MECANICA DE SUELOS IUNIVERSIDAD AUTONOMA TOMAS FRÍAS CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACULTAD DE INGENIERÍA ! CÁLCULO PRECISIÓN Y SIMETRÍA! ADELANTE INGENIERÍA Docente: M.Sc. Ing. Germán Lizarazu Pantoja TEMA No. 1 NATURALEZA DE LOS SUELOS Y DE LAS ROCAS 1 MECANICA DE SUELOS I TEMA No. 1 NATURALEZA DE LOS SUELOS Y DE LAS ROCAS 1.1.-GENERALIDADES En el estudio y aplicación de la Mecánica de suelos, así como en fundaciones, más que en cualquier otra rama de la Ingeniería Civil, es necesaria la experiencia para actuar con éxito. El proyecto de Estructuras comunes fundadas sobre suelos, o de aquellas destinadas a retenerlas, debe necesariamente basarse sobre métodos científicos, o en su caso sobre reglas empíricas; pero, que en ambas situaciones pueden ser utilizadas con propiedad por el Ingeniero que posea un bagaje suficiente de experiencia. En todos los anales antiguos sobre experiencias con fundaciones, la naturaleza de los Suelos es descrita simplemente con términos generales, tales como “Arena Fina” o “Arcilla Blanda” a pesar de que las propiedades mecánicas de dos arenas de distinto lugar son completamente diferentes. Del mismo modo, se puede decir que la Naturaleza de cualquier suelo puede ser modificada si se lo somete a tratamientos adecuados; por ejemplo, una arena suelta puede ser trasformada en densa si se lo vibra adecuadamente. Por otra parte, si examinamos un montón de arena, observaremos que está compuesto de partículas de diferente tamaño. Lo mismo sucede con todos los suelos, donde muchas partículas son tan pequeñas que se necesitan de los microscopios más refinados para poder verlos, mientras que los granos grandes se los distingue simplemente con la vista. (Fig. 1.1, Fig. 1.2, Fig. 1.3). 2 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.1 “Partículas de arena a) arena de Ottawa 0.42 a 0.84mm. b) Arena Ottawa 0.19 a 0.42mm. c) Arena de Ottawa 0.11 a 0.19mm. d) Cristales de feldespato 0.19 a 0.42mm. e) Cristales de cuarzo 0.19 a 0.42mm. f) Cristales de dolomita 0.19 a 0.42mm. g) Arena de la playa de Hawái. h) Arena de Venezuela. i) Arena de Venezuela (arena h comprimida bajo 1400 kg/cm 2) (Según Roberts)” (Fuente: Mecánica de Suelos W. Lambe) 3 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.2 “Arenas de Libia (fracción de 0.15 a 0.25mm) a) Terreno de una factoria, Brega. b) Fondo del puerto, Brega c) Planta de gas natural d) Raguba e) Recinto de depósitos de crufo Brega (Arenas facilitadas por Esso, Libia. Fotos de R. T. Martin M.I.T.)” (Fuente Mecánica de Suelos W. T. Lambe) 4 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.3 “Partícula de arcilla a) Caolinita b) Illita” (Fuente W. T. Lambe) 1.2.-DEFINICIÓN DEL SUELO Y DE LA ROCA Hasta comienzos del siglo XX, la ciencia de la Mecánica de Suelos se encontraba en una etapa de empirismo, en la cual era imposible estudiar el suelo metódicamente. Recién, en 1925 Karl Terzaghi, publicó su famoso libro sobre “Mecánica del Suelo”, en la que se demostró que los suelos podían ser estudiados científicamente y a partir de entonces la Mecánica de Suelos fue conocida como una disciplina muy importante de la Ingeniería Civil. 1.2.1.- DEFINICIÓN DE SUELO Se puede definir el suelo desde tres puntos de vista: a) Para el Ingeniero Agrónomo, suelo es la substancia que da vida a las plantas. b) Para el Ingeniero Geólogo, es un término que significa el material que da vida, así como el material suelo o estrato del cual proviene aquel. c) Para el Ingeniero Civil, suelo tiene una significación más amplia. Se define como “cualquier material no consolidado compuesto de distintas partículas sólidas con la inclusión de gases o líquidos”. 5 MECANICA DE SUELOS I Las partículas de suelo son de diferente tamaño, en la construcción de cimientos el tamaño máximo es de 30 cm. de diámetro (40 Kg.). En el vaciado de concreto, los tamaños son diferentes, variando de 1 ½” (3.81 cm.) a N° 100 (0.149 mm.). Finalmente, el suelo contiene una amplia variedad de materiales, tales como: Grava (2”=5.08 cm. a N° 4 = 4.76mm.), Arena (≤ N°4 y ≥ 200), Limo (≤ N° 200 y ≥ 0.002 mm.) y Arcilla (≤ 0.002 mm.) cuya procedencia son los depósitos glaciales, aluviales, arcillas marinas, y la meteorización de las rocas. Los suelos se encuentran en diferentes tipos de mezclas aisladas. 1.2.2.- DEFINICIÓN DE ROCA La roca se define como material endurecido que para excavarlo se necesita usar taladros, cuñas, explosivos, etc. Se establece como grado mínimo de Dureza la resistencia a la compresión de 14 Kg/cm2. No existe una clara división entre suelo y roca, ya que existe una serie continua de materiales, desde el suelo más suelto hasta la roca más dura. La definición de roca, desde el punto de vista Ingenieril, es complicado debido mayormente a su estructura. Una roca dura pero fracturada, es más fácil de excavar que una blanda pero de un material más coherente. Además, en la roca dura pero fracturada es necesario entibar, mientras que la blanda puede sostenerse a sí misma. 1.3.- DESARROLLO DE LA INGENIERÍA DE SUELOS Y ROCA Hace miles de años ya existían problemas de construcciones relacionados con el suelo, ya sea para enterrar cadáveres, erigir montículos para ceremonias o usar el suelo para formar ladrillos secados al sol o en los revoques de tierra en la construcción de casas. Aún tenemos ejemplos de presas de tierra que en la India han almacenado agua por más de dos mil años y que las ciudades de Babilonia fueron construidas sobre rellenos para evitar las crecientes de los ríos. Posteriormente, ya en la edad media, se mejoró el arte de la construcción relacionado con el suelo, pero los procedimientos eran por tanteo. Recién, en el siglo XVIII, la necesidad de mejorar las construcciones obligo a realizar estudios científicos de los problemas del suelo. 6 MECANICA DE SUELOS I Es así que, Coulomb y Rankine desarrollaron estudios matemáticos de la resistencia del suelo, del empuje de tierras en los muros y para determinar la capacidad de carga de las cimentaciones, deducciones éstas que aun se consideran como aceptables. Finalmente, a comienzos del siglo XX, la necesidad de construir estructuras gigantes y económicas a la vez, obligo a destacados Ingenieros a desarrollar nuevos métodos de análisis en la masa de suelo. Es así que, tenemos a Fellenius en Suecia, Kogler en Alemania, Hogentogler en Norteamérica y sobre todo Karl Terzaghi en Europa y Norteamérica, desde cuyo primer libro la “Mecánica del Suelo” propició el nacimiento de una nueva rama de la Ingeniería Civil. De esta manera y hasta nuestros días, la Mecánica del Suelo es un instrumento indispensable para el proyectista y una gran ayuda para el constructor que tenga que trabajar con tierra. La Mecánica de Rocas es una ciencia desarrollada paralelamente a la Mecánica de Suelos, pero que en sus primeros tiempos solo se circunscribía a la explotación de canteras. Luego, debido a la demanda de canto labrados para la construcción de grandes obras arquitectónicas y las esculturas de mármol, en épocas de Grecia y Roma, dieron mayor importancia a esta disciplina. Sin embargo los conocimientos adquiridos hasta fines del siglo XIX fueron más de la experiencia que de la ciencia. La moderna y científica Mecánica de Rocas se ha desarrollado por las necesidades, tanto de las minas como de la industria de la construcción, aunque su orientación es mayor al trabajo de minas. El Análisis científico insiste en el comportamiento de masas de roca relativamente rígidas entrecruzadas de grietas, mientras que, la mecánica del suelo está orientada mayormente a la construcción y hace énfasis en el comportamiento de materiales débiles y compresibles. Las diferencias entre estos dos tipos de materiales es muy leve tanto científica como prácticamente y solo depende del punto de vista del Ingeniero Civil y del Ingeniero Minero. 1.4.- PROBLEMAS DE LA INGENIERÍA DE SUELOS El Ingeniero Civil, en su práctica, tiene diversos e importantes contactos con el suelo. 7 MECANICA DE SUELOS I Usa al suelo tal como se encuentra en la naturaleza sin alterarla, ya sea, como material de Fundación para soportar edificios. Así mismo, usa al suelo como material de Construcción: en los terraplenes para carreteras y ferrocarriles, en las presas de tierra y en las subrasantes de las carreteras y aeropuertos, etc. (figura 1.4 -1.7) Fig. 1.4 “Cimentaciones a) Edificio con cimentación superficial por zapatas b) Edificio sobre pilotes” (Fuente Mecánica de Suelos W. T. Lambe) 8 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.5 “Sección transversal típica en corte para carreteras de dos carriles; se muestra un detalle del pavimento flexible. Fig. 1.6 “Presa de tierra” (Fuente Mecánica de Suelos W. T. Lambe) 9 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.7 “Taludes y excavaciones a) Talud natural b) Excavación para un edificio c) Zanja para una tubería d) Canal” (Fuente Mecánica de Suelos W. T. Lambe) 1.5.- TIPOS DE EXPLORACIÓN DE LOS SUELOS. Referente a éste tema, por ser bastante amplio y al mismo tiempo por estar en la primera lección del presente texto, solo daremos algunas ideas de la exploración de suelos. El Proyecto de una fundación, de una represa, o de un muro de sostenimiento, de una carretera o un aeropuerto, no se lo podrá realizar satisfactoriamente a menos que se tenga un conocimiento cabal de las propiedades físico-mecánicas del suelo donde se va a realizar el indicado proyecto. Por lo tanto, las investigaciones del terreno y las de laboratorio constituyen una información valiosa y es la que se denomina: “Exploración de los Suelos”, “Reconocimiento del Suelo”, o “Estudio del Suelo”. 10 MECANICA DE SUELOS I Dentro de los tipos de exploración de suelos, podemos indicar los siguientes: a) b) c) d) Método de Exploración por Pozos Método de exploración por Penetración (SPT) Método de exploración Geofísico Método de exploración por Sondeo a) MÉTODO DE EXPLORACIÓN POR POZOS. Uno de los métodos más antiguos de exploración, constituye el método de exploración por pozos (Fig. 1.8) y que permite una inspección y clasificación del material del subsuelo mucho más real que otros métodos. Con éste método, se puede observar las diferentes variaciones del material-suelo, los espesores de los estratos, la ubicación del nivel freático y determinar el perfil del suelo. Sin embargo, cuando se requiere hacer exploraciones a profundidades mayores a cinco metros, éste método resulta antieconómico debido a que los costos de excavación y entibado encarecen su realización. Fig. 1.8 “Pozo excavado a 2.5 m que muestra los diferentes estratos del suelo b) MÉTODO DE EXPLORACIÓN POR PENETRACIÓN. En éste método existen varias formas de exploración; pudiendo ser por: 1) Penetrómetro Dinámico, 2) Penetrómetro Estático 3) Muestras lavadas 4) Muestras obtenidas con taladros 1) El Penetrómetro dinámico (SPT) Standard Penetration Test 11 MECANICA DE SUELOS I (Fig. 1.9 - 1.10), tiene una doble función: el ensayo de Penetración (determinación de la resistencia del suelo) y la toma de muestras para conocer el tipo de suelo ensayado. Se lo utiliza en suelos libres de gravas gruesas. El procedimiento consiste en hincar la punta del penetrómetro (Cuchara de Terzaghi) mediante golpes de un martinete o carga de 65 Kg. de una altura de 75 cm. para que penetre la cuchara 30 cm. en el suelo. Luego, se determina el número de golpes “N” para una penetración de 30 cm. del penetrómetro, con cuyos resultados se obtiene la Resistencia del suelo. Fig. 1.9 “Ensayo de penetración dinámica” 12 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.10 “Tipos de sacamuestras a) Sección de la cuchara del sacamuestras b) Dimensiones de la cuchara c) Sacamuestras de pared delgada (tubo Shelby) d) Accesorios del sacamuestras” Fuente J. Bowles. La Penetración Estática utiliza un cono con un ángulo en la punta de 60 grados, un diámetro de 3.6 cm. un área en proyección de 10 cm2. El cono Holandés es el penetrómetro estático más utilizado. Éste método se utiliza más en suelos finos, en la que la punta es hincada en el suelo ensayado a una velocidad regulada, aplicando una presión constante de 20 a 40 cm/minuto y luego se mide la fuerza necesaria para producir la penetración Fig. 11. 13 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.11 “Equipo de muestreo para perforaciones exploratorias a) Barreno b) Sonda c) Trépanos d) Diafragma para sostener la muestra e) Sacamuestras partido f) Cucharón raspador Estos penetrómetros registran la resistencia en la punta, que opone el cono al penetrar en el suelo y también la fricción lateral. 2) Las muestra lavadas (Fig. 1.12) constituyen otra forma de explorar el subsuelo, utilizan equipos de perforación standard y mediante agua a presión se va lavando el suelo a medida que se introduce la tubería de perforación. Las muestras de suelo salen juntamente con el agua y por su color y textura se conoce el tipo de suelo que se extrae, además de sus espesores. 3) Las muestras obtenidas con taladros, generalmente de forma helicoidal, son empleados para extraer muestras cohesivas con cierto contenido de humedad. Estos suelos se adhieren a las paredes del taladro y así poder extraer el material. No es aconsejable utilizar este método en terrenos granulares o suelos no cohesivos, ver Fig. 1.13. 14 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.12 “Equipo para ejecutar perforaciones” Fig. 1.13 “Aparato con taladro a rotación para sacar muestras” 15 MECANICA DE SUELOS I c) METODO DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICO Este método tiene la característica de no obtener muestras del suelo ensayado, debido a que se lo realiza en la superficie del terreno En este tipo de exploración, existen dos métodos muy usados en Ingeniería Civil: 1) Método Eléctrico 2) Método Sísmico 1) El método eléctrico, mide la Resistividad paso de corriente eléctrica, ya sea continua siguiendo la ley de Ohm y depende del minerales y sales que tenga el suelo. El electrodos, tal como se ve en la Fig. 1.14 que presenta un suelo o una roca al o alterna. Esta resistividad se mide contenido de humedad, densidad, equipo es un Galvanómetro de 4 Fig. 1.14 “Diagrama de la medida de la resistividad de un suelo” La tabla 1.1 nos presenta valores de resistividad de los suelos. Tabla 1.1 “Valores de resistividad de diferentes suelos” 16 MECANICA DE SUELOS I 2) El método símico mide la velocidad de propagación de las ondas sonoras a través de un suelo. Estas ondas sonoras son producidas por golpes de un martillo o detonaciones de explosivos. El método se basa en el principio de que la velocidad de propagación de las ondas sonoras es diferente para cada suelo o roca. El procedimiento se indica en la Fig. 1.14 En general, los suelos poco densos permiten velocidades de propagación bajas, mientras que en rocas y suelos compactos, las velocidades son altas. En la tabla 1.2 se indica valores de velocidad de propagación para diferentes suelos y rocas. Tabla 1.2 “Velocidad de propagación de ondas sísmicas en diferentes suelos” 17 MECANICA DE SUELOS I Fig. 1.15 “Esquema del método sísmico a) curvas tiempo – Distancia b) Método sísmico para determinar los perfiles del suelo” d) MÉTODO DE EXPLORACIÓN POR SONDEOS En este método existen dos tipos de sondeo: 1) Sondeos por Percusión 2) Sondeos por Rotación 1) En los sondeos por percusión, se utiliza saca muestras hincados con martinetes o cargas, tal como se realiza el ensayo de Penetración Stándard“SPT” (Standard Penetration Test), este método se ha explicado en el método del Petrómetro Dinámico. El saca muestras puede ser del tipo de “cuchara partida” o “cuchara de Terzaghi” o “pared delgada”, todos estos elementos sirven para obtener muestras inalteradas. 2) En los sondeos por rotación, se acoplan taladros a los equipos de perforación y se obtienen núcleos rocosos de diferente tamaño, siendo las brocas más usadas las denominadas “Ex, Ax, Bx y Nx” que corresponden a núcleos de 1 3/16”, 1 ¾” y 2 1/8” respectivamente. Este método, para la obtención de muestras testigo o núcleos, utiliza brocas o trépanos de tungsteno o de diamante, ver Fig. 1.13 18 MECANICA DE SUELOS I 1.6.- NATURALEZA DE LA FORMACIÓN DE LOS SUELOS La deformación de un suelo se puede esquematizar en un gráfico como el que se presenta en la Fig. 1.16, en la que podemos apreciar un recipiente lleno de suelo seco (a). Si aplicamos una carga vertical sobre el suelo seco a través de un pistón y observamos mediante un microscopio un punto cualquiera A, veremos que la fuerza vertical se transmite a través del suelo; es decir, que se desarrollan fuerzas de contacto entre partículas adyacentes. Por conveniencia, dividiremos estas fuerzas de contacto entre fuerza normal N y fuerza tangencial T (b). Fig. 1.16 “Representación esquemática de la transmisión de fuerzas a través de un suelo. a) Ampliación de una parte de la sección mostrando las fuerzas transmitida por dos puntos de contacto. b) Sección de un recipiente lleno de suelo (Fuente Mecánica de Suelos W.T. Lambe) Como resultado de las fuerzas actuantes, las partículas se deforman. Esta deformación puede ser elástica y plástica, en la que se puede ver 3 tipos de deformaciones, como se en la fig.1.17. La primera deformación (a de la Fig. 1.17) nos conduce a un aplastamiento y un mayor contacto entre partículas, lo que posteriormente ocasionará el hundimiento del pistón. En el caso (b de la Fig. 1.17), a veces las partículas son pequeñas placas que están apoyadas sobre otros dos granos de suelo y luego debido a las fuerzas de contacto, la placa se flexiona permitiendo movimientos relativos entre partículas adyacentes. 19 MECANICA DE SUELOS I En el caso (c de la Fig. 1.17), cuando la fuerza de corte resulta ser mayor que la resistencia al corte, se produce un deslizamiento entre partículas. La deformación total de la masa de suelo será el resultado de la deformación de las partículas individuales y del deslizamiento de las mismas. De ahí, es que podemos decir, que la primera consecuencia particulada del suelo es: “La deformación de una masa de suelo es controlada por interacciones entre partículas individuales, especialmente por el deslizamiento entre partículas”. Además, sabemos que la deformación es irreversible y no lineal, para lo que en suelos, también la relación esfuerzo- deformación será irreversible y no lineal. Fig. 1.17 “Causas del movimiento relativo entre partículas de un suelo. a) Movimiento producido por deformación en la zona de contacto. Las líneas continuas señalan el contorno de las partículas después de la carga (supuesta la inferior móvil); de trazos se muestra la posición inicial. b) Movimiento relativo por flexión de las partículas laminares. c) Movimiento relativo por deslizamiento de una partícula sobre otra” (Fuente Mecánica de Suelos W.T. Lambe) 20