UNIVERSIDAD 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. 2 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS SUELOS

2.1 .- GENERALIDADES.

La mecánica de suelos estudia a los materiales naturales desde el punto de vista de su comportamiento, y más probablemente lo que interesa al Ingeniero Civil son las propiedades físicas de los suelos antes que sus propiedades químicas a diferencia de otras disciplinas como la agronomía, donde se estudia y se da mas énfasis a la composición química de los suelos.

De esta manera, al Ingeniería de Suelos estudia el tamaño de los granos, la consistencia, expansión, contracción, densidad, capacidad de soporte, resistencia al corte, deslizamiento, etc. de todos los suelos existentes en la naturaleza.

Dentro del aspecto químico solo interesan las características mineralógicas de las partículas más pequeñas, como ser la arcilla.

Las principales propiedades de los granos del suelo son la forma y el tamaño, y su facilidad de dejar pasar el agua a través de los mismos.

En los suelos arcillosos, la cohesión y capacidad de almacenamiento son las propiedades más importantes.

El estudio de las propiedades de los granos y de los agregados del suelo, además de los requerimientos mínimos para una descripción adecuada de los suelos, deben formar parte de todo informe relacionado con todo proyecto que tenga que ver con el terreno.

Los espacios existentes entre partículas, se denominan espacios porosos. Normalmente estos espacios están llenos de agua o aire (con o sin materiales disolventes).

De esta manera, se dice que el suelo es un “Sistema Multifacético” que consiste de la fase mineral, llamado esqueleto mineral, y de la fase fluida, llamado poro fluido.

2.2 .- FUNCIÓN DE LA FASE POROSA: INTERACCIÓN QUÍMICA

Si introducimos materia química a la superficie de contacto, la naturaleza del poro fluido influenciara la magnitud de la resistencia al corte existente entre partículas.

Por lo que, en el caso de partículas muy finas, el poro fluido puede introducirse completamente entre las partículas, tal como se ve en el grafico, No. 16.

Fig. 16

Los espacios de estas partículas aumentaran o disminuirán a medida que la fuerza compresiva aumente o disminuya, por lo tanto aparece en la masa de suelo una nueva deformación total. Así, tenemos una segunda consecuencia de la naturaleza particulada del suelo, que dice: “El suelo necesariamente es multifacético, donde los constituyentes de la fase porosa influenciaran la naturaleza de la superficie mineral y por lo tanto, afectaran el proceso de transmisión de fuerzas en los contactos entre partículas”. Esta interacción entre faces se denomina “Interacción Química”

Si consideramos un recipiente de suelo granular donde los espacios porosos están llenos de agua, es decir el suelo esta saturado, tal como se ve en la Fig. 17 .

2.3 .- FUNCIÓN DE LA FASE POROSA: INTERACCIÓN FÍSICA

Fig. 17

Inicialmente, asumiremos que la presión del agua es hidrostática; es decir, que la presión del agua en los poros en cualquier punto es igual al peso unitario del agua por la profundidad a la cual se considera el poro. En estas condiciones no existirá flujo de agua (a).

Luego si elevamos el nivel del tanque, existirá una sobrepresión en la base del recipiente que hará que el agua fluya de abajo hacia arriba ocasionando un desborde del mismo (b).

La cantidad de agua que fluya, estará relacionada con el exceso de presión ocasionando esta propiedad denominada “Permeabilidad”. Mientras más permeable el suelo, más agua fluirá por sus poros.

Si se incrementa aun más la presión en el fondo del recipiente, se alcanzara una presión tal que la arena comienza a hervir (c). En estas condiciones se dice que se ha creado una condición de suelo movedizo. Obviamente, existe una interacción física entre el esqueleto mineral y el poro fluido.

Por otra parte, el suelo va a ocupar un volumen mayor y por lo tanto, la resistencia al corte en el suelo ha disminuido.

Estos cambios ocurren o se deben a la presión existente en el fondo del recipiente llamado “Presión Total”, que una vez que haya vencido a la presión en los poros o “Presión Porosa” hará que el suelo comience a hervir.

La diferencia de la presión total y la presión porosa, se conoce con el nombre de “Presión Efectiva”.

Por lo que podemos decir que la tercera consecuencia de la naturaleza particulada del suelo es: “El agua que puede fluir a través del suelo, alterando la magnitud de la fuerza en los puntos de contacto entre partículas o influenciando la compresión y la resistencia al corte del suelo”.

Debido a que el suelo es un sistema multifacético, la carga aplicada a una masa de suelo en un recipiente, es soportada en parte por el esqueleto mineral y en parte por el poro fluido, por lo que se dice que ambos elementos se reparten las cargas exteriores.

La Fig. 18, muestra el proceso de reparto de cargas. Primero tenemos un recipiente (a) con suelo granular sobre la que colocamos un pisto poroso con el nivel de agua en su parte superior. El pistón permite que se aplique la carga y al mismo tiempo que el agua pueda fluir a través del mismo.

En (b), se pude apreciar la analogía hidromecánica, en la que las propiedades del suelo se han cambiado: La resistencia a la compresión del suelo esta representada por un resorte; la resistencia al flujo del agua a través del suelo esta representada por una válvula en un pistón impermeable, además el recipiente esta lleno de agua.

2.4 .- CONTRIBUCIÓN AL REPARTO DE CARGAS

Fig. 18

Ahora, suponiendo que se aplica una carga al pistón de la analogía hidromecánica y además mantenemos la válvula cerrada. La carga en el pistón es resistida por el agua y el resorte en relación a la densidad de cada uno, pero se sabe que el agua es relativamente incompresible, por lo que la carga será prácticamente soportada por el liquido elemento tal como se ve en (c) e inmediatamente existirá en el agua una presión igual a la carga aplicada.

Luego, sí abrimos la válvula, la presión existente en el agua, hará que el líquido salga por la misma (d).

A medida que escapa el agua, el resorte comienza a disminuir de altura y al mismo tiempo a soportar parte de la carga en el pistón.

En esta situación, la presión del agua comienza a disminuir y disminuye hasta tal punto, en que el resorte soporta toda la carga. Eventualmente, el agua alcanza su condición inicial hidrostática y no existirá mas flujo de agua (e).

Solamente que, debido a que el proceso de transferencia de carga del agua al resorte se realiza gradualmente, una pequeña cantidad de agua fluirá por la válvula durante un intervalo de tiempo: Este cambio gradual, se ilustra en la (f) de la Fig. .

Todo el proceso explicado en líneas arriba, ocurre en ejemplos físicos y en problemas de suelos, aunque inicialmente, el poro fluido no siempre soporta la carga.Este proceso gradual de escape de agua, se denomina “Consolidación” y el tiempo que se necesita, se llama “Tiempo de Retardación Hidrodinámico.”

Por lo tanto, podemos decir que la cuarta consecuencia de la naturaleza particulada del suelo es: “Cuando la carga aplicada al suelo cambia súbitamente, este cambio es soportado por el poro fluido y el esqueleto mineral.” Debido a que las propiedades del suelo cambian con el tiempo, el cambio en la presión de los poros hará que el agua se mueva a través del suelo.

Esta última consecuencia fue descubierta por Karl Terzaghi en 1920. este descubrimiento dio comienzo a la moderna Ingeniería de los Suelos, siendo una de los primeros aportes de Terzaghi, quien es considerado el padre de la Mecánica de Suelos.

El efecto más importante del “Tiempo de Retardación Hidromecánico” es procurar un retraso en los asentamientos de estructuras; es decir, que el asentamiento continúe por muchos años después que la construcción ha sido completada.