEMA Ubicación El terreno destinado para el estudio cuenta con libre disponibilidad y está localizado en la parte alta de la localidad de Huánuco. Sin embargo el terreno cuenta con una accesibilidad a través de la trocha carrozable del estadio “HERACLIO TAPIA-MARABANBA, en la jurisdicción del Distrito de Huánuco. Departamento: Huánuco Provincia: Huánuco Distrito: Huánuco Localidad: Marabamba Lugar: Visagaga Altitud: 1800 msnm DATOS CLIMÁTICOS Con una temperatura promedio es de 24 °C, la temperatura más baja en el invierno, es en los meses de julio y agosto (21 °C en el día y 17 °C en las noches). La temperatura más alta en la primavera, en los meses de noviembre y diciembre (30 °C en el día). Este clima es seco. INSTRUMENTOS 1. BOTELLAS DE PLASTICO Se utilizó para contener la muestra y el agua. 2. SAL Se utilizó en el agua dentro de las botellas 3. REGLA Se utilizó para hacer las respectivas mediciones 4. Calculadora Para la realización de los cálculos correspondientes al trabajo 5. CÁMARA DIGITAL. Dispositivo electrónico utilizado con el mismo fin que una cámara fotográfica o filmadora pero con tratamiento y almacenamiento digital de la imagen que captura. 3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 3.1.1 METAS FÍSICAS (OBJETIVO) La meta principal del proyecto comprende en: Realizar la prueba de la botella con la muestra recogida de la cantera ubicada en pucayacu. Realizar una medición empírica en el volumen de la cantera para determinar el material disponible Realizar nuestras prácticas en campo para nuestra preparación universitaria y profesional. Al término de la asignatura, el estudiante tendrá una idea más clara sobre el volumen y las cantidades de material que posee la cantera. 3.1.2 CARACTERÍSTICAS Se dio por comienzo al trabajo con la toma de la muestra de la cantera ubicada en pucayacu, culminado esto dimos por comienzo el DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL, sobre el cual se plantearon los modelos de las Curvas Horizontales que irían en ésta, ya teniendo una idea clara del aspecto que adoptaría la Carretera. En Gabinete se procedió con el Estacado sobre nuestro eje principal. 3.1.3 PLAZO DE EJECUCIÓN El trabajo completo abarco un plazo aproximado de 01 semana incluyendo visitas cantera y los cálculos correspondientes realizados. 3.1.4 MODALIDAD Y FINANCIAMIENTO La Modalidad de ejecución será por cumplir deberes Académicos. El financiamiento será con los recursos proveniente del estudiante que realizó el presente trabajo. 3.1.5 BENEFICIARIO. Los beneficiados en este proyecto son los alumnos d falcultad de ingeniería civil del 6to ciclo IV. MARCO TEÓRICO 4.1 PRUEBA DE LA BOTELLA: Prueba de la Botella también llamada también prueba granulométrica, que nos sirve para determinar la proporción de los componentes principales (limos, arcilla, grava y arenas) de una muestra tomada libremente de una cantera de explotación de agregados, para la construcción civil. La prueba de la botella es una prueba empírica y muy sencilla que nos dará una idea general en cuanto a las proporciones de material que se encuentren en dicha cantera, es de la cual obtendremos la muestra a trabajar y a la cual ensayaremos con la prueba de la botella, esta prueba es muy importante y nos ahorra tiempo, dinero trabajo, el propósito de la prueba es cuantificar sus componentes y así saber la cantidad de materiales la que podríamos disponer en una obra civil Esta Prueba también se utiliza en tierras para elaboración de adobes, en cuantificar la cantidad del material que contiene, evitando fabricar bloques con materiales no apropiados, así también si el suelo es malo o saber cuánto cemento o cal se deben de adicionar a la mezcla para estabilizar y llevar acabo la preparación de buenos adobes y por ende buenas construcciones. 4.2 VENTAJAS DE LA BOTELLA Las ventajas de realizar la prueba de la botella son las siguientes: · Es una prueba muy sencilla y fácil de realizar · Nos ahorra tiempo, por su sencillez y facilidad de realización · Nos ahorra dinero, porque comparado con otro método es el más barato y accesible · Nos ahorra trabajo, a diferencia de otros métodos de determinación este se realiza en un tiempo muy corto y requiere poco esfuerzo. · Nos permite calcular el material disponible de manera rápida, de manera que en la obra se prevenga de los materiales en caso de que la cantera no las satisfaga 4.3 DESVENTAJAS: · Al ser esta una prueba empírica, pueden a veces no nos arrojan resultados tan precisos, ya sea por diferentes factores, como no utilizar una muestra representativa 4.4 CLASIFICACION DE MATERIALES ENCONTRADOS EN UNA MUESTRA: 4.4.1 Limos: 4.4.2 Arcillas: 4.4.3 Arenas: 4.4.4 Gravas: PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO 1. Ubicación de la zona para la extracción de la muestra del suelo. 2. Se extrae 6 kg. De muestra para su respectivo estudio. 3. En una botella de 5 litros, se pone 13 cm de altura de la muestra extraída de cantera. 4. De la misma manera, se pone 13 cm de altura de agua. 5. Continuando con el procedimiento, se llegó echar 6 cucharadas de sal. 6. Siguiendo con el procedimiento, se agito la muestra por un lapso de 5 minutos. 7. Antes de concluir con el trabajo, dejamos reposar por un tiempo de 30 minutos. 8. Finalmente, observamos la formación de las capas del perfil estratigráfico. Cálculo del Volumen de la Cantera PASO 1 PASO 2 CONCLUSIONES · El suelo es un elemento estructural muy importante para nuestra carrera. · El suelo es un material anisotrópico. · El suelo es un recurso natural renovable, pero su recuperación amerita períodos de tiempo prolongados, lo que implica que se debe hacer uso adecuado de los mismos con el fin de protegerlos. · Los suelos muestran gran variedad de aspectos, fertilidad y características químicas en función de los materiales minerales y orgánicos que lo forman. · La acción conjunta de los factores que condicionan la formación y evolución del suelo conduce al desarrollo de diferentes perfiles o tipos de suelos. · En el desarrollo y formación de los suelos intervienen numerosos tipos de procesos, algunos de ellos son de tipo pasivo; otros son agentes activos. · El suelo es un material superficial natural, que sostiene la vida vegetal. Cada suelo posee ciertas propiedades que son determinadas por el clima y los organismos vivientes que operan por períodos de tiempo sobre los materiales de la tierra y sobre el paisaje de relieve variable. · Sin el suelo sería imposible la existencia de plantas superiores y, sin ellas, ni nosotros ni el resto de los animales podríamos vivir. A pesar de que forma una capa muy delgada, es esencial para la vida en tierra firme. Cada región del planeta tiene unos suelos que la caracterizan, según el tipo de roca de la que se ha formado y los agentes que lo han modificado. Página 57 | 64