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MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS PROFESOR: Ing. Francisco Ulises Valencia C.

Unidad 1 Materiales Materiales

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1.1. Suelos y Rocas

Unidad 1 Materiales 1.1. Suelos y Rocas

Las características más importantes de suelos y r ocas. Lechos rocosos. La mayoría de las personas considera que el lecho rocoso es de material duro y

que no se puede excavar sin utilizar explosivos. En general, la roca más dura son las ígneas y puede tratarse de granito, basalto, diorita, volcánicas u otros materiales similares. Esas rocas se forman mediante el enfriamiento del material fundido que se encuentra bajo el manto de tierra y las rocas más blandas que forman las superficies del suelo. En general, esas rocas son excelentes para la construcción. Formaciones sedimentarias. Muchas zonas están cubiertas de rocas sedimentarias de diversos

espesores. Por lo común, esas rocas son blandas; aunque algunas pueden ser moderadamente duras o muy duras. Esas formaciones rocosas tienen capas, puesto que se formaron con partículas de arena, limo o arcilla, depositadas en láminas al fondo de los mares o los lagos. Las capas alternas del suelo se afirmaron con el transcurso del tiempo y se clasifica como roca arenisca, pizarra, esquisto o arcilla esquistosa. Si el material original consiste en conchas marinas y materiales marinos calcáreos, éste se puede consolidar y modificar para formar roca caliza y arrecifes coralinos. La roca caliza puede ser relativamente fuerte; pero es soluble y, a veces, tiene cavidades o sumideros. La mayoría de las formaciones calcáreas están sueltas, se trituran con facilidad y pueden resultar peligrosas. Rocas metamórficas. Esas rocas pudieron ser originalmente ígneas o sedimentarias; pero se

modificaron para formar nuevas rocas con distintas características. Las rocas comunes de este tipo son gneiss, la pizarra y el esquisto. La mayoría de esas rocas son duras. Tienen planos de clivaje bien desarrollados y tienden a fraccionarse en pedazos pequeños. Si se desea un análisis más detallado de las rocas. Suelos. La tierra se originó de varias rocas y consiste de fragmentos, pedazos, trozos y partículas

diminutas de rocas.

Ing. Francisco Ulises Valencia C.

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Las rocas se erosionan gradualmente, se descomponen y se ablandan en el lugar en que se encuentran. Estas rocas descompuestas y modificadas se transforman en tierra, que se conoce como suelo residual. Cuando los materiales rocosos descompuestos se deslavan, debido casi siempre a las lluvias y a las corrientes de agua, descienden a zonas más bajas, donde se depositan en el fondo de los valles. Este suelo se conoce como aluvión. En algunos casos, este tipo de suelo se erosiona con el viento. Los suelos arenosos forman dunas. En la zona central oriente de los Estados Unidos y en otras regiones del mundo, los suelos limosos se han desplazado grandes distancias, arrastrado por el viento en lo que se conoce como "tormentas de polvo" o "polvaderas". Con frecuencia, esos materiales forman capas de varios centenares de metros de espesor. Este tipo de suelo se denomina loess y tiene características peculiares que requieren experiencias para trabajar con e. Cuando los arroyos y los ríos deslavan los suelos aluviales y los llevan hasta el mar, y estos se depositan en el fondo, se conocen como depósitos marinos. Los depósitos del fondo de los lagos se llaman depósitos lacustres. Por su parte los depósitos marinos, de arena, limo o arcilla, pueden llegar a tener gran espesor. Al contrario de los que algunos creen, la arena no procede de los mares sino que la llevan a el los ríos y arroyos. Aveces, el levantamiento de los suelos marinos puede hacer que esas transformaciones se transformen en montañas o u otras formas de tierras secas. En muchas regiones de Estados Unidos, esos depósitos sedimentarios marinos constituyen las zonas rocosas y las superficies de los suelos. En general, estos suelos son firmes o de rocas blandas. Bajo la carga de glaciares que cubrían antiguamente gran parte de la mitad septentrional de los Estados Unidos, algunos suelos se comprimen y endurecen. A estos se le denominan tepetate. En el pasado aparecieron volcanes en algunos estados occidentales y hubo grandes flujo de lava que cubrió la superficie de la tierra en centenares de kilómetros cuadrados. Asimismo, las cenizas volcánicas han formado conos. Muchas montañas pequeñas se componen de esas cenizas volcánicas. En Arizona y Nuevo México, este material se utiliza para la construcción de carreteras. Los suelos más comunes que se encuentran al efectuar trabajos normales de construcción, son una mezcla de muchas partículas minerales que, en general, proceden de varios tipos de rocas. Además de las partículas minerales, los suelos contienen agua, aire o, quizá, gases o materiales orgánicos, tales como raíces o humus y, en algunos casos, compuestos químicos. Arena. Los suelos de arena y de otras partículas más gruesas se clasifican de acuerdo con el

tamaño de partículas que los forman. Esto se indica en la tabla de graduación de tamaños de partículas. Asimismo en función de la forma de sus partículas, la arena se puede clasificar en angular, subangular o redondeada. En general, la arena se considera como un material conveniente para la construcción y, por lo común, los suelos arenosos como adecuados para apoyar cimentaciones. En la biblia se critica


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injustamente a la arena, ya que solo en algunas circunstancias puede a llegar a plantear problemas, y casi siempre debido al agua. Por ejemplo, los depósitos de arena demasiado cercanos al mar o los ríos pueden deslavarse debajo de las cimentaciones de los edificios. Por otra parte, el agua que asciende por un depósito arenoso, debido al flujo artesiano o a otras causas, puede crear inestabilidad en el suelo. Con frecuencia, a este depósito se le denomina "arenas movedizas". En los sitios "secos", la arena constituye un buen material de cimentación, tiene menos probabilidades de que haya asentamientos inadecuados y puede decirse que es un buen material de construcción. El agua no se deposita en la arena, sino que circula libremente a través de ella. Cualquier arena que retenga agua contiene mezcla de otros materiales de grano más fino que la tapona. Cuando una capa de arena está cerrada en su parte inferior por suelo de limo o de arcilla, el agua puede quedarse estancada en ella. Por lo común, esto se conoce como agua endecada o aislada. En general, las excavaciones en arenas son inestables. Las excavaciones en seco se desploman, por lo común en pendientes de 1 - 1/2 horizontal a 1 vertical; sin embargo la arena mojada puede sostenerse en laderas más pronunciadas, incluso verticales durante periodos breves. No obstante las excavaciones en arena, con mayor pendiente que 1:1, tienden a desplomarse en unos cuantos días o unas semanas, deslizándose hasta llegar a una pendiente menos pronunciada que será de más o menos 1 - 1/2 a 1. Este último se denomina ángulo de reposo. Limo. En general el limo se encuentra en las llanuras en que hay inundaciones o entorno a los

lagos. Este lo depositan las tolvaneras o las corrientes de agua. Se componen en fragmento de rocas finamente molidos y es inorgánico. A veces, se llama limo al material inorgánico negro. Por lo común, una porción seca de limo se puede romper fácilmente con la mano. El material es seco y polvoriento. El limo retiene bien el agua y, en general, es blando cuando está húmedo. Una porción de limo húmedo, al sostenerlo en la mano y sacudirlo hacia delante y atrás, se aplana, como masa de pastel, parece "movedizo". Brilla cuando el agua sale a la superficie. Con frecuencia se encuentra limo mezclado con arena fina o mediana. Muchas veces, la "arena sucia", es una mezcla de limo y arena. Por lo común el limo no es muy buen material de construcción, en lo que se refiere a las cimentaciones, a menos que se comprima y endurezca como formación de rocas limosas, o cuando se ha deseado por completo. Hay limo en muchos valles y fondos de ríos. Casi siempre está suelto y húmedo y, en general, es fácil que se comprima bajo cargas ligeras de cimentación, provocando un asentamiento de los edificios. Resulta difícil usar el limo material de construcción en terraplenes compactados; no se mezcla bien con el agua. Asimismo, tiene a desmenuzarse cuando se seca o a ceder bajo los equipos de compactación, cuando está ligeramente húmedo. Algunos limos se componen de partículas en forma de agujas o plaquetas planas. Esos limos se comportan de manera similar a la arcilla; sin embargo, otros tipos de limos se componen de


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partículas angulares, que se parecen a la arena de grano muy fino. Cuando se permite un drenaje lento, sus características de resistencia pueden ser similares a las de arena fina.

Figura 1 Un pedazo de roca se corta un millón de veces, en láminas, en tres direcciones, lo que da como resultado un suelo arcilloso. La superficie expuesta es de 3,870 m2 (6 millones de pulgadas cuadradas), o sea, 0.387 hectáreas. Arcilla. La arcilla se compone de partículas rocosas extremadamente finas, que pueden ser

redondas, planas, en forma de agujas o de otros tipos. Otro tipo de arcilla seca es duro y difícil de romper con la mano, la arcilla mojada puede amasarse y moldearse, como sucede con la arcilla del alfarero. Las características de la arcilla se pueden determinar en función del tamaño de las partículas. En la figura 1, se corta un tubo de roca de una pulgada por lado (1 pulgada = 2.54 cms), para formar tierra arcillosa. Cada placa tiene un espesor de una millonésima de pulgada. Si se corta ese tubo en un millón de placas planas, la superficie total de las placas resultantes será de 2 millones de pulgadas cuadradas (12.9 millones de cm2). Si se corta también el cubo en los otros dos sentidos el resultado será una superficie de 6 millones de pulgadas cuadradas (38.7 millones de cm²). Un dedal lleno de arcilla tiene la misma superficie que, aproximadamente, cinco camiones cargados de grava. Por lo común, los suelos arcillosos contienen cierta cantidad de agua que va del 10 al 50%, por peso. El agua tiende a mantener unidas las partículas de material y, por otra parte, posee tensión superficial por lo que actúa como pegamento ligero. Cuando la capa de agua se hace muy delgada,


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aumenta la tensión superficial y se hace mayor el efecto de adherencia. Los pedazos de arcilla casi seca se vuelven muy dura. Aunque la fuerza de tensión superficial del agua es pequeña, con relación a la arcilla resulta grande debido a las enormes áreas superficiales que posee. Las partículas pequeñas se mantienen literalmente unidas por el agua. Cuando el agua se retira por medio de la desecación, la arcilla se contrae, se resquebraja y se hace muy dura. Los suelos arcillosos varían de muy blandos (y húmedos) a firmes (y relativamente secos). Por lo común, la arcilla firme es un buen material de cimentación. Sin embargo, la tendencia a absorber agua hace que la arcilla firme se dilate, lo cual puede hacer que se eleven las cimentaciones y que el suelo imponga mayores presiones a los muros de retención. Las arcillas blandas ( y húmedas) se desaguan lentamente y se comprimen, cuando se colocan cimentaciones sobre ellas. Es difícil usarlas como material de construcción, porque ceden y fluyen bajo los equipos de compactación, además de que se desecan con mucha lentitud. Las excavaciones en arcilla suelen ser estables. En paredes altas y muy pendientes las arcillas firmes no se desploman. El exceso de altura o verticalidad provoca deslizamiento de tierras una de las primeras causas de esos deslizamientos es la adicción de agua a la arcilla y la reducción consiguiente de la tensión superficial en las pequeñas partículas de arcilla. Mezcla de arena, limo y arcilla. Por lo común, los suelos son una mezcla de dos o más materiales:

arena y limo, limo y arcilla o una mezcla de los tres. Por tanto, las características de esos suelos se modifican. Por ejemplo, la arena con cierto porcentaje de limo y arcilla puede compactarse bien y proporcionar un suelo muy firme. Asimismo, la permeabilidad puede ser muy baja, lo cual hace que ese material sea apropiado para el recubrimiento del depósito de agua. Los suelos que contienen granos grandes, medianos y finos se dice que está bien graduado, mientras que los suelos con partículas de un solo tamaño se dice que está mal graduado. Lodo. En general, el lodo es limo, arcilla o una mezcla de los dos materiales, con una gran cantidad

de agua. Asimismo puede contener materiales orgánicas. Incluso la arena con cierta cantidad de arcilla o limo puede denominarse "lodo", cuando está demasiado húmeda. Cuando los lodos se secan, se contrae y se agrieta mucho. Turba. En los bosques, pantanos, pastos densos y otros lugares de mucha vegetación, los

materiales orgánicos muertos se acumula en el terreno o bajo el agua, pudiendo formarse gruesos lechos de materiales orgánicos en descomposición. Suele ser de color café o negro y contiene cantidades diversas de tierra. Los suelos de turba son muy compresibles; por tanto son inadecuados como apoyo para terraplenes o estructuras. Además, las materias orgánicas en putrefacción producen metano o "gas de los pantanos". Este gas puede ser peligroso si se acumula en los pozos de registro o bajo las losas del suelo. Con frecuencia ese gas puede causar la muerte a quienes trabajan en lugares confinados.


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Adobe. Se llama adobe a ciertos tipos de arcillas "grasas" o pegajosas que absorben agua o se

hinchan. cuando se secan, se contraen y se agrietan. Estos suelos existen en muchas zonas de los estados del sur oeste y el sur central de los Estados Unidos, generalmente en climas secos. Los suelos de adobe han causado grandes daños a casas y otras estructuras, así como también a los pavimentos y las aceras o banquetas. La acción de dilatación hace que los cimientos y los pavimentos y eleven y desciendan en las diferentes estaciones del año. Caliche. El caliche es un tipo de suelo que contiene ciertos compuestos químicos. Existe en zonas

con índices elevados de evaporación, casi siempre en regiones desérticas. La evaporación del agua subsuperficial hace que se deposite productos químicos en las capas superiores del suelo. Algunos suelos de caliche son muy duros, como la piedra caliza blanda. Otros caliches son más variables y solo moderadamente duros. En algunas zonas en la que el caliche es duro, resulta difícil excavar. Otros compuestos químicos. Los suelos pueden contener diversas cantidades de otros

compuestos químicos. Algunos suelos tienen contenidos elevados de sulfuros y cloruros, convirtiéndolos en "suelos calientes", que puedan causar la corrosión de líneas subterráneas de servicios públicos o provocar el deterioro del concreto y el acero de refuerzo. La calcita es un compuesto químico (sulfato de calcio) que se encuentra con frecuencia en los suelos. Es ligeramente soluble en agua. Puede causar dificultades en casos en que en una presa o un terraplén haya filtración continua de grandes volúmenes de agua. La lixiviación prolongada puede causar un derrumbe. Suelos sensibles al agua. En muchas zonas desérticas, sobretodo donde en el pasado hubo

inundaciones, se establecieron corrientes de lodo que constituyen suelos de muy baja densidad. En general esos suelos son duros, porque se secan en un clima árido. Pueden tener densidades del orden de 60 lb/pie3 (250 kg/m3). Muchos fraccionamientos residenciales se han construido en zonas desérticas. En muchos casos, se han mantenido céspedes vigorosos y otras características del paisaje mediante el empleo de agua traída de otras zonas. Los suelos de baja densidad absorben el agua con rapidez. La reducción de la tensión superficial y la lubricación permiten que las partículas del suelo se deslicen, para acercarse más unas a otras, con una disminución substancial del volumen del suelo. El resultado es un asentamiento rápido o un hundimiento del terreno, causando daños a las estructuras. En varias zonas, como las zonas occidentales del valle de San Joaquín, en California, se ha medido hundimientos de varios metros, debidos a la contracción del suelo. Suelos expansivos. Como se dijo anteriormente, algunos suelos se dilatan o contraen debido a los

cambios en el contenido de agua. Esto se debe a un tipo de arcilla que recibe el nombre de montmorillonita. Los suelos que contienen minerales de montmorillonita se dilatan o encogen,


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según se añada o se extraiga agua. Una de las fuentes más comunes de montmorillonita es un material llamado bentonita. Suelos sensibles a las heladas. Casi toda la mitad septentrional de los Estados Unidos tiene un

clima invernal continuo y frío, suficiente para hacer que los suelos se congelen. La profundidad de congelación varía de 2.1 a 2.4 m. en Maine, de 0.9 a 1.2 m. en Nueva York y Nueva Jersey, 0.6 a 0.9 m. en Kansas City y 0.3 a 0.46 m. en Seattle. Durante la congelación, el agua del suelo se dilata ligeramente. Pero más importante aun es el hecho de que, si existe una fuente de agua, los suelos pueden absorber más líquido, para formar lentes de hielo, que provocan una expansión de los suelo. Este levantamiento puede causar daños graves a las estructuras. En la primera, cuando los suelo se deshielan, el exceso de hielo se trasforma en agua y la tierra se vuelve lodosa. Esto no sucede con los suelos que se desaguan con rapidez, como los de grava o arena limpia. El limo se dilata mucho durante la congelación y se convierte en lodo al deshielarse, los suelos arcillosos son pocos permeables y limitan la absorción de agua. Por consiguiente, la expansión es mucho menor que para el limo. Suelos sensibles a las vibraciones. Los suelos limpios que no contengan aglutinantes u otros

materiales aglomerantes, pueden ser sensibles a los impactos o las vibraciones. Esto sucede, sobre todo, con la arena suelta y limpia, situada por encima o por debajo del nivel de agua. Los impactos fuertes, como los que pueden provocar los terremotos, el hincado de pilotes o las explosiones de dinamita, pueden hacer que las partículas de arena se reordenen y se compacten aún más, lo que provoca un hundimiento del terreno. Las arenas sueltas, bajo el agua, que se encuentran en proceso de densificación, pueden perder resistencia temporalmente. Durante esos breves periodos, la arena no puede dar apoyo a las estructuras. Esta condición se puede denominar licuefacción. Arena y limo depositados por el viento. La localización azarosa de estos suelos se debe a que el

viento los transporta y los deposita. Es probable que el viento vuelva a llevárselo a otro lado. Con frecuencia, el viento o la lluvia erosionan los nuevos terraplenes de arena. Para evitar que el viento siga erosionando la arena es necesario poner sobre ella un recubrimiento superficial resistente al viento. El loess es un limo depositado por el viento, de partículas de tamaño muy uniforme y baja densidad natural. Casi siempre contiene tubos verticales o "huecos de raíces" y puede tener cierta aglomeración. Los acantilados verticales son muy estables; sin embargo, las laderas tienden a erosionarse y resquebrajarse, porque la lluvia ablanda la estructura del suelo cuando el agua circula sobre él y permite que fluya como si fuera azúcar. si los acantilados verticales llegan a tener nidos de aves o cuevas de topos que canalizan el agua, la erosión en canales puede ser muy fuerte. Esos suelos son difíciles de compactar, excepto con un control excepcionalmente estricto del contenido de agua. Cuando los suelos de loess se saturan de agua las cimentaciones pueden asentarse.


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Suelos lateríticos. En las regiones tropicales, las fuertes lluvias provocan la intemperización de las

rocas ígneas o la lixiviación de los suelos arcillosos. Este continuo deslavado puede disolver y retirar algunos de los minerales, lo que da como resultado un suelo de color rojo y baja densidad. Estos suelos pueden parecer firmes y en ellos es posible realizar cortes de fuerte pendiente; sin embargo, casi siempre contienen una gran cantidad de agua. Cuando se utilizan como materiales de construcción, esos suelos pueden hacerse blandos, inestables y muy poco aprovechables. Depresiones calcáreas. En la zona central oriente y la del sudeste de los Estados Unidos, sobre todo en Pensilvania, Virginia Occidental, Kentucky, Tennessee Florida, hay depósitos gruesos de piedra caliza o suelos calcáreos. Las depresiones o los orificios calcáreos son característicos en las formaciones de lechos rocosos. Cuando existen, tienen efectos notables sobe los suelos superiores. La piedra caliza es, hasta cierto punto, soluble en agua. Se puede disolver lentamente mediante

un flujo continuo de agua de lluvia, ya sea procedente de la superficie, que se filtra por la piedra caliza o por las aguas subterráneas que ascienden hasta la superficie. El agua puede estar ligeramente ácida, debido a los materiales orgánicos de la superficie o por los ácidos que contienen las tierras. Al disolverse la piedra caliza, poco a poco se van creando grandes cavidades o "canales de disolución". A veces, la tierra que se encuentra sobre la piedra caliza se desploma. Las depresiones suelen ser redondas y, con frecuencia, se encuentran llenas de agua. En ellas pueden crecer bosques densos. Tepetate. En general, el tepetate es un suelo que se ha compactado y ha llegado a ser muy duro,

debido a la consolidación bajo cargas muy grandes. Esas cargas pudieron deberse a algún glaciar antiguo. El tepetate puede compactarse también por otros procesos, tales como el cementado natural de una capa de suelo. En general, es un buen material para cimentaciones. Vertederos. Los vertederos y los rellenos sanitarios se están haciendo cada vez más frecuentes en

y alrededor de muchas de las principales ciudades. La práctica consiste en poner capas alternativas de basura y tierra. En general, incluso los vertederos bien construidos, por encima del nivel freático se consolidan bajo las cargas. El asentamiento puede continuar durante varios años. Además, la descomposición de los materiales orgánicos puede producir gases, lo que constituye un peligro potencial. A menudo los vertederos se trasforman en parques o campos de golf, donde el hundimiento no constituye un problema, como tampoco las fugas de gases. No obstante, algunos antiguos vertederos se están utilizando para la construcción de viviendas o estructuras industriales o comerciales. En general, siempre se presentan algunos problemas. Los pavimentos y las nivelaciones superficiales quedan desalineados, debido al hundimiento o asentamiento general. Los diferentes asentamientos locales afectan a las estructuras, las instalaciones de servicios públicos y las losas de pisos.


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