MECANICA DE SUELOS1. SUELOS Para un constructor de edificios, el suelo se define como un material no consolidado formado por partículas minerales con gases o líquidos incluidos. Los suelos se clasifican en Suelos orgánicos (su origen es principalmente orgánico), y Suelos inorgánicos (producto de la descomposición física o química de las rocas). La mayor parte de los materiales que forman la fuente original del suelo son las rocas. Durante millones de años, el hielo, la nieve, el viento y la lluvia han desgastado gradualmente las montañas; el agua ha arrastrado las partes de la roca que se disuelven fácilmente. Es común que sobre las rocas se desarrollen plantas que, poco a poco, contribuyen a desintegrarlas, dando así comienzo al proceso de formación de los suelos. Cuando los productos de la descomposición de las rocas se encuentran en el mismo lugar de oerigen, se dice entonces que forman un Suelo residual; cuando los productos de la descomposición de las rocas se encuentran fuera de su lugar de origen, se dice que forman un Suelo transportado, sin importar el medio de transporte. Dentro de la geología moderna se cree que hace millones de años el clima era tan frio que en el Canadá se acumularon grandes masas de hielo, las cuales, al entrar en movimiento, alcanzaron una fuerza capaz de triturar las rocas. En su rápido avance, estas masas heladas arrastraban, toda partícula suela de las colinas y montañas, las mezclaban con otras y las extendían sobre el terreno, dando origen a lo que se conocen como Suelo glacial. Estos suelos, formados por una mezcla de partículas finas, piedras y grandes pedazos de roca, se fueron acumulando durante muchos años debido a los deshielos en los años calurosos y a la congelación en los años fríos. Además, cuando el clima en la tierra se hizo más templado y tolerante, el hielo de los glaciares empezó a derretirse ocasionando que su fusión diera origen a la formación de ríos muchos más caudalosos que los actuales, los cuales arrastraban a su paso gravas, limo, arcillas y arenas, que se fueron depositando en las planicies y valles actuales o llevados a lo largo de las corrientes. El viento también juega un papel muy importante en la formación de los suelos. En su arrastre da origen a dos tipos de suelo: el loess y los médanos. El loess son depósitos acumulados por el viento (sedimentos eólicos cohesivos), no contienen piedras y se encuentran formados principalmente por limos y arenas finas. Los médanos son acumulaciones de arenas sueltas cuarzosas arrastradas por el viento; están formados con arenas uniformes con un pequeño contenido de mica. Los suelos se encuentran conformados por una variedad muy amplia de materiales tales como la grava, la arena y las mezclas arcillosas depositadas por glaciares y vientos; limos orgánicos y limos inorgánicos, las turbas, las arcillas marinas blandas o margas, las arenas de las playas de la costa, las morenas, las tierras diatomáceas, las tufas, el caliche, las bentonitas, las rocas y las escamas y cenizas. Su origen se debe a una variedad de causas que exceden toda descripción detallada. Toda esta gama de materiales distintos que puedan formar un suelo dificultan seriamente el evaluar, de manera exacta, su capacidad y su comportamiento, es por esto que para edificar sobre ellos resulta necesario realizar ensayos físicos que ofrezcan resultados Los suelos encierran tantos misterios que determinar cuál es la cimentación adecuada resultará siempre complicado. el conocimiento y magnitud de los asentamientos lleva a la realización de un adecuado proyecto de cimentación antes de iniciar cualquier construcción. para determinar la naturaleza de los depósitos formados en el lugar de la investigación. En resumen se puede afirmar que un terreno es bueno cuando es duro y sólido y sus capas más profundas presentan formaciones horizontales impermeables a las filtraciones y al arrastre por flujo de aguas superficiales o subterráneas. Resulta adecuado conocer el espesor de las capas geológicas que lo forman. generalmente no habrá problemas en lo que se refiere a la estabilidad de la construcción. al incrementarse en la época moderna la altura de las edificaciones. hay que recordar que el comportamiento del suelo no sólo depende de las propiedades significativas de los granos de su masa. desuniformes. cuando se trate de un terreno compresible y con espesores variables en sus capas. EXPLORACION DEL SUELO Los depósitos naturales que forman todo tipo de suelo son tan variados que ningún método de exploración es ideal para todos los casos. los terrenos pueden clasificarse en dos grandes grupos: Terrenos compresibles Terrenos incompresibles { Deleznables No deleznables Dentro de los compresibles o blandos. Para edificar sobre ellos. además. la cimentación se encontrará expuesta a riesgos nada fáciles de predecir. Sin embargo. NATURALEZA Y RECONOCIMIENTO DEL SUELO Siempre es conveniente realizar un estudio geológico simple o a mayor profundidad. y se conoce. cuando se cimiente sobre un terreno incompresible y compacto. En efecto. su espesor y resistencia. probablemente. su clasificación puede resultar incierta e incorrecta. sino también de aquellas que tienen su origen en el acomodamiento de las partículas dentro de ellas. muchos investigadores e ingenieros se vieron obligados a desarrollar métodos nuevos para conocer el comportamiento de los suelos y las teorías de la mecánica e ingeniería de suelo. es conveniente un . las presiones máximas que los terrenos pueden resistir son del orden de 50 hasta 300 ton/m2. su resistencia y cantidad de agua. esto significa que cada suelo requerirá. puede causar asentamientos excesivos. 2. Antes de proceder a explorarlo. se encuentran los siguientes: a) b) c) d) e) Fango húmedo (se forma en las aguas estancadas) Turba (estiércol mezclado con carbón vegetal) Tierra vegetal (capa superficial que constituye el suelo natural) Tierras arcillosa (tierra con cierto contenido de arcilla) Arenas revueltas no compactas y depositadas en lechos no naturales (partículas sueltas de roca) Dentro de este grupo. Por el contrario. 3. Es por esta razón que. ya que al pretender clasificar un suelo en el terreno. la consolidación progresiva del suelo por el peso del edificio que comprime los estratos confinados de arcilla blanda ubicados en otras capas más profundas. la repartición de las cargas del edificio a construir. de tal manera que el constructor pueda prever en relación con el grado de compresibilidad del terreno. y en el caso de la roca granítica la carga que puede llegar a soportar es prácticamente ilimitada. dependiendo de la importancia de la edificación. además. Sin duda. de un procedimiento para investigarlo muy diferente del que necesitará otro subsuelo.representativos de las propiedades del suelo. además. exploración geoeléctrica. magnética y diferencias gravimétricas). de forma sencilla y manejo manual. además. Cuando la obra requiere de perforaciones más profundas y estudios de suelos más elaborados. así como los tipos de estructura más utilizados en la zona. dependiendo de las características del suelo y del procedimiento de perforación elegido. Como ya se mencionó. Sin embargo. agrietamientos y asentamientos. se recomienda utilizar barrenas impulsadas mecánicamente o las máquinas perforadoras. SONDEOS PARA LA EXPLORACION DEL SUBSUELO Para sondeos sencillos se utiliza la barrena como herramienta de ataque pero ésta puede ser de varios tipos. para analizar la tendencia de los movimientos del subsuelo ocasionados por consolidación y presión del agua y del estracto rocoso. a la investigación geofísica por la importancia de la cimentación. En otros casos bastará con una sencilla prueba de penetración directa para conocer la densidad del material más débil del subsuelo sin necesidad de sondeos para la obtención de muestras. éste deberá investigarse también por métodos geofísicos (refracción sísmica. evitará investigaciones costosas e innecesarias. . 6 y 8 pulgadas. habrá casos en los que será necesario recurrir. se usan para hacer perforaciones de prueba con profundidades que van desde los 2 hasta los 10 metros con diámetros comunes de 4. nivel freático.análisis y observación preliminar de la zona para tener una información que. tipo de cimentación y su profundidad. 4. humedad. cohesión del suelo. habrá casos en los que no bastará la perforación y exploración del suelo cuando se empleen cimentaciones profundas. La observación detallada de las construcciones de la zona y la comparación con la que se piensa llevar a cabo indicará el tipo de excavación y dificultades. en muchos casos. Estas herramientas. Entonces. en el mercado hay una variedad enorme de equipos y procedimientos adecuados para cada tipo de subsuelo. eventualmente. en obtener la densidad. radiactivas. . las diferencias gravimétricas. la resistencia y elasticidad. evaluando por qué se producen o si son ocasionadas por gravedad o por geomagnetismo (magnetismo terrestre). EXCAVACIONES Las excavaciones son cortes que se hacen en el terreno natural con el fin de extraer material para alojar en él una cimentación o cualquiera otra obra de construcción. pueden llevarse a cabo sin necesidad de apuntalar sus paredes. entre otras cosas. por un lado. Cuando son poco profundas. eléctricas. igualmente. ante la carga sísmica. Una adecuada y meticulosa exploración de subsuelo llevará a que toda cimentación satisfaga. recurriendo simplemente a los taludes naturales del terreno. 5. En la siguiente figura se presenta una relación de los taludes más comunes. pero conservando siempre la verticalidad ante la carga estática y. el nivel freático y los estratos de tierra firme o estratos no cohesivos. permitir que el edificio pueda asentarse a la misma velocidad que lo hace el suelo. la necesidad de impedir que la construcción deforme el terreno por sobrecarga y por el otro. b) Método dinámico: Se basa en mandar al interior del subsuelo cierto tipo de energía que puede ser medida por medio de las señales que regresan. si es que estos son capaces de soportar el empuje del material a excavar. En construcción son aplicables dos métodos geofísicos básicos: a) Método estático: Consiste en determinar las deformaciones de un campo físico en estado de equilibrio.La exploración consiste en detectar y encerrar en límites determinados las rocas del subsuelo. Según se observa en la siguiente figura. se . En raras ocasiones. que por su importancia y gravedad.0 metros. sin embargo. estas excavaciones requieren de apuntalamientos en sus paredes. lo cual producirá con el tiempo. Esto puede ocasionar que cuando el agua penetre en donde se asienta la cimentación.Al comenzar una excavación el terreno puede verse seco en su superficie. En muchas excavaciones se hace necesario el abatimiento del nivel freático para evitar que se inunde el terreno excavado. se deben profundizar en cursos posteriores. cuarteaduras en los muros. Para su estudio las excavaciones se clasifican en: a) Excavaciones superficiales: Una excavación es superficial cuando su profundidad no sobrepasa los 2. esto traerá consigo una serie de resultados. a veces negativos. pero estar lleno de huecos con agua en otras capas más profundas. se forme una masa de barro esponjoso que hundirá el cimiento dependiendo de la cantidad de agua filtrada en su base. ataguías o muros de contención que retengan el empuje de la tierra o del agua freática. Terrenos blandos (compresibles) En forma manual En forma mecánica Terrenos duros (incompresibles) Incompresibles y deleznables Manualmente Manualmente Incompresibles y no deleznables Con martillo de aire comprimido Con explosivos Terrenos blandos (compresibles): En forma manual. la trailla-tractor son recomendables y económicas. . En ocasiones. Cuando el terreno está formado de material semicompacto. a la construcción por tramos alternados de muros de contención que eviten desplazamientos del edificio colindante. movido por aire comprimido y el pistón que produce el golpe o la dinamita. Por su dureza. Terminada la excavación se le quita la barrena y se le engancha un cucharón con dientes frontales que sirven para recoger la roca hecha ya pequeños trozos. Terrenos duros (incompresibles y no deleznables): Manualmente. Con martillo de aire comprimido.logra cierta seguridad cuando a los parámetros se les da un talud más o menos pronunciado que depende de lo deleznable del terreno excavado. gravas secas y arcillas con poca compacidad. la cual disgrega y facilita su excavación. Cuando es de roca granítica o en bancos de roca fija. siempre que la excavación permita el acceso a estos vehículos. En ocasiones se tiene la necesidad de excavar a una profundidad mayor que la del edificio contiguo. En materiales muy duros y en zonas todavía no urbanizadas. retrocargador (pajarita). el barretón. la excavadora tipo pala mecánica. es muy recomendable el uso de la barrena y la pólvora negra como explosivo. Esta máquina. Estos terrenos generalmente se encuentran formados por arena y gravilla compacta. volqueta y el dumper de poca capacidad. la zanjadora. En excavaciones de regular volumen de material excavado se recomienda. Terrenos duros (incompresibles y deleznables): Manualmente. b) Excavaciones profundas: Su profundidad rebasa los 2. el dumper y la volqueta. con el azadón. de tal manera que pueden atacarse además del pico y la pala. no obstante. los terrenos se clasifican en: Blandos (compresibles) Duros (incompresibles) De acuerdo con el tipo de terreno y su volumen.0 metros. pero tiene como inconveniente que la profundidad del barreno es relativamente corta. Para transportar el material excavado se emplea la carretilla. Cuando se trate de una excavación de grandes dimensiones y gran profundidad. roca blanda. puede utilizarse cualquier medio que resulte más rápido y eficaz. de gran potencia y fácil movilidad. Para atacarlos se utiliza el pico y la pala (en ocasiones el azadón). una excavación puede realizarse con diferentes métodos. facilitando así su manejo. para su excavación se recomienda la barreta. las cuñas y la almádena. en la mayoría de los casos. la barrera penetra por percusión en la roca de tal forma que la rompe en pequeñas partes. para el barrenado se utiliza el martillo de aire comprimido. lo cual hace necesario el empleo de tablestacas. siendo preciso actuar con extrema prudencia y recurrir. es un procedimiento de excavación muy recomendable para atacar terrenos de roca considerados muy duros. se recomienda el martillo rompedor de roca. las cuñas y la almádena. Los medios de transporte ideales pueden ser la carretilla. En forma mecánica. pero éstos deberán encontrarse localizados en zonas no urbanizadas ni habitadas. este descenso se vuelve más pronunciado en la cercanía de los drenes. Estos huecos generalmente se encuentran comunicados entre sí. la capa freática sufre un descenso no regular en todas las zonas de la excavación. deberá considerarse que la presión del agua en este estrato puede levantar el fondo de la excavación. Del mismo modo. De manera previa a la excavación. limitándola a pequeñas zanjas en las que se construirá y lastrará la cimentación antes de continuar excavando otras zonas. la que a su vez descansa sobre un estrato permeable. se analizará la seguridad del fondo de la excavación por flujo de agua. con el fin de evitar que las construcciones vecinas resulten afectadas. no obstante el bombeo superficial. a veces. En suelos no cohesivos. lo que permite que parte del agua de lluvia se filtre por gravedad. de tal manera que en estos casos se hace necesario diseñar un sistema de drenaje para extraer y sanear el terreno excavado. Si el espesor de la capa impermeable es insuficiente para asegurar la estabilidad de fondo. A este respecto las normas nacionales e internacionales dicen: El agua freática se debe controlar y extraerse de la excavación por bombeo desde cárcamos. es preciso reducir al mínimo la magnitud de las expansiones instantáneas. se acepta recurrir al hincado de pilotes de fricción capaces de absorber los esfuerzos de tensión que puedan generar la expansión del terreno. el agua penetra en los tubos por las perforaciones y juntas que se dejan entre ellos. se requiere de un permiso especial que otorga únicamente el Ministerio de Defensa Nacional bajo condiciones y reglamentos muy severos para su almacenamiento y manejo. pueden resultar catastróficos. Si se desea emplear este explosivo. . Al desecar el terreno excavado. DRENAJE DE LOS SUELOS Y SANEAMIENTO DE LAS EXCAVACIONES Un drenaje mal planeado o con un filtrado deficiente puede producir un sifonamiento y. En una excavación profunda es común encontrarse con una estratigrafía donde aparecen gran cantidad de intersticios o huecos que en muchas ocasiones están llenos de agua. atravesando capas permeables del terreno hasta llegar a estratos impermeables donde se forma la capa freática. así como de la permeabilidad del terreno. el agua freática o subterránea podrá ascender de su nivel freático debido a la tensión superficial que se genere entre el aire y el agua o por capilaridad. pozos punta o pozos de alivio cuyo nivel dinámico sea sustancialmente inferior al fondo de la excavación. La dinamita es el explosivo más recomendable para excavar terrenos de roca fija.Con explosivos. oquedades y derrumbes en el suelo que traerán como consecuencia hundimientos en cimentaciones y pisos. En ocasiones es necesario hacer la excavación por etapas. La distancia entre los drenes y su profundidad dependerá del descenso que se desee obtener y de la rapidez de desecación de la capa freática. Para el drenado se utilizan tubos perforados de cemento con diámetro variable entre 15 y 20 cm que se colocan casi en el fondo de las zanjas. ocasionando graves problemas en la construcción que. Cuando una excavación se realice sobre una capa impermeable. más adelante. Para lograrlo. 6. será necesario reducir la carga hidráulica del estrato permeable utilizando pozos de alivio. fenómeno que se encuentra directamente relacionado con la permeabilidad o impermeabilidad del suelo. sin embargo. se recomienda para suelos poco permeables en donde requiere extraerse el agua con suficiente rapidez. de tal manera. que es un tubo perforado o pozo que recoge el agua para después ser extraída por bombeo. ELECTROÓSMOSIS Cuando se requiere de una excavación cuya profundidad sobrepasa el nivel freático. aún con el drenaje producido por el bombeo. el agua se extrae paulatinamente. que se hinca en el terreno para proteger una excavación contra la presión ejercida por los terrenos colindantes o por los empujes de agua durante la . 7. junto con las partículas neutras que se encuentran a su alrededor. el proceso consiste en la descomposición de un cuerpo. es necesario devolver el manto freático a su nivel original. pues puede provocar el levantamiento o reventar el fondo de la excavación. Es recomendable que el tubo perforado que recoge el agua lleve perforaciones en la parte inferior para evitar la acumulación de sólidos dentro del tubo que obstruyan la succión y el buen funcionamiento de la bomba. En suelos muy finos (limos y arcillas) se recomienda una mezcla de grava y arena limpia y gruesa. en un suelo cargado de agua y se hace pasar una corriente eléctrica entre ellas.A esto hay que sumarle la sobrecarga inducida en el terreno (más acentuada en suelos compresibles) por la fuerza de filtración que trae consigo los correspondientes asentamientos en la excavación. reduciéndose así las presiones ocasionadas por filtración y el peligro de heladas en el agua del suelo. será indispensable el drenaje o su abatimiento con la finalidad de bajar el nivel natural del agua subterránea a otro nivel más bajo. Con la electroósmosis puede prevenirse el levantamiento del fondo de la excavación. ATAGUIAS Y TABLESTACAS La ataguía es una estructura. por esos su difusión es relativa. Esta carga atrae las partículas positivas dando lugar a la formación de una capa muy delgada de agua cargada principalmente de estas partículas positivas que. Con este fin se inunda la cimentación para que actúe como lastre. es conveniente colocar un filtro de grava alrededor del tubo y en toda su longitud perforada. que son salidas para el agua situada por debajo de la capa impermeable. de tal manera que el agua del suelo fluirá hacia el cátodo (-). 8. También. lo cual evita el levantamiento y el desplome del suelo. Algunos de ellos son: Drenaje por gravedad Drenaje por consolidación Drenaje por inyección de aire Drenaje por secación Drenaje por congelación Drenaje por electroósmosis Drenaje por electroósmosis: El procedimiento es costoso y complicado. conforme se va levantado el edificio. después. Básicamente. Este movimiento provocado por la corriente eléctrica produce un escurrimiento de agua denominado electroósmosis. al polo negativo (-) cátodo. Un suelo puede drenarse de diferentes maneras dependiendo de su formación y características. generalmente provisional. se desplazan hacia la sonda negativa (-) o cátodo. no obstante. deberá tenerse especial cuidado cuando la parte inferior de la perforación de un pozo se encuentre arriba de un estrato impermeable. Después de la excavación y terminada la cimentación. que unos procedimientos resultan más adecuados que otros. Resuelve situaciones de emergencia que ningún otro procedimiento sería capaz de lograr en suelos altamente permeables. Si introducimos dos sondas metálicas. haciendo pasar por su masa una corriente eléctrica capaz de crear presiones de filtración y producir consolidación. Este fenómeno se debe a que la superficie de las partículas de suelo son de naturaleza eléctrica con carga negativa. el agua del suelo se desplazará del polo positivo (+) ánodo. Este problema se evita con los pozos de alivio ya mencionados. (o de concreto armado). . obligando en estos casos al empleo de gran cantidad de madera y también de mano de obra. las sobrecargas ocasionadas por el relleno y las fuerzas sísmicas. Su función más importante es conservar seco el lugar de trabajo sin necesidad de extraer el agua de la zona excavada. una pantalla que evite las filtraciones de agua hacia la excavación y contenga los empujes de tierra en las paredes de una excavación para evitar daños a construcciones vecinas. Se recomienda que su espesor no sea menor de 12 cm ni mayor de 30 cm. se revisarán los estados límite de falla como deslizamiento o volteo. Se llama tablestaca a una tabla estrecha o tablón de madera. como asentamiento y giro o posible deformación. la ataguía tomará en cuentas las acciones de las fuerzas actuantes. el empuje de tierras. para que puedan manejarse con facilidad. Actualmente las tablestacas de madera han sido sustituidas con ventajas por las de concreto armado y más aún. Para su construcción se requiere de dobles paredes de tablestacas. por las metálicas. falla de la cimentación o rotura y de servicio. metálica o precolada que se hinca en el suelo para formar junto con otras.excavación. tales como su propio peso. Como muro de contención. Asimismo. el empuje hidrostático o fuerzas de filtración. mayor que la bentonita (1500 kg/m 3). cierras las grietas e intersticios naturales del subsuelo impidiendo que los paramentos de la excavación se desprendan. Sin duda. el lodo y el agua serán expulsados al exterior conforme el concreto se vacía hasta el muro quede totalmente colado. es un muro de contención de concreto armado donde las tablestacas se convierten sencillamente en una cimbra para realizar el colado del muro. el lodo empujará al agua (1000 kg/m 3). . y contenido de agua freática se recomienda utilizar bentonita ya que este lodo. a su vez. La operación se lleva a cabo gracias a que el concreto con un peso volumétrico (2300 kg/m 3). por su alto grado de impermeabilidad.Más que una ataguía. debido a que ésta es todavía más ligera. En terrenos no cohesivos (compresibles). empuja a ésta hacia arriba al vaciar el concreto en la excavación. La unión entre ellas. son muy resistentes para recibir golpes del martinete durante su hincado y presentan también una gran firmeza. pero frágiles. Cuando se trate de excavaciones poco profundas y se tenga la seguridad de que el terreno es coherente. y mediante cubrejuntas en las obras provisionales o temporales. por eso su recomendación se limita a trabajos de excavación poco profundos y cuando los empujes son relativamente pequeños. por eso se recomienda. lo cual facilita su manejo y su hincado. es de gran hermeticidad por la forma de sus juntas. además. cuando son utilizadas en forma temporal es fácil extraerlas para volverlas a utilizar. no será necesario tomar tal protección. Según normas. Los perfiles utilizados en estos trabajos son muchos y variados y muy fáciles de ensamblar. la cual permite atravesar con ellos suelos de roca blanda sin dañarse considerablemente. En obras definitivas se recomienda que las uniones de las tablestacas se haga por medio de soldadura. para protegerlas. las tablestacas se deberán hincar a una profundidad capaz de interceptar el flujo de agua debido a estratos permeables capaces de dificultar el trabajo de la excavación. Su única debilidad es la corrosión. .Ataguías metálicas Las ataguías metálicas son más ligeras. Las tablestacas precoladas son generalmente ligeras. aplicar tratamientos anticorrosivos o hacerlas con perfiles de acero semi-inoxidable.