CAPITULO I LA TIERRA, LOS SUELOS Y LAS ROCAS 1.1 LA TIERRA, SU ESTRUCTURA Y FUERZAS QUE ACTUAN La Tierra no es un cuerpo rígido y estático. Se encuentra en continuo estado de cambio: tanto en el interior como en la superficie. Hay fuerzas internas que actúan creando rocas nuevas. Los procesos de formación, movimiento y desintegración de las rocas hicieron que las que se encuentran en la superficie (afloramientos), sean de diferentes tipos y tengan propiedades físicas definidas.
Figura 1.1 Fracturas de tensión formadas en rocas que se elevan y expanden
El producto de estas fuerzas destructivas sobre las rocas se conoce como SUELO. Este viene a ser un material nuevo. Los procesos destructivos de la roca pueden verse como constructivos de suelo.
1.2
EL SUELO
En Geotecnia, el suelo es el material blando sin consolidar de la superficie. No se utiliza el concepto de elemento esencial para la vida (edafológico). En el sentido general de ingeniería, el suelo se define como el AGREGADO NO CEMENTADO DE GRANOS DE MINERALES Y MATERIA ORGANICA DESCOMPUESTA (PARTE SÓLIDA) JUNTO CON LIQUIDO Y GAS QUE OCUPAN LOS ESPACIOS VACIOS ENTRE LAS PARTÍCULAS SÓLIDAS. SISTEMA TRIFASICO.
6
MECÁNICA DE SUELOS Es una rama de la CIENCIA que trata del estudio de las propiedades físicas de los suelos y el comportamiento de masas de suelo sujeto a varios tipos de fuerzas. INGENIERÍA DE SUELOS Aplicación de los principios de la mecánica de suelos a los problemas prácticos. Karl Terzaghi en 1925 dio lugar a la mecánica de suelos moderna. INGENIERÍA GEOTÉCNICA Es la aplicación de la mecánica de rocas y mecánica de suelos para resolver problemas de diseño de cimentaciones.
1.3 EL CICLO DE LA ROCA Y EL ORIGEN DE LOS SUELOS Los granos que forman la fase sólida de suelo son el producto de la meteorización de rocas y su tamaño varía en un amplio rango. Muchas de las propiedades físicas de suelos dependen de: tamaño, forma y composición química de los granos. Para entender estos factores hay que familiarizarse con los tipos básicos de rocas. También con los minerales que forman la roca y con los procesos de meteorización o intemperismo. Por su origen las rocas se dividen en 3 tipos: Ígneas, Sedimentarias y Metamórficas
Figura 1.2 El Ciclo de formación de la Roca
7
METEORIZACIÓN Es un mecanismo de rotura de la roca en pedazos más pequeños. Meteorización mecánica Causada por la expansión y contracción de las rocas, debido a la continua ganancia o pérdida de calor, dando como resultado su desintegración. La roca grande se rompe en pedazos pequeños sin cambio alguno de su composición química. Meteorización química Los minerales originales de rocas se transforman en nuevos minerales debido a reacciones químicas. TRANSPORTE DE LOS PRODUCTOS METEORIZADOS Los productos de meteorización pueden permanecer en el mismo lugar, otros son movidos y transportados, sea por acción del hielo, agua, viento ó gravedad. LOS METEORIZADOS EN EL LUGAR DE SU ORIGEN SON SUELOS RESIDUALES. El grano fino se encuentra en la superficie. El tamaño del grano se incrementa con la profundidad. Los SUELOS TRANSPORTADOS pueden ser clasificados en varios grupos. Glaciares: Originados por el transporte y la deposición del agua de los glaciares. Aluviales: Transportados por el escurrimiento de agua y depositado en los arroyos. Lacustres: Formados por deposición en lagos quietos. Marinos: Formados por deposición en el mar. Eólicos: Transportados y depositados por el viento. Coluviales: Formados por movimiento debido a la gravedad (deslizamientos)
1.4
LOS SUELOS Y SUS TAMAÑOS
GRAVAS: Son partículas formadas de cuarzo, feldespato y otros minerales. Las partículas mayores de 7.62 cm. (malla 3”) se llaman piedras o cantos rodados. ARENAS: Son todas aquellas partículas comprendidas entre 4.75 mm (malla #4) y 75 micrones (malla #200), formados principalmente de cuarzo y feldespato y otros minerales presentes también. LIMOS: Son suelos finos cuyas partículas individuales no pueden ser reconocidas a simple vista y que tienen por característica importante no poseer plasticidad (o una plasticidad muy baja). Consisten en granos de cuarzo muy finos y otros en forma de hojuela, que son fragmentos de minerales micáceos.
8
ARCILLAS: Son hojuelas y partículas microscópicas de mica, minerales de arcilla y otros minerales. Como se presenta en la tabla 1.1, las arcillas son usualmente definidas como partículas con un tamaño menor de 0.002 mm. Sin embargo, en algunos casos las partículas comprendidas entre 0.002 mm y 0.005 mm son también consideradas como arcillas (ver norma ASTM D-653). Estas partículas son clasificadas como arcillas basándose en su tamaño y necesariamente no cuentan con minerales de arcilla. Las arcillas han sido definidas como aquellas partículas que “d e s a r r o l l a n p l a s t i c i d a d c u a n d o s e m e z c l a n c o n u n a c antidad límite de agua” (Grim, 1953) .
Los suelos no arcillosos pueden contener partículas de cuarzo, feldespato o mica que son lo suficientemente pequeñas para estar considerados dentro de la calificación de las arcillas. Por tanto es apropiado para las partículas de suelo más pequeño de 2 ó 5 micrones, definidas en los diferentes sistemas, ser llamadas partícula del tamaño de arcilla en vez de ser llamadas arcillas. Las partículas de arcillas mayormente están dentro del rango del tamaño de los coloides ( 1 micra) y 2 micras, como límite superior. Nombre de la organización
Grava (mm) Arena (mm)
Limo (mm)
Arcilla (mm)
(MIT)
>2
2 a 0.06
0.06 a 0.002
<0.002
(USDA)
>2
2 a 0.05
0.05 a 0.002
<0.002
76.2 a 2
2 a 0.075
0.075 a 0.002
<0.002
76.2 a 4.75
4.75 a 0.075
(AASHTO) (Bureau of Reclamation)
Finos ( limos y arcillas) < 0.075
Tabla 1.1 División del suelo por tamaño límite
Tabla 1.2 Limites de tamaño de suelos según varios sistemas. (Arc corresponde a Arcilla)
9
1.5
LOS MINERALES DE ARCILLA
Los minerales de arcilla son producto de meteorización química de feldespatos, ferro magnesio y micas. Dan la propiedad plástica a los suelos. Son silicatos de aluminio complejos. Se muestran las unidades básicas que al combinarse forman láminas. Los suelos con estos minerales forman la FAMILIA DE LAS ARCILLAS.
Silicio
Oxigeno
Fig. 1.3a Tetraedro de Silicio
Fig. 1.3b Octaedro de Aluminio
LA MONTMORILLONITA Tiene una estructura química formada por una lámina de Gibsita intercalada entre dos láminas de silicio (figura 1.4b). El espacio entre capas es variable. Una gran cantidad de agua es atraída hacia este espacio. Esta es la causa de la expansividad de este mineral. Tiene una estructura inestable. LA ILLITA tiene Potasios que sirven de elemento de unión, se nota que es un mineral más estable.
Lámina de Silicato
Lámina de Silicato
Lámina de Gibsita
Lámina de Gibsita
Lámina de Silicato
Lámina de Silicato
(a)
NH2O y cationes intercambiables
Potasio
Lámina de Silicato
Lámina de Silicato 10A Lámina de Gibsita
(b)
Espacio variable o de 9.6 A9.6 hasta completar Ala separación
Lámina de Silicato
a) ILLITA
Lámina de Gibsita Lámina de Silicato
b) MONTMORILLONITA
Fig.1.4 Diagrama de la Estructura de Illita y Montorillonita.
10
200 Å
Agua adsorbida
10 Å Doble capa de agua
Cristal de Montmorillonita
200 Å
Fig. 1.5 a) Partícula típica de Montmorillonita, 1000Å por 10Å
Fig.1.5 b) Partícula típica de Kaolinita, 10,000Å por 1000Å
EL AGUA Y LA ARCILLA La fuerza de atracción entre el agua y la arcilla disminuye con la distancia desde la superficie de las partículas. A toda el agua retenida en las partículas de arcilla por fuerzas de atracción se le conoce como “ Agu a de la Doble Capa ”. La capa más
interna del agua de la doble capa, la cual es atraída muy fuertemente por la arcilla, es conocida como “ A g u a A d s o r b i d a ” . Esta agua es más viscosa que el agua libre. Partícula de arcilla
Dipolo Dipolo
Catión Dipolo Catión
Figura 1.6 Atracción dipolar en la doble capa difusa
Hidrógeno
11
1.6 GRAVEDAD ESPECÍFICA (Gs) Gs
Ws / Vs w
s
(1.1)
con
w
w
= 1gr/cm3 ó 62.4 lb/pie3
Mineral
Gravedad Específica ( Gs )
Cuarzo Kaolinita Illita Montmorillonita Feldespato Potásico Feldespato de Ca y Na Clorita Biolita Moscovita Horblenda Limonita Olivino
2.65 2.6 2.8 2.65 – 2.8 2.57 2.62 – 2.76 2.6 – 2.9 2.8 – 3.2 2.76 – 3.1 3.0 – 3.47 3.6 – 4.0 3.27 – 3.37
Tabla 1.3 Gravedad Específica de minerales más importantes
Valor típico de Gs = 2.65 (adimensional)
1.7
ANÁLISIS GRANULOMETRICO DE SUELOS
Es la determinación del rango de tamaños de las partículas presentes en el suelo, expresados como un porcentaje del peso total del suelo seco. Métodos: i) por tamizado; ii) por hidrómetro Tamiz N0
Abertura (mm)
4 6 8 10 16 20 30 40 50 60 80 100 140 170 200 270
4.750 3.350 2.360 2.000 1.180 0.850 0.600 0.425 0.300 0.250 0.180 0.150 0.106 0.088 0.075 0.053
Tabla 1.4 Tamaño de los tamices estándar U.S
12
Figura 1.7 Curva de distribución granulométrica
1.8
TAMAÑO EFECTIVO, COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD, Y COEFICIENTE DE GRADACIÓN
Tamaño efectivo Es el diámetro del tamaño de partículas correspondiente al 10% que pasa (D10) Coeficiente de uniformidad (C u) Cu = D60 / D10 Donde: Cu D60
= =
(1.2) Coeficiente de uniformidad El diámetro correspondiente al 60% que pasa en la curva de distribución del tamaño de partículas.
Coeficiente de gradación (Cc) Cc = D302 / (D60 x D10)
(1.3)
Donde: Cc = Coeficiente de gradación D30 = Diámetro correspondiente al 30% que pasa.
13
Suelos bien graduados ARENAS:
Cu mayor que 6 Cc entre 1 y 3
GRAVAS:
Cu mayor que 4 Cc entre 1 y 3
La curva I representa un tipo de suelo en el cual la mayor cantidad de granos del suelo tienen el mismo tamaño. Este es llamado suelo pobremente graduado. La curva II representa un suelo en el cual los tamaños de partículas están distribuidos sobre un amplio rango y este suelo es denominado bien graduado. Un suelo bien graduado tendrá un coeficiente de uniformidad mayor que 4 para gravas y mayor que 6 para arenas con un coeficiente de gradación entre 1 y 3 (para gravas y arenas). Un suelo puede tener una combinación dedos o más fracciones uniformemente graduadas. La curva III es una representación de este suelo. Este tipo de suelo es denominado graduado en intervalos
100
80
a s a p e q
u 60
ej at n e
III cr o
40
P
I
II
20
0 2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
0.01
0.005
Diámetro de partícula mm Fig. 1.8 Diferentes tipos de curvas de distribución granulométrica
14
UNIVERSIDAD DE PIURA PROGRAMA MASTER EN ING. CIVIL CURSO: GEOTECNIA VIAL PRACTICA 2 Los alumnos estudiarán el capítulo en su casa y resolverán las preguntas. El profesor evaluará a los alumnos con preguntas orales en clase. Se da una lista de posibles preguntas. El profesor explicará los temas claves y aquellos que los alumnos pregunten. 1. Qué es el suelo? 2. Se tiene un proyecto de construcción en Las Lomas, Piura. Se ha hecho la exploración geotécnica y se encontró un suelo de grano fino en la superficie, medianamente fino a 1m, ligeramente grueso a 2m, grueso a 2.5m y rocoso a 3m. ¿Qué tipo de suelo Ud. cree que es? 3. Explique las principales características de la arcilla, de la arena y del limo. 4. En los estudios de suelos de una carretera se le informa que han encontrado una arcilla montmorillonítica. Cuál sería su reacción frente a esta situación encontrada? 5. Defina qué es Gravedad Específica?
15