Mecánica de Suelos, unidad 1

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. 1. GENERALIDADES. 1.1 Formación de los suelos. Definiciones.

Podemos decir que la Mecánica de Suelos es la ciencia que se encarga de estudiar el comportamiento mecánico de los suelos como elemento ingenieril de soporte o constructivo de las estructuras, conociendos sus parámetros para establecer su clasificación, resistencia, deformación, comportamiento con diferentes contenidos de humedad y con respecto al tiempo. Dentro de las múltiples definiciones que existen sobre la Mecánica de Suelos en los diferentes libros de texto, la que enuncia el Ing. Carlos L. Flamand Rodríguez en su libro "Introducción a la mecánica de suelos ", parece ser la más acertada y dice así: "es la ciencia que estudia e investiga las interrelaciones en el efecto de fuerzas en la forma y equilibrio entre una masa de suelo y las estructuras erigidas o que tienen relación con el propio suelo, ya sea que constituya la cimentación de una estructura o que sea usado como material de construcción, por ejemplo, en terracerías, pavimentos, puentes, presas, cortes, terraplenes, etc." Así mismo, en dicho libro se define el concepto de suelo, desde el punto de vista ingenieril, aún así, el término “suelo” ha sido definido de diferentes maneras, a continuación se presentan

algunas definiciones. “Suprayaciendo a la corteza terrestre, existe una pequeña capa, formada por la

disgregación y descomposición de sus últimos niveles, es el suelo… la palabra suelo representa todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves. Quedan excluidas de la definición rocas sanas, ígneas o metamórficas y los depósitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegren rápidamente por acción de la intemperie”.1 “Suelo es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la desintegración y/o alteración física y/o química de rocas preexistentes”2. El suelo es producto del intemperismo, es decir, la fractura f ractura y rompimiento de varios tipos

de rocas en piezas más pequeñas pe queñas mediante procesos mecánicos y químicos. 1.1.1. Tipos de suelos.

De acuerdo con el origen de sus elementos, los suelos se dividen en dos amplios grupo: suelos cuyo origen se debe a la descomposición física y/o química de las rocas, o sea los suelos inorgánicos, y suelos cuyo origen es principalmente orgánico. Algunos suelos permanecen donde se forman y cubren la superficie rocosa de la que se derivan y se llaman suelos residuales . En contraste, algunos productos intemperizados son transportados por medios de procesos físicos a otros lugares y depositados. Éstos se llaman suelos transportados. Según el agente de transporte, se subdividen en tres categorías principales: 1. Aluviales o fluviales: depositados por agua en movimiento. 2. Glaciales: depositados por acción glaciar. 3. Eólicos: depositados por acción del viento. Los suelos orgánicos se forman casi siempre in situ. Muchas veces la cantidad de materia orgánica, ya sea en forma de humus o de materia no descompuesta, o en su estado de descomposición, es tan alta que las propiedades derivadas de la porción mineral quedan eliminadas. Esto es muy común en las zonas pantanosas, en las que los restos de vegetación acuática llegan a formar depósitos de gran espesor, conocidos con el nombre genérico de turbas. 1 2

Mecánica de Suelos, Tomo 1. Juárez Badillo/ Badillo/ Rico Rodríguez. Editorial LIMUSA. 3ª Edición. Mecánica de Suelos y Cimentaciones. Crespo Villalaz. Editorial LIMUSA. 5ª Edición. Edición.

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL.

Se caracterizan por su color negro o café oscuro, por su poco peso cuando están secos y su gran compresibilidad y porosidad. La turba es el primer paso de la conversión de la materia vegetal a carbón. Cuando un porcentaje relativamente grande de turba se mezcla con suelo inorgánico , se le denomina suelo orgánico. Estos suelos orgánicos tienen la característica de un contenido natural de agua de entre 200% y 300%, y son altamente compresibles. Las pruebas de laboratorio muestran que, bajo carga, se obtiene un gran asentamiento debido a la consolidación secundaria de los suelos orgánicos. Durante la planificación, diseño y construcción de cimentaciones, terraplenes y estructuras de retención, los ingenieros deben reconocer el origen de los depósitos de los suelos sobre los que se construirán las cimentaciones debido a que cada depósito de suelo tiene atributos físicos propios y únicos. A continuación se describen los suelos más comunes con los nombres generalmente utilizados por el ingeniero civil para su identificación. Gravas. Las gravas son acumulaciones sueltas de fragmentos de rocas y que tienen más de 2 mm de diámetro. Dado el origen, cuando son acarreadas por las agua las gravas sufren desgaste en sus aristas y son, por lo tanto, redondeadas. Como material suelto suele encontrarse en los lechos, en las márgenes y en los conos de deyección de los ríos, también en muchas depresiones de terrenos rellenadas por el acarreo de los ríos y en muchos otros lugares a los cuales las gravas han sido retransportadas. Las gravas ocupan grandes extensiones, pero casi siempre se encuentran con mayor o menor proporción de cantos rodados, arenas, limos y arcillas. Sus partículas varían desde 7.62 cm (3’’) hasta 2.0 mm.

Arenas. La arena es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial, y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro. El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas: las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de rio contiene muy a menudo porciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea. Limos. Los limos son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producto en canterías, o limo orgánico como el que suele encontrarse en los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos está comprendido entre 0.05 mm y 0.005 mm. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas por medio de zapatas. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su comprensibilidad muy alta. Los limos, de no encontrarse en estado denso, a menudo son considerados como suelos pobles para cimentar. Arcillas. Se da en nombre de arcilla a las partículas sólidas con un diámetro menor de 0.005 mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque no en pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. Se forman a partir de numerosos minerales, por la acción de diversos agentes de descomposición química. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina y complicada, y sus átomos están dispuestos en forma laminar.

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. 1.1.2. Importancia de la Mecánica de Suelos en la Ingeniería Civil.

El objetivo principal de la Mecánica de Suelos es estudiar el comportamiento del suelo para ser usado como material de construcción o como base de sustentación de las obras de ingeniería. El ingeniero civil, en el transcurso de su formación y desarrollo profesional, se enfrenta a una gran variedad de dificultades, en los que el conocimiento del estudio de los suelos es necesario. Indudablemente se aprenderá más en el campo y en la práctica, que la que puede enseñarse en las aulas o en el laboratorio de la escuela. Pero este aprendizaje será más fácil y más rápido y su aplicación más eficaz, si en sus cursos de ingeniería se incluyen los principios básicos de la geología y geotecnia. Los problemas de cimentación son esencialmente de tipo geológico. Los edificios, puentes, presas, y otras construcciones, se establecen sobre algún material natural. El conocimiento de la existencia de aguas subterráneas, y los elementos de la hidrología subterránea, son excelentes auxiliares en muchas ramas de la ingeniería práctica. La capacidad para leer e interpretar informes geológicos, mapas, planos geológicos y topográficos y fotografía, es de gran utilidad para la planeación de muchas obras. La importancia de los estudios de la mecánica de suelos radica en el hecho de que 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, produciendo a su vez 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 estructura, 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. La Mecánica de Suelos se interesa por la estabilidad del suelo, por su deformación y por el flujo de agua, hacia su interior, hacia el exterior y a través de su masa, tomando en cuenta que resulte económicamente factible usarlo como material de construcción. A un ingeniero le interesa identificar y determinar la conveniencia o no de usar el suelo como material para construir rellenos en caminos, canales de conducción y distribución de los sistemas de riego, obras hidráulicas, entre otros. Para esto es necesario obtener muestras representativas del suelo que se someten a pruebas de laboratorio, tomando en cuenta que el muestreo y los ensayos se realizan necesariamente sobre pequeñas muestras de población, es necesario emplear algún método estadístico para estimar la viabilidad técnica de los resultados. El ingeniero pronosticará las características de carga-deformación de rellenos naturales o compactados, que soportan cualquier construcción o como estructura de suelo. 1.1.3. Aplicaciones de la Mecánica de Suelos en la Ingeniería Civil.

Las principales aplicaciones de la Mecánica de suelos en la ingeniería civil se presentan en las siguientes áreas: A) Cimentaciones:

Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios, puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas, deben cimentarse sobre la superficie de la tierra o dentro de ella. El problema de proyectar con éxito una cimentación es mucho más amplio que la simple fijación de tamaños para las zapatas (cimentación superficial ) o la elección del número correcto y el tamaño de los pilotes (cimentación profunda). Además, se debe evitar que se produzcan asentamientos suficientemente grandes para dañar la estructura o dificultar sus funciones. Esto implica, en ocasiones, mejoramiento


del suelo de desplante, o la aceptación de asentamientos importantes en menoscabo de la funcionalidad de la obra. B) El suelo como material de construcción.

Cuando el ingeniero emplea el suelo como material de construcción debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y, luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno o terraplén y el proceso se suele denominar rellenado o terrapleneado. Uno de los problemas más habituales en este tipo de construcción se debe a la gran diversidad de los puntos de extracción, denominados zonas de préstamo. Una parte esencial de la tarea del ingeniero es cerciorarse que las propiedades del material correspondan a las supuestas del proyecto, o modificar el proyecto durante la construcción, teniendo en cuenta cualquier diferencia entre las propiedades de la obra construida y las que se consideraron en el proyecto.

C) Taludes y excavaciones.

Cuando la superficie del terreno no es horizontal existe una componente del peso que tiende a provocar deslizamientos del suelo. Existen muchos casos en los taludes naturales, terraplenes compactados y excavaciones, en que el ingeniero debe estudiar la estabilidad de un talud, comparando los esfuerzos tangenciales con la resistencia al corte a lo largo de una superficie de deslizamiento potencial, es decir, deberá realiza un cálculo de estabilidad.

D) Estructuras enterradas y de retención.

Cualquier estructura construida bajo la superficie del terreno está sometida a las fuerzas que ejerce el suelo en contacto con la misma. El proyecto y construcción de estructuras enterradas o de sostenimiento constituye una faceta importante de la ingeniería civil. La determinación de las fuerzas que actúan sobre una estructura enterrada no se puede hacer en forma correcta, considerando únicamente la estructura o el terreno circundante, ya que el comportamiento de aquella dependerá del comportamiento de éste. Por tanto, el ingeniero debe tener conocimientos sobre la interacción suelo-estructura para proyectar adecuadamente las estructuras sometidas a cargas de tierra.

1.1.4. Formación de los suelos.

La formación de suelos también puede definirse como la descomposición de la roca, es un proceso estático por el cual la roca se rompe en pequeños fragmentos, se disuelve, se descompone y se forman nuevos minerales.


Los suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre, sometida a la acción ambiental disgregadora de la erosión en tres facetas, por diferentes agentes: Agentes Físicos, tienden a romper la roca inicial y a dividirlas en fragmentos de tamaño cada vez

más pequeño, que pueden ser separados de la roca por agentes activos (agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en los que continúa la acción erosiva. Es decir, tienden a crear las partículas que van a formar el suelo. Por estos fenómenos las tocas llegan a formar arenas o, cuando mucho, limos y sólo en casos especiales, arcillas. Algunos de los agentes físicos más importantes son: 





El sol, que calienta más el exterior que el interior, provocando diferencias de expansión que generan esfuerzos muy fuertes provocando un rompimiento. Este proceso es conocido como exfoliación. El agua en movimiento es un importante elemento de erosión, al arrastrar los fragmentos angulosos de las rocas y provocar la fricción de unos con otros, haciéndolos redondeados. El agua, en forma de lluvia, cae en las superficies pétreas, llena sus cavidades, abre grietas y tiende a llenar los espacios huecos de las rocas; si entonces se congela, ejerce fuerte poder de fracturación en la roca que la encierra. El impacto directo sobre las rocas, como el que provoca el oleaje, también causa erosión. El viento también contribuye a la erosión del suelo, cuando arrastra arenas, como el caso de los suelos eólicos. También afecta a los taludes de suelos arenosos, desprendiendo partículas y acarreandolas.

A pesar de que los agentes físicos son de mucha importancia en la formación de los suelos, no son capaces de reducir los fragmentos rocosos a tamaños individuales a menos de 0.01 mm. La desintegración a tamaños menores a éste, sólo pueden efectuarse por procesos químicos.

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. Agentes Químicos, son los agentes cuya acción modifica la constitución mineralógica o química de

las rocas. Esta acción, por lo tanto, tiende tanto a disgregar como a cementar, lo que quiere decir que puede ayudar a la acción física y, posteriormente, cementar los productos formados, dando unión química a las partículas pequeñas, tamaño suelo, que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye más a destruir y transformar que a unir. Estos mecanismos generalmente producen arcilla como último producto de descomposición. Los efectos químicos tienden a acentuarse con los cambios de temperatura. Los mecanismos de ataque más importantes son la oxidación, la hidratación y la carbonatación. 





La oxidación es la reacción química que puede ocurrir en las rocas al recibir el agua de lluvia, ya que el oxígeno del aire, en presencia de humedad, reacciona químicamente, principalmente si las rocas contienen hierro. La carbonatación es el ataque que el ácido carbónico (CO2) y agua (H2O) efectúa sobre las rocas que contienen fierro, calcio, magnesio, sodio o potasio. Un ejemplo son las calizas. La hidratación es la acción y efecto de combinar un cuerpo con agua para formar hidratos, o sea compuestos químicos que contienen agua en combinación. El agua se absorbe y se combina químicamente formando nuevos minerales.

Agentes Biológicos, son esencialmente la actividad bacteriana, inducen putrefacciones de

materiales orgánicos y mezclan el producto con otras partículas de origen físico-químico, actuando de elemento catalizador, etc. La acción de los agentes de intemperismo antes mencionados se conocen más comúnmente en el medio ingenieril como meteorización y alteración que dan origen a los suelos inorgánicos. La meteorización se refiera únicamente a los cambios superficiales que sufren las rocas debido a la acción de los agentes atmosféricos, y la alteración designa a los cambios internos de las rocas que se presentan en forma de hidratación y motivan que se formen nuevos minerales dentro de la masa pétrea, conservando su individualidad y su identificación geológica. La combinación de los diferentes agentes, y los fenómenos de disgregación (alteración o meteorización) y transformación de la roca, pueden representarse en el llamado perfil de meteorización ( figura 1). En este perfil la roca madre ocupa la parte más baja y alejada de la superficie, y el suelo la más alta.


1.2. Factores geológicos que influyen en las propiedades de los suelos.

Los suelos están formados por partículas sólidas, fluidos, gases y espacios vacíos, pudiéndose clasificar en función del tamaño de las partículas en dos tipos: 



Suelos de grano grueso o granulares: con tamaño de grano predominantemente superior a 0.075 mm. Los minerales predominantes son: silicatos, principalmente feldespato (de potasio, de sodio o calcio), micas, olivino, serpentina, etc.; óxidos, cuyos principales exponentes son el cuarzo (SiO2), la limonita, la magnetita y el corindón; carbonatos, entre los que destacan la calcita y la dolomita y sulfatos, cuyos principales representantes son la ahidrita y el yeso; también contienen vidrios volcánicos, con menos frecuencia. Suelos de grano fino o suelos finos: con un porcentaje superior al 50% de tamaño igual o inferior a 0.075 mm, formados principalmente por limos y minerales de arcilla, como caolinitas, ilitas, esmecticas y materia orgánica, entre otros.

Ambos tipos de suelo se diferencian a partir del análisis granulométrico. Las partículas de los suelos granulares suelen comportarse de forma estable y resistente, mientras que los suelos finos forman estructuras laminares, de comportamiento muy variable, siendo geotécnicamente inestables. En los suelos gruesos el comportamiento mecánico e hidraúlico está principalmente condicionado por su compacidad y por la orientación de sus partículas, por lo que la constitución mineralógica es, hasta cierto punto, secundaria. Los suelos granulares no son plásticos y la resistencia depende básicamente del ángulo de rozamiento interno, que a su vez está condicionado por la forma, tamaño y grado de empaquetamiento de las partículas sólidas considerándose a estos suelos como friccionantes . Los suelos finos son plásticos, y la resistencia depende tanto del rozamiento interno entre las partículas sólidas, como de las fuerzas de cohesión existentes entre las mismas, por los que también se les denomina suelos cohesivos. Otras propiedades como la densidad, porosidad, cambio de volumen, compresibilidad, etc., dependen igualmente de los factores geológicos que se enumeran en la tabla siguiente:


1.3. Características y estructuración de los suelos.

La forma de las partículas minerales de un suelo es de importancia en el comportamiento mecánico de éste. En los suelos gruesos la forma característica es la equidimensional, en la cual las tres dimensiones de la partícula son de magnitud comparable. Se origina por la acción de los agentes mecánicos desintegradores. Según la intensidad y lapso con que estos agentes hayan actuado, se producen variedades, de las cuales pueden considerarse la redondeada, la subredondeada, la subangulosa y la angulosa. En los suelos finos, la forma de las partículas suele ser aplastada, por lo que los minerales de arcilla en su mayor parte adoptan la forma laminar; como excepción algunos minerales poseen forma circular. El peso específico relativo (Ss) de las partículas minerales constituyentes de un suelo varía entre límites estrechos (2.60 a 2.90), por lo que en los casos prácticos basta determinar el valor promedio del peso específico relativo de la materia sólida. El peso específico se determina en laboratorio con el uso de un matraz con marca de enrase, el cual se llena hasta su marca, primero con agua, y después con agua y la muestra de suelo. El aire atrapado entre las partículas de suelo se desaloja por ebullición o exponiendo la suspensión al vacío. Si la temperatura es la misma que la de la suspensión, se obtiene la fórmula como sigue:


El peso seco de sólidos (Ws) debe determinarse antes de la prueba en materiales gruesos y después de ella, en suelos finos plásticos.

1.3.1. Tipos de estructuras.

Ante todo, conviene insistir en una afirmación ya asentada: un suelo nunca es un mero agregado desprovisto de organización, al contrario, sus partículas se disponen en forma organizada, siguiendo leyes naturales y según la acción de fuerzas que son susceptibles de análisis. En los suelos formados por partículas relativamente grandes (gravas y arenas) las fuerzas que intervienen para formar la estructura son conocidas y sus efectos son relativamente simples de calificar; por ello, prácticamente no hay discusión respecto al mecanismo de estructuración que, por otra parte, es verificable a simple vista. Por el contrario, en los suelos formados por partículas muy pequeñas (limos y arcillas), las fuerzas que intervienen en los procesos de estructuración son de un carácter mucho más complejo y las estructuras resultantes son sólo parcialmente verificables por métodos indirectos, relativamente complicados. Todo ello hace que los mecanismos de estructuración y aún las mismas estructuras resultantes sean, en estos suelos, materia de hipótesis. Tradicionalmente, se han considerado las estructuras simples, panaloide y floculenta como las básicas en los suelos reales. En épocas más modernas, se ha tratado de superar aquel cuadro tradicional introduciendo modificaciones en las ideas anteriores, a la luz de algunos resultados obtenidos en experimentos realizados con técnicas más modernas. Así, no sólo están variando las ideas de muchos investigadores acerca de los mecanismos de estructuración de los suelos, sino que inclusive, han aparecido estructuras que, como la dispersa, no estaban incluidas en el cuadro tradicional. En lo que sigue se presenta, en primer lugar, el conjunto de estructuras y mecanismos de formación tradicionales y, en segundo lugar, algunas de las ideas d e mayor aceptación actual.

1.3.1.1. Estructura simple.

Es aquella producida cuando las fuerzas debidas al campo gravitacional terrestre son claramente predominantes en la disposición de las partículas; es por lo tanto, típica de suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias) de masa comparativamente importante. Las partículas se disponen apoyándose directamente unas en otras y cada partícula posee varios puntos de apoyo. Desde el punto de vista ingenieril, el comportamiento mecánico e hidráulico de un suelo de estructura simple, queda definido principalmente por dos características: 

La compacidad del manto y la orientación de las partículas. El término compacidad se

refiere al grado de acomodo alcanzado por las partículas del suelo, dejando más o menos vacíos entre ellas. En un suelo muy compacto, las partículas sólidas que lo constituyen


tienen un alto grado de acomodo y la capacidad de deformación bajo carga, será pequeña. En su poco densos el grado de acomodo es menor; en ellos el volumen de vacíos y, por ende la capacidad de deformación serán mayores. Una base de comparación para tener una idea de la densidad alcanzable por una estructura simple, se tiene estudiando la disposición de un conjunto de esferas iguales. En las figuras se muestran los estados más suelto y más denso posible de tal conjunto.

Las arenas naturales muy uniformes en tamaño, poseen valores de porosidad “n” y relaciones de vacíos “e” que se acercan mucho a los consignados precedentemente. Pero en las

arenas con tamaños más repartidos, los valores pueden disminuir apreciablemente y un pequeño porcentaje de partículas laminares aumenta notablemente el volumen de vacío en el estado más suelto. En arenas bien graduadas, con amplia gama de tamaños, los estados más suelto y más denso tienen valores de e y n mucho menores que los que corresponden a la acumulación de esferas iguales. Para medir la compacidad de un manto de estructura simple, Terzaghi introdujo una relación empírica, determinable en laboratorio, llamada Compacidad Relativa (Cr).


La orientación de las partículas de arena sedimentadas en agua, es tanto más pronunciada cuanto más se aparta su forma de la esférica, ésta orientación produce como efecto principal, una muy distinta permeabilidad del suelo según que el flujo de agua sea normal o paralelo a la dirección de orientación; el efecto aumenta notablemente si el suelo contiene un porcentaje apreciable de partículas laminares. Aún en arenas naturales con formas prácticamente equidimensionales el efecto de la orientación sobre la permeabilidad es apreciable. 1.3.1.2. Estructura panaloide.

Esta estructura se considera típica en granos de pequeños tamaños (0,02 mm de diámetro o algo menores), que son arrastrados y redepositados ya sea por el agua o por los vientos. Es típica de suelos de grano grueso (gravas y arenas limpias). En estas partículas, la gravitación ejerce un efecto que hace que tiendan a sedimentarse, pero dada su pequeña masa, otras fuerzas naturales pueden hacerse de magnitud comparable, concretamente si la partícula antes de llegar a su ubicación final en el depósito toca a otra partícula ya depositada, la fuerza de adherencia desarrollada entre ambas, puede neutralizar al peso, haciendo que la partícula quede detenida antes de completar su carrera; otra partícula puede ahora añadírsele y el conjunto de ellas podrá llegar a formar una celda, con cantidad importante de vacíos, a modo de panal. Las fuerzas de adherencia, causantes de estas estructuras son fuerzas superficiales, ya mencionadas anteriormente.

1.3.1.3. Estructura floculenta.

Cuando en el proceso de sedimentación dos partículas de diámetros menores de 0,02 mm llegan a tocarse, se adhieren con fuerza y se sedimentan juntas; así, otras partículas pueden unirse al grupo, formando un grumo con estructura similar a un panal, denominado flóculo. Los flóculos se unen entre sí para formar panales, que se depositan conjuntamente formando al tocar fondo, nuevos panales, cuyas bóvedas no están ya formadas por partículas individuales, sino por otros flóculos.


El mecanismo anterior produce una estructura muy blanda y suelta, con gran volumen de vacíos, llamada floculenta y, a veces, panaloide de orden superior. Esta estructura es extraordinariamente difusa, en la que el volumen sólido puede no representar más de un 5-10 %. La figura siguiente muestra un esquema de tal estructura:

Conforme aumenta el peso debido a la sedimentación continua, las capas inferiores expulsan agua y se consolidan más. Durante este proceso, las partículas y los flóculos se acercan entre sí y es posible que esta estructuración tan poco firme en principio, alcance alguna resistencia. 1.3.1.4. Estructura compuesta.

Se considera que las estructuras anteriores rara vez se presentan puras en la naturaleza, pues la sedimentación comprende partículas de todos los tamaños y tipos, para los que rigen las leyes de la naturaleza de modo diferente. Lo común sería encontrar en los suelos reales estructuras tales, como un esqueleto constituido por los granos gruesos y por masas coloidales de flóculos que proporcionan nexo entre ellos.

Estas estructuras se forman en condiciones que permiten la sedimentación de partículas gruesas y finas simultáneamente; esto ocurre frecuentemente en agua de mar o lagos, con


contenidos de sales apreciable, donde el efecto floculante de las sales coexiste con el arrastre de vientos, corrientes de agua, etc. Con las ideas anteriores es fácil entender la diferencia que presentan las arcillas en propiedades mecánicas, entre los estados inalterado y remoldeado; el remoldeo destruye la liga de arcilla altamente consolidada entre las partículas gruesas y permite que la arcilla suave las rodee, actuando como lubricante entre ellas; como resultado, la consistencia en el estado remoldeado será más blanda. La resistencia del material de la liga de arcilla, no es función de la tixotropía, sino de la intensa concentración de carga en aquellas ligas, la cual, a su vez, depende de la estructura adoptada y de la carga máxima que el estrato haya soportado a lo largo de su historia geológica (carga de preconsolidación). 1.3.1.5. Estructura en “castillo de naipes”.

Algunos investigadores como Goldschmidt y Lambe han sugerido una interpretación diferente sobre la génesis de una estructura floculenta y la estructura resultante en sí. Seg ún estas ideas, la forma laminar típica de los minerales de arcilla es fundamental en la estructuración resultante para los suelos finos. Estas investigaciones consideran la acción de las fuerzas superficiales como factor que interviene en la estructuración. En las investigaciones de referencia se ha podido notar que, si bien la partícula de suelo posee carga negativa, según ya se dijo, parece cierto que en sus aristas existe una concentración de carga positiva que hace que esa zona localizada se atraiga con la superficie de cualquier partícula vecina. Tomando esto en consideración, los investigadores mencionados han propuesto para las arcillas una estructura tal como la que se muestra en la figura siguiente, a la cual se ha denominado en “castillo de naipes”.

Debe notarse que, según esta hipótesis de estructuración, también corresponde al suelo un importante volumen de vacíos y que las reflexiones anteriores sobre consolidación de los suelos por el peso de los suprayacentes conservan su validez. 1.3.1.6. Estructura dispersa.

Algunas investigaciones modernas han indicado que una hipótesis estructural del tipo de “castillo de naipes”, en la cual las partículas tienen contactos mutuos, si bien puede aceptarse

como real en muchos casos quizás no es la más estable en la que pudiera pensarse. Cualquier perturbación que pueda existir, como deformación por esfuerzo cortante, tiende en general a disminuir los ángulos entre las diferentes láminas de material. Conforme esto sucede, actúan entre las partículas, presiones osmóticas inversamente proporcionales al espaciamiento entre ellas. Las presiones osmóticas tienden a hacer que las


partículas se separen y adopten una posición tal como la que esquemáticamente se muestra en la figura siguiente. Aunque a primera vista no lo parezca, algunos autores opinan que este arreglo es más estable. En las partes a) y b) de la figura se muestra el mecanismo por el cual la presión osmótica, para llegar a una condición mas uniforme, tiende a hacer que las partículas se separen.

En la parte c) se muestra la estructura en su condición final.

Debe hacerse notar que el conjunto de estructuras someramente descriptos, no constituye una serie de posibilidades reales en la naturaleza, sino simplemente algunas de las hipótesis de estructuración de que hoy se habla. Muchos investigadores que aceptan alguna de las explicaciones anteriores, rechazan otras y no existe pleno acuerdo al respecto. También ha de observarse que con las estructuras en “castillo de naipes” o dispersa, se generarán estructuras compuestas análogas a las ya tratadas con las

formas estructurales más clásicas. En este punto, me parece interesante explicar un poco acerca de esta teoría. La formación de las demás estructuras se explica proponiendo que la estructura (denominada microfábrica, y que se refiere al ordenamiento o disposición espacial de las partículas, al grupo de partículas, sus poros, discontinuidades y demás elementos presentes en el suelo) está directamente relacionada con el grado de orientación de los elementos del suelo, su porosidad y densidad, y condiciona otras propiedades de gran importancia como la resistencia, la compresibilidad y la permeabilidad. En función de las condiciones de suspensión, especialmente la concentración de electrolitos, los minerales de arcilla pueden adoptar las siguientes formas de asociaciones elementales: “cara-cara”, “cara -borde”, “borde-borde”. En condiciones de alta concentración de iones, las fuerzas eléctricas netas entre las partículas adyacentes son predominantemente atractivas, produciéndose el fenómeno de la floculación. Esta asociación consiste en una estructura abierta y voluminosa con grandes poros, típica de suelos marinos y lagos salobres.


Por el contrario, cuando la concentración de electrones es baja, los minerales de arcilla tienden a cargarse negativamente, tanto en su superficie como en su borde. En este caso aumenta la doble capa difusa y, por tanto, predominan las fuerzas eléctricas de repulsión entre las partículas adyacentes, produciéndose el fenómeno de la dispersión. El resultado es una estructura densa y alargada, en donde las capas de arcilla no están en contacto debido al predominio de las fuerzas repulsivas. La estructura dispersa es característica de los sedimentos lacustres de agua dulce y de los depósitos fluviales.

Tipos de asociaciones

1.4. Clasificación de las arcillas en base a su estabilidad.

Partiendo de los numerosos minerales (principalmente silicatos) que se encuentran en las rocas ígneas y metamórficas, los agentes de descomposición química llegan a un producto final: la arcilla.

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. Las arcillas están constituidas básicamente por silicatos de aluminio hidratados, presentando además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales tienen una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas. Existen dos variedades de láminas: la silícica y la alumínica. La primera está formada por un átomo de silicio, rodeado de cuatro de oxígeno, disponiéndose el conjunto en forma de tetraedro. Estos tetraedros se sgrupan en unidades hexagonales, sirviendo un átomo de oxígeno de nexo entre cada dos tetraedros, mas o menos como se muestra en la figura:

Las láminas alumínicas están formadas por retículas de octaedros , dispuestas en un átomo de aluminio al centro y seis de oxígeno alrededor. También el oxígeno sirve de nexo, y se esquematiza en la siguiente figura:

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. De acuerdo con su estructura reticular, los minerales de arcilla se encasillan en tres grandes grupos: caolinitas, montmorilonitas e ilitas. 1.4.1. Arcillas caolinitas (estables).

Las caolinitas (AlO3.2SiO2.2H2O) están formadas por una lámina silicílica y otra alumínica, que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas (adsorción).

1.4.2. Arcillas illitas (colapsables).

Las ilitas [(OH)4-Ky(Si8-y.Aly)(Al4.Fe4.Mg4.Mg6)O20, con y, por lo general igual a 1.5] están estructuradas análogamente que las montmorilitas, pero su constitución interna manifiesta tendencia a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen; por ello, su expansividad es menor que la de las montmorilitas.

ELABORADO POR: DAVID IRVIN VALDIVIESO MÉNDEZ. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA. INGENIERÍA CIVIL. 1.4.3. Arcillas motmorillonitas (expansivas).

Las montmorilonitas [(OH)4Si8Al4.nH2O] están formadas por una lámina alumínica entre dos silicílicas, superponiéndose indefinidamente. La unión entre las retículas del mineral es débil, por lo que las moléculas de agua pueden introducirse en la estructura con relativa facilidad. Lo anterior produce un incremento en el volumen de los cristales, lo que se traduce en una expansión.

Mecánica de Suelos, unidad 1

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