INTRODUCCIÓN A LA GEOTECNIA: TIPOS Y PROPIEDADES GENERALES DE LOS SUELOS
La Geotecnia es la rama de la Ingeniería que se ocupa del estudio de la interacción de las construcciones con el terreno. Se trata por tanto de una disciplina no sólo de la Ingeniería Civil, sino también de otras actividades, como la Arquitectura y la Ingeniería Minera, que guardan relación directa con el terreno.
Los problemas geotécnicos básicos son:
− El terreno como cimiento: todas las obras deben apoyarse en el terreno; debe por tanto definirse la forma de este apoyo, y la transmisión de cargas de la estructura al terreno, para lo que debe estudiarse la deformabilidad y resistencia de éste.
− El terreno como productor de cargas: en ocasiones, para crear un desnivel, o con otro motivo, se construyen estructuras cuyo fin es contener el terreno (p. ej., muros de contención, revestimientos de túneles); para su dimensionamiento, debe calcularse la magnitud y distribución de los empujes ejercidos por el terreno.
− El terreno como propia estructura: otras veces, para crear un desnivel no se construye una estructura de contención, sino que se deja al propio terreno en talud; debe en este caso estudiarse la inclinación que debe darse a este talud para garantizar su estabilidad.
− El terreno como material: en obras de tierra (rellenos, terraplenes, presas de materiales sueltos), el terreno es el material de construcción, por lo que deben conocerse sus propiedades, y la influencia que en ellas tiene el método de colocación (compactación).
Los terrenos sobre los que se construyen las obras son de naturaleza muy variada, desde un macizo granítico sano hasta un fango de marisma en el que no es posible caminar. Las diferencias de comportamiento obedecen a varias causas:
− Diferencias de naturaleza mineralógica de los componentes: silíceos, calcáreos, orgánicos, etc.
− Diferencias de tamaño de las partículas: de milímetros o decímetros en gravas y bolos de décimas de milímetro en arenas de centésimas de mm (decenas de micras) en limosinferiores a una micra en arcillas.
− Diferencias de la forma de contacto y unión entre granos; puede tratarse de: una simple yuxtaposición, en el caso de una arena seca, uniones por meniscos capilares entre granos si está húmeda, fuerzas eléctricas entre partículas en el caso de arcillas, soldadura entre granos o cristales en rocas.
− Diferencias del proceso de deposición y de tensiones a que está sometido: la compacidad o consistencia de un elemento de terreno varía entre los casos:
recién sedimentado, a pequeña profundidad, y por tanto a pequeñas compresiones;
profundo y, por tanto, sometido a un gran peso de terreno situado por encima;
que haya estado a gran profundidad y luego por erosión se haya eliminado parte de la presión(procesos de sobreconsolidación);en rocas, por la fracturación producida por plegamiento y empujes tectónicos, o con diferentes grados de meteorización por agentes atmosféricos.
Todo ello da lugar a la gran diversidad de terrenos señalada.
SUELOS Y ROCAS
Una primera clasificación es la distinción entre suelos y rocas.
Suele considerarse que los suelos están constituidos por partículas sueltas, mientras que en las rocas los granos están cementados o soldados. Sin embargo, esta separación no es tan clara: existen, por una parte, suelos con algún grado de cementación entre sus partículas y, por otro, rocas en las que la cementación es relativamente ligera. En algunos textos se considera la resistencia a compresión simple de 103 kN/m2 (1 MPa) como el límite de separación entre suelo y roca.
Desde el punto de vista práctico, en construcción es habitual considerar como suelos aquellos terrenos que pueden excavarse sin necesidad de recurrir a explosivos, y así se define en algunos textos. Sin embargo, en las últimas décadas la evolución de las técnicas de excavación (martillos picadores, rozadoras) permite la excavación mecánica de rocas de resistencia media, lo que ha hecho más difuso este límite.
El Código Técnico de la Edificación establece la distinción en función de que la acción del agua sea capaz de disgregar el material en partículas en poco tiempo o no (considerando “poco tiempo” el periodo de vida útil de un edificio). De lo anterior se deduce que no hay una distinción clara entre suelos y rocas, sino una transición continua. Los materiales de tránsito (suelos duros-rocas blandas) tienen características específicas y presentan comportamientos a veces de más difícil estudio que los suelos y rocas típicos.
ORIGEN DE LOS SUELOS
Los suelos provienen de las rocas a través de procesos de erosión. El proceso formativo puede incluir las siguientes fases:
− erosión
− transporte
− sedimentación
− procesos secundarios
Erosión
Puede ser física o química.
− La erosión física consiste en la reducción de la roca a fragmentos progresivamente más pequeños, pero sin alterar su composición química. Puede ser por acción del agua, aire, temperatura u otros factores, ya sea actuando solos o en combinación. Así se forman los suelos granulares (gravas, arenas, limos). Las
acciones entre partículas son puramente mecánicas.
− La erosión química consiste en procesos de hidratación, hidrólisis, oxidación o disolución, por los que se
forma un suelo cuya composición química difiere de la de la roca original. El proceso más importante es la hidrólisis de los silicatos de las rocas para pasar a arcillas. Debido al proceso, las partículas tienen cargas eléctricas no compensadas (o no uniformemente distribuidas), por lo que aparecen fuerzas eléctricas de interacción entre sí y con el agua intersticial. Esto confiere a estos suelos propiedades particulares (plasticidad).
Transporte y sedimentación
El suelo, una vez formado por la erosión, puede quedarse donde se formó o ser transportado y sedimentado en otros lugares. En función de ello se habla de:
− Suelos residuales, o eluviales: no han sufrido transporte. Por ello, suelen conservar algunos restos de la estructura de la roca a partir de la que se formaron (dirección de estratificación, anisotropía). Deere y Patton (1971) presentan un perfil típico de suelos residuales.
Es frecuente que la zona de transición suelo-roca (Deere y Patton, 1971) sea más permeable que la parte superior, de suelo, y que la inferior, de roca, lo que da lugar a filtración preferente de agua en dicho contacto.
− Suelos transportados y sedimentados. Puede ser mediante el agua de ríos (suelos aluviales), mar, lagos, glaciares, o del viento (dunas, depósitos eólicos), o por gravedad en laderas (suelos coluviales).
El medio de transporte (que actúa a la vez como agente de erosión y medio de sedimentación), tiene una gran influencia en las propiedades del suelo resultante: distribución de tamaños de partículas, y forma y textura de las mismas. Así, los suelos eólicos suelen ser muy uniformes, mientras que los aluviales presentan un mayor grado de mezcla de tamaños, y los glaciares aún más.
Procesos secundarios
Ocurren una vez formado y sedimentado el suelo. Los más importantes son:
− Consolidación por el peso de sedimentos. Cuando el suelo se deposita, está sometido a una tensión nula, y está por tanto con una consistencia muy floja. Al continuar depositándose sedimentos encima, va consolidándose, aumentando su compacidad y consistencia.
Si un suelo ha estado sometido en su historia a una presión mayor de la que tiene actualmente, se dice que está sobreconsolidado; en caso contrario, normalmente consolidado (ver esquema de la Figura 1.1). La causa más obvia de sobreconsolidación es la erosión de material representada en la figura, pero también puede deberse a desecaciones asociadas a ascensos y descensos del nivel freático. Como resultado, sólo los suelos muy recientes (fangos costeros, de marisma o aluviales) están normalmente consolidados, y todos los suelos de consistencia media han sido sobreconsolidados por alguno de los procesos citados.
− Cementación entre partículas, que se presenta en algunas ocasiones: caliches y costras, suelos cementados por sulfatos o carbonatos, etc.
Procesos de consolidación y sobreconsolidación
TIPOS DE SUELOS
El tamaño de las partículas es el primer criterio de clasificación de los suelos. La denominación más extendida para las partículas es en una escala basada en los dígitos 2 y 6 (es decir, con un factor de 3 entre ellos)
De la Tabla anterior es importante destacar:
− Las gravas, arenas, limos y arcillas se designan con los símbolos G, S, M y C, respectivamente.
− El límite entre gravas y arenas es de 2 mm
− Para el límite entre arenas y limos hay ligeras variaciones: algunas normas lo sitúan en 0,06 mm, pero otras
toman 0,08 mm, y otras 0,074 mm (tamiz 200 de la serie ASTM).
PROPIEDADES ELEMENTALES. PARÁMETROS DE ESTADO
El estado de compacidad de un suelo se define mediante unas relaciones entre volúmenes y pesos de sus elementos constitutivos. La Figura 1.2 representa los volúmenes, V, de materia sólida y huecos (parcialmente rellenos de agua en el caso más general). Los pesos respectivos, W, se relacionan con ellos a través de los pesos específicos respectivos.
Se definen los siguientes parámetros:
− Porosidad, n: cociente entre volúmenes de huecos y total:
n = V V ht
− Índice de huecos o de poros, e: cociente entre volúmenes de huecos y de sólidos:
e=Vh Vs
− Humedad, w: cociente de pesos de agua y sólidos (suele expresarse en %):
w = W W ws
− Grado de saturación, Sr: fracción de poros llenos de agua (suele expresarse en %):
Sr =VwVh
− Peso específico aparente, natural o húmedo, γ: cociente entre el peso total y volumen total:
γ=Wt =Ws+Ww =γsVs+γwVw
Vt Vs +Vh Vs +Vh
− Peso específico seco, γd: peso específico, descontando el peso del agua, es decir, el peso específico aparenteque tendría el suelo si extrajéramos su agua sin modificar su volumen total:γd =Ws = Ws = γsVs Vt Vs +Vh Vs +Vh
INTRODUCCIÓN A LA GEOTECNIA: TIPOS Y PROPIEDADES GENERALES DE LOS SUELOS
La Geotecnia es la rama de la Ingeniería que se ocupa del estudio de la interacción de las construcciones con el terreno. Se trata por tanto de una disciplina no sólo de la Ingeniería Civil, sino también de otras actividades, como la Arquitectura y la Ingeniería Minera, que guardan relación directa con el terreno.
Los problemas geotécnicos básicos son:
− El terreno como cimiento: todas las obras deben apoyarse en el terreno; debe por tanto definirse la forma de este apoyo, y la transmisión de cargas de la estructura al terreno, para lo que debe estudiarse la deformabilidad y resistencia de éste.
− El terreno como productor de cargas: en ocasiones, para crear un desnivel, o con otro motivo, se construyen estructuras cuyo fin es contener el terreno (p. ej., muros de contención, revestimientos de túneles); para su dimensionamiento, debe calcularse la magnitud y distribución de los empujes ejercidos por el terreno.
− El terreno como propia estructura: otras veces, para crear un desnivel no se construye una estructura de contención, sino que se deja al propio terreno en talud; debe en este caso estudiarse la inclinación que debe darse a este talud para garantizar su estabilidad.
− El terreno como material: en obras de tierra (rellenos, terraplenes, presas de materiales sueltos), el terreno es el material de construcción, por lo que deben conocerse sus propiedades, y la influencia que en ellas tiene el método de colocación (compactación).
Los terrenos sobre los que se construyen las obras son de naturaleza muy variada, desde un macizo granítico sano hasta un fango de marisma en el que no es posible caminar. Las diferencias de comportamiento obedecen a varias causas:
− Diferencias de naturaleza mineralógica de los componentes: silíceos, calcáreos, orgánicos, etc.
− Diferencias de tamaño de las partículas: de milímetros o decímetros en gravas y bolos de décimas de milímetro en arenas de centésimas de mm (decenas de micras) en limosinferiores a una micra en arcillas.
− Diferencias de la forma de contacto y unión entre granos; puede tratarse de: una simple yuxtaposición, en el caso de una arena seca, uniones por meniscos capilares entre granos si está húmeda, fuerzas eléctricas entre partículas en el caso de arcillas, soldadura entre granos o cristales en rocas.
− Diferencias del proceso de deposición y de tensiones a que está sometido: la compacidad o consistencia de un elemento de terreno varía entre los casos:
recién sedimentado, a pequeña profundidad, y por tanto a pequeñas compresiones;
profundo y, por tanto, sometido a un gran peso de terreno situado por encima;
que haya estado a gran profundidad y luego por erosión se haya eliminado parte de la presión(procesos de sobreconsolidación);en rocas, por la fracturación producida por plegamiento y empujes tectónicos, o con diferentes grados de meteorización por agentes atmosféricos.
Todo ello da lugar a la gran diversidad de terrenos señalada.
SUELOS Y ROCAS
Una primera clasificación es la distinción entre suelos y rocas.
Suele considerarse que los suelos están constituidos por partículas sueltas, mientras que en las rocas los granos están cementados o soldados. Sin embargo, esta separación no es tan clara: existen, por una parte, suelos con algún grado de cementación entre sus partículas y, por otro, rocas en las que la cementación es relativamente ligera. En algunos textos se considera la resistencia a compresión simple de 103 kN/m2 (1 MPa) como el límite de separación entre suelo y roca.
Desde el punto de vista práctico, en construcción es habitual considerar como suelos aquellos terrenos que pueden excavarse sin necesidad de recurrir a explosivos, y así se define en algunos textos. Sin embargo, en las últimas décadas la evolución de las técnicas de excavación (martillos picadores, rozadoras) permite la excavación mecánica de rocas de resistencia media, lo que ha hecho más difuso este límite.
El Código Técnico de la Edificación establece la distinción en función de que la acción del agua sea capaz de disgregar el material en partículas en poco tiempo o no (considerando “poco tiempo” el periodo de vida útil de un edificio). De lo anterior se deduce que no hay una distinción clara entre suelos y rocas, sino una transición continua. Los materiales de tránsito (suelos duros-rocas blandas) tienen características específicas y presentan comportamientos a veces de más difícil estudio que los suelos y rocas típicos.
ORIGEN DE LOS SUELOS
Los suelos provienen de las rocas a través de procesos de erosión. El proceso formativo puede incluir las siguientes fases:
− erosión
− transporte
− sedimentación
− procesos secundarios
Erosión
Puede ser física o química.
− La erosión física consiste en la reducción de la roca a fragmentos progresivamente más pequeños, pero sin alterar su composición química. Puede ser por acción del agua, aire, temperatura u otros factores, ya sea actuando solos o en combinación. Así se forman los suelos granulares (gravas, arenas, limos). Las
acciones entre partículas son puramente mecánicas.
− La erosión química consiste en procesos de hidratación, hidrólisis, oxidación o disolución, por los que se
forma un suelo cuya composición química difiere de la de la roca original. El proceso más importante es la hidrólisis de los silicatos de las rocas para pasar a arcillas. Debido al proceso, las partículas tienen cargas eléctricas no compensadas (o no uniformemente distribuidas), por lo que aparecen fuerzas eléctricas de interacción entre sí y con el agua intersticial. Esto confiere a estos suelos propiedades particulares (plasticidad).
Transporte y sedimentación
El suelo, una vez formado por la erosión, puede quedarse donde se formó o ser transportado y sedimentado en otros lugares. En función de ello se habla de:
− Suelos residuales, o eluviales: no han sufrido transporte. Por ello, suelen conservar algunos restos de la estructura de la roca a partir de la que se formaron (dirección de estratificación, anisotropía). Deere y Patton (1971) presentan un perfil típico de suelos residuales.
Es frecuente que la zona de transición suelo-roca (Deere y Patton, 1971) sea más permeable que la parte superior, de suelo, y que la inferior, de roca, lo que da lugar a filtración preferente de agua en dicho contacto.
− Suelos transportados y sedimentados. Puede ser mediante el agua de ríos (suelos aluviales), mar, lagos, glaciares, o del viento (dunas, depósitos eólicos), o por gravedad en laderas (suelos coluviales).
El medio de transporte (que actúa a la vez como agente de erosión y medio de sedimentación), tiene una gran influencia en las propiedades del suelo resultante: distribución de tamaños de partículas, y forma y textura de las mismas. Así, los suelos eólicos suelen ser muy uniformes, mientras que los aluviales presentan un mayor grado de mezcla de tamaños, y los glaciares aún más.
Procesos secundarios
Ocurren una vez formado y sedimentado el suelo. Los más importantes son:
− Consolidación por el peso de sedimentos. Cuando el suelo se deposita, está sometido a una tensión nula, y está por tanto con una consistencia muy floja. Al continuar depositándose sedimentos encima, va consolidándose, aumentando su compacidad y consistencia.
Si un suelo ha estado sometido en su historia a una presión mayor de la que tiene actualmente, se dice que está sobreconsolidado; en caso contrario, normalmente consolidado (ver esquema de la Figura 1.1). La causa más obvia de sobreconsolidación es la erosión de material representada en la figura, pero también puede deberse a desecaciones asociadas a ascensos y descensos del nivel freático. Como resultado, sólo los suelos muy recientes (fangos costeros, de marisma o aluviales) están normalmente consolidados, y todos los suelos de consistencia media han sido sobreconsolidados por alguno de los procesos citados.
− Cementación entre partículas, que se presenta en algunas ocasiones: caliches y costras, suelos cementados por sulfatos o carbonatos, etc.
Procesos de consolidación y sobreconsolidación
TIPOS DE SUELOS
El tamaño de las partículas es el primer criterio de clasificación de los suelos. La denominación más extendida para las partículas es en una escala basada en los dígitos 2 y 6 (es decir, con un factor de 3 entre ellos)
De la Tabla anterior es importante destacar:
− Las gravas, arenas, limos y arcillas se designan con los símbolos G, S, M y C, respectivamente.
− El límite entre gravas y arenas es de 2 mm
− Para el límite entre arenas y limos hay ligeras variaciones: algunas normas lo sitúan en 0,06 mm, pero otras
toman 0,08 mm, y otras 0,074 mm (tamiz 200 de la serie ASTM).
PROPIEDADES ELEMENTALES. PARÁMETROS DE ESTADO
El estado de compacidad de un suelo se define mediante unas relaciones entre volúmenes y pesos de sus elementos constitutivos. La Figura 1.2 representa los volúmenes, V, de materia sólida y huecos (parcialmente rellenos de agua en el caso más general). Los pesos respectivos, W, se relacionan con ellos a través de los pesos específicos respectivos.
Se definen los siguientes parámetros:
− Porosidad, n: cociente entre volúmenes de huecos y total:
n = V V ht
− Índice de huecos o de poros, e: cociente entre volúmenes de huecos y de sólidos:
e=Vh Vs
− Humedad, w: cociente de pesos de agua y sólidos (suele expresarse en %):
w = W W ws
− Grado de saturación, Sr: fracción de poros llenos de agua (suele expresarse en %):
Sr =VwVh
− Peso específico aparente, natural o húmedo, γ: cociente entre el peso total y volumen total:
γ=Wt =Ws+Ww =γsVs+γwVw
γd =Ws = Ws = γsVs Vt Vs +Vh Vs +Vh
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