GEOTECNIA - Tema 1 - ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LOS SUELOS.pdf

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1. Gonzalo Gutiérrez
UNIVERSIDAD NACIONAL DE FORMOSA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES
CARRERA DE INGENIERIA CIVIL
GEOTECNIA

2. Gonzalo Gutiérrez
TEMA 1:
ORIGEN Y COMPOSICIÓN DE LOS SUELOS

3. “LaMecánicadeSueloseslaaplicacióndelasleyesdelaMecánicayla
Hidráulicaalosproblemasdeingenieríaquetratanconsedimentosy
otrasacumulacionesnoconsolidadasdepartículassólidas,
producidasporladesintegraciónmecánicaodescomposiciónquímica
delasrocas,independientementedequecontenganonocontenidode
materiaorgánica”.
Theoretical Soil Mechanics (Karl Terzaghi)
Mecánicadesistemasdepartículas
1. INTRODUCCIÓN

4. 1. INTRODUCCIÓN
#4:4,76mm #200:0,074mm

5. 1. INTRODUCCIÓN
•Ladeformacióndeunamasadesueloestácontroladaporlainteracciónentrepartículas
individuales,especialmenteeldeslizamientoentrelasmismas.
•Loselementosdelafaseintersticialinfluyenenlanaturalezadelassuperficiesminerales.Es
unainteracciónquímicaqueafectalaresistenciaaldeslizamiento.
•Elaguapuedecircularatravésdelsueloejerciendounefectosobreelesqueletomineral,
modificandolamagnituddelasfuerzasenlospuntosdecontacto,einfluyendoenla
resistenciaaldeslizamiento.
•Cuandolacargaaplicadasehacevariarrepentinamente,estavariaciónesabsorbida
conjuntamenteporelfluidointersticialyelesqueletomineral.Lavariacióndelapresión
intersticialobligaalaguaamoverseatravésdelsuelo,conlocuallaspropiedadesdelsuelo
varíanconrespectoaltiempo(KarlTerzaghi,1920–esfuerzosefectivos).
Sistemasdepartículas-consecuencias

6. 1. INTRODUCCIÓN
Losproblemasdesuelosson,enaltogrado,estáticamenteindeterminados,ademáslos
depósitosdesuelosnaturalespresentancaracterísticasquehacenaúnmáscomplejoelanálisis:
•Elsuelonoposeeunarelaciónlinealoúnicadeesfuerzo-deformación.
•Sucomportamientodependedelapresión,tiempoymediofísico.
•Esdiferenteencadalugar.
•Noesposiblesuestudioenformaacabada.
•Lamayoríadelossuelossonmuysusceptiblesaalterarseenlatomademuestras.
Entonces:
1.Cadaproblemadesuelosesparticulareimposibledeunasoluciónexacta.
2.Laresoluciónadecuadadecadaproblemarequierecombinarunabuenaformación
geotécnica,experiencia,aspectoseconómicos,ygeologíaenformadirectao
indirecta.

7. •EL SUELO COMO MATERIAL DE
CIMENTACIÓN
•EL SUELO COMO ELEMENTO
DE DISEÑO EN EXCAVACIONES
•EL SUELO COMO MATERIAL DE
CONSTRUCCIÓN
•EL SUELO COMO ELEMENTO
DE DISEÑO EN ESTRUCTURAS
DE CONTENCIÓN
Profundidad de fundación.
Excavaciones con frentes verticales, excavaciones
con taludes, excavaciones sostenidas. Diagramas
de empujes. Levantamiento de fondo.
Abatimiento del nivel freático.
Capacidad de carga y asentamientos.
Susceptibilidad a variaciones volumétricas.
Agresividad química.
Definición de las características del material de
aporte y de los métodos de tratamiento.
Propiedades posteriores al tratamiento (control de
calidad).
Diagramas de empujes (suelo natural y/o aporte).
FUNCIÓN EN LA OBRA EVALUACIÓN NECESARIA
2. EL SUELO EN LA INGENIERÍA CIVIL

8. Profundidad de fundación.
Excavaciones con frentes verticales,
excavaciones con taludes, excavaciones
sostenidas. Diagramas de empujes.
Levantamiento de fondo.
Abatimiento del nivel freático.
Capacidad de carga y asentamientos.
Susceptibilidad a variaciones volumétricas.
Agresividad química.
Definición de las características del material
de aporte y de los métodos de tratamiento.
Propiedades posteriores al tratamiento
(control de calidad).
Diagramas de empujes.
•Identificación del suelo natural (Wnat.-LL-LP-IP-
Granulometría).
•Potencial retracción –hinchamiento.
•Valores de sustancias agresivas en suelos y aguas
de contacto.
•Pesos específicos naturales.
•Pesos específicos máximos y humedades óptimas
de compactación. Control de densidad “in situ”.
•Parámetros de permeabilidad.
•Parámetros de deformación.
•Parámetros de corte.
EVALUACIÓN NECESARIA PROPIEDADES Y/O PARÁMETROS
2. EL SUELO EN LA INGENIERÍA CIVIL

9. 2. EL SUELO EN LA INGENIERÍA CIVIL
Elmétododirectopararesolverunproblemadesuelosconsisteen
determinarprimeramentelapropiedadconvenientedelsuelo
(Geotecnia),utilizandoluegoestevalorenunaexpresiónracionalpara
obtenerlasolución(Fundaciones).

10. 2. EL SUELO EN LA INGENIERÍA CIVIL
GEOTECNIA
Tema 1.-Origen y composición de los suelos.
Tema 2.-Clasificación de los suelos para
propósitos de ingeniería.
Tema 3.-Propiedades físicas de los suelos.
Tema 4.-El agua en los suelos: presencia y
efectos.
Tema 5.-Fenómeno de consolidación en
suelos.
Tema 6.-Resistencia de los suelos al corte.
Tema 7.-Estudios geotécnicos.
FUNDACIONES
Tema 1.-Equilibrio plástico de los suelos.
Tema 2.-Estructuras de retención.
Tema 3.-Distribución de presiones.
Tema 4.-Capacidad de carga.
Tema 5.-Análisis de asentamientos.
Tema 6.-Estabilidad de taludes.
Tema 7.-Arcillas activas. Interacción suelo -
construcciones livianas.

11. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
DESINTEGRACIÓN MECÁNICA (FÍSICA) O DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ROCAS
Meteorización “in situ“
Cambios de temperatura
Gradiente de temperatura dilatación diferencial de la roca fatiga y rotura.
Crecimiento de cristales
Penetración de agua libre congelamiento rotura.
Tensiones de la corteza terrestre
Terremotos. Formación de diaclasas, plegamientos, que debilitan al macizo rocoso y
facilitan su transformación posterior en trozos más pequeños.
Efectos de la gravedad
Rotura y desprendimientos de macizos rocosos.

12. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
Meteorización por transporte
Agua
Transporte fluvial y/o marítimo.
Viento
Transporte eólico.
Glaciares
Acción de transporte y generación de grandes presiones.
Efectos de la gravedad
Rotura y desprendimientos de macizos rocosos.

13. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
Meteorización química
Lameteorizaciónquímicaesunprocesoqueconsisteenladescomposiciónoroturadelasrocas
pormediodereaccionesquímicas.Ladescomposiciónsedebealaeliminacióndelosagentes
quecementanlaroca,einclusoafectanalosenlacesquímicosdelmineral.Esposiblequeenel
proceso,ydebidoalasreaccionesquímicas,seformenmaterialesnuevos.Elcalibredelos
materialesessiempremuyreducido:arcillas,limos,arenas.
Comprende dos procesos básicos, la disolución y la alteración:
Ladisoluciónesunprocesofísicoqueconsisteenladisociacióndelasmoléculaseniones
graciasaunagentedisolvente,ennuestrocasoelagua.Esteprocesonoimplicaninguna
transformaciónenlacomposiciónquímicadelmaterialdisuelto.Unavezdisueltoslosmateriales
seprecipitanaldesaparecerelagentedisolvente.
Laalteraciónesunprocesoquímicoqueconsisteenlatransformacióntotaloparcialdelas
moléculasenionesgraciasaunagentedisolvente,ennuestrocasoelaguayelaire.Este
procesoimplicaunatransformaciónenlacomposiciónquímicadelmaterialdisuelto,porloque
encontramosmineralesdeneoformación.Losproductosresultantestienencalibresmuy
pequeños,quepuedenirdesdeeltamañogranularhastaloscoloides.
Laalteraciónesunprocesocontroladoporlahumedad,latemperaturaylapresenciade
vegetación,amayortemperaturayhumedadmáseficacia.

14. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
Tressonlosmecanismosbásicosdealteración:oxidación,hidrataciónehidrólisis.
Oxidación
Elprocesodeoxidaciónseproduceporelcontactodelaireconlasrocasencuyacomposición
entranmineralesquesepuedencombinarconeloxígeno.
Hidratación
Lahidrataciónafectaalasrocascompuestaspormineralescuyoscompuestosreaccionanconel
agua.
Hidrólisis
Lahidrólisisesunprocesoquímicoqueconsisteeneldesdoblamientodeunamoléculaen
presenciadelagua(concretamentelosionesH+,quehacenqueelaguasecomportecomoun
ácidodébil).Laconsecuenciaesladestruccióndelasestructurascristalinas,dandolugarala
progresivaseparaciónylavadodeloselementosquecomponganlaroca.Comoconsecuenciase
formanmineralesarcillososyresiduosmetálicosarenosos.
Podemosdistinguirtresgradosdealteraciónhidrolítica,enfuncióndelascaracterísticasde
laargilización.Enelprimergradoseformanarcillasmontmorilloníticas,enelsegundogrado
seformanarcillascaoliníticas,yeltercergradoconsisteenlalaterización(lateritas).

15. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
•SUELOSSEDIMENTARIOS
Meteorización de las rocas: física (gravas –arenas –limos) y química (arcillas)
Transporte por medio del agua, aire, hielo, gravedad y organismos vivos
El transporte afecta los sedimentos, modificando el tamaño y la textura de las
partículas por abrasión, desgaste, impacto y disolución; y produciendo una
clasificación o graduación de las partículas.
Depósito

16. 3. FORMACIÓN DE LOS SUELOS
•SUELOSRESIDUALES
Meteorización de las rocas: física (gravas –arenas –limos) y química (arcillas)
Velocidad de descomposición > velocidad de arrastre
Los productos de la meteorización se acumulan “in situ”.
Los factores que influyen sobre la velocidad de alteración son el clima, la
naturaleza de la roca original, la vegetación, el drenaje y la actividad bacteriana.
Los suelos residuales tienden a ser más abundantes en zonas húmedas,
templadas, favorables al ataque químico de las rocas y con suficiente vegetación
para evitar que los productos de la meteorización sean fácilmente arrastrados.
•SUELOSCOLOCADOS PORELHOMBRE Rellenosoterraplenes

17. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
•Morfologíadeunapartículadesuelo
Tamaño Granulometría
Hidrometría
Forma Regular:partículasdeltamañodellimoofraccionesmás
gruesas
Laminilla:fracciónarcillosa
•Composicióndeunapartículadesuelo
•Unapartículadesueloinorgánicoesunmineral.Unmineralesunelementoocompuesto
químicopresenteenlanaturalezayformadoporunprocesogeológico.
•Lanaturalezaydisposicióndelosátomosenunapartículadesuelo,esdecirsucomposición,
tieneunaconsiderableinfluenciasobrelapermeabilidad,resistenciaytransmisiónde
esfuerzos,especialmenteenlosdegranofino.Esnecesarioconocerestacomposiciónpara
entenderlosfundamentosdelcomportamientodelaarcillayenparticularlavariacióndeeste
comportamientoconeltiempo,lapresiónylascondicionesexternas.

18. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Lasformasdelamateria(segúnJohnR.Holum,1975)

19. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Lasformasdelamateria(segúnJohnR.Holum,1975)

20. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS

21. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS

22. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS

23. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Lacortezaterrestreeslacaparocosamásexternadelatierra,deunos17km.degrosor.
Aproximadamenteel95%delacortezaconsisteenrocasígneasyenrocasmetamórficas
derivadasderocasígneas,compuestasensumayorpartedemineralesquesoncompuestosde
silicioyoxígeno,estossonlosmineralessilicatos.

24. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Estructuradelossilicatos
Elbloquedeconstruccióndelaestructurareticularcristalinadelossilicatoseseltetraedrode
oxígeno–silíceo,queserepresentadelasiguientemanera:

25. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Lostetraedrospuedenformardiversasunionesestablesenformastalescomoanillos,cadenas,
láminasyestructurastridimensionales.

26. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS

27. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Lossuelosprocedengeneralmentedeladescomposicióndelasrocas,porlocual,losminerales
másabundantesenlossuelossonlospropiosdelasrocas,yaquellosmásresistentesala
meteorizaciónfísicaoquímica.
LOS MINERALES DE ESTRUCTURA EN CAPA O RETÍCULO
SON POR LO TANTO LOS CONSTITUYENTES MÁS
ABUNDANTES Y COMUNES DE LOS SUELOS

28. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Unidadesestructuralesbásicas
Elestudiodelaestructura
delossilicatospuede
facilitarseconstruyendoun
mineralapartirdeciertas
estructurasbásicas:
Gibbsita
Brucita

29. 4. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS
Estructuradedoscapas Caolinita
Arcillas
Estructuradetrescapas MontmorilonitaoIlita (part.deformaaplanada)
Retículostridimensionales Cuarzo LimosyArenas
(partículasaprox.equidimensionales)

30. 5. ASPECTOS PARTICULARES DE LOS MINERALES DE ARCILLA
Cargaeléctricadeunapartículadesuelo
Aunqueteóricamenteunapartículadesuelopuedeposeercargapositivaonegativa,solamente
sehanmedidocargasnegativas,quetienenorigenenvariascausas,siendolademayor
importancialasubstituciónisomorfa.
ARCILLACAOLINITA:
AlporSi–1de400
superficieespecífica:10/20m2/gr
ARCILLAMONTMORILONITA :
MgporAl–1de6
superficieespecífica:800m2/gr
LIMO
superficieespecífica:1m2/gr
Comolamagnituddelacargaeléctricaestáenrelacióndirectaconeláreadelapartícula,la
influenciadeestacargasobreelcomportamientodelapartículaenloqueserefierealasfuerzas
demasa(esdecirelpesodelapartícula),estarádirectamenterelacionadaconeláreapor
unidaddemasaSUPERFICIEESPECÍFICA.
COLOIDEpartículacuyocomportamientoestácontroladoporfuerzasdetiposuperficialen
lugardeporfuerzasdemasa.

31. Comportamientodeunapartículaenpresenciadeaguayiones
•Unapartículadesueloenlanaturalezaatraeionesparaneutralizarsucarganetaionesde
cambiooionesintercambiables.Lapartículadesuelojuntoalosionesdecambioesneutra.
Carganegativanetadeunapartícula=capacidaddeintercambiocatiónico
•Sisesumergeunapartículadearcillaenagua,tantolassuperficiesmineralescomolosiones
decambioabsorberánagua,esdecir,sehidratarán.Alhidratarse,losionesaumentande
tamaño,separándosedelassuperficiesmineraleshaciaposicionesdeequilibriodoble
capa.
5. ASPECTOS PARTICULARES DE LOS MINERALES DE ARCILLA

32. •Elaguadeladoblecapaestá
sometidaaunafuerzade
atracciónhacialapartículade
sueloyaqueelaguaessolidaria
delosionesdecambioqueasu
vezresultanatraídoshaciala
superficiedelsuelo.Elagua
tambiénesatraídaporotras
fuerzas,porejemplofuerzasde
vanderWaals.
5. ASPECTOS PARTICULARES DE LOS MINERALES DE ARCILLA

33. LasfuerzasR`yA´
•Siconsideramosdospartículasarcillosasmuy
separadasenunmedioacuosoylasaproximamos,
sealcanzaráunaseparaciónparalacualempiecen
aejercersefuerzasmutuamente.Comocada
partículallevaunacarganetanegativaambas
partículasserepeleránporefectodelafuerza
eléctricadeCoulombdesarrolladaentrecargasdel
mismosignoR`
•Comolacarganegativadeunapartículadearcilla
estáequilibradaporloscationesdeladoblecapa,
ambaspartículascomienzanarepelersecuando
entranencontactosusdoblescapas.
•LacomponentedeatracciónA´eslafuerzadevan
derWaals.
5. ASPECTOS PARTICULARES DE LOS MINERALES DE ARCILLA

34. •Losionesabsorbidossobrelaspartículasde
suelopuedensersubstituidosfácilmente.
•Lanaturalezadelióndecambiotieneuna
influenciaimportantesobreelcomportamiento
delsuelo.Unareaccióncomolaindicadadapor
resultadounadepresióndeladoblecapaen
tornoalapartículadesuelovariacióndelas
propiedadesdelsueloformadoporlosmismos.
5. ASPECTOS PARTICULARES DE LOS MINERALES DE ARCILLA