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CURSO: 5 4

CICLO LECTIVO: 2015

SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

PROFESOR HERNN R. JOFR

TEMA: EL SUELO 1 PARTE

1

1. COMPOSICIN Y ESTRUCTURA DEL GLOBO TERRQUEO

Los gelogos han diseado una divisin de la estructura terrestre:

CORTEZA La corteza o capa terrestre es la capa de roca externa de la Tierra. Es comparativamente fina, con un espesor que vara de 5 km, en el fondo ocenico, hasta 70 km en las zonas montaosas de los continentes. Podemos distinguir entre dos tipos de corteza:

CORTEZA CONTINENTAL: comprende a las tierras emergidas adems de las plataformas

continentales. Es de naturaleza menos homognea, ya que est formada por rocas con

diversos orgenes (gneas, metamrficas y sedimentarias). Los minerales ms abundantes de

esta capa son los cuarzos, los feldespatos y las micas, y los elementos qumicos ms

abundantes son el oxgeno, el silicio, el aluminio, el hierro, el calcio, el sodio, el potasio y el

magnesio. Su densidad promedio es de 2,8 g/cm3.

CORTEZA OCENICA: forma la mayor parte de los fondos marinos. La corteza ocenica cubre

aproximadamente el 78 % de la superficie planetaria. Alcanza unos 8 a 10 km de espesor.

Composicin qumica (tipo de roca); est compuesta de materiales ms densos, como los

silicatos de magnesio (destaca el basalto). Su densidad es de 3,2 g/cm3.

MANTO

Representa el 70 % de la masa del planeta. El aumento de la presin y temperatura hace que los

minerales cambien hacia formas de estructura ms compacta.En cuanto a la composicin qumica de

las rocas del manto, parece ser ms homognea que la de la corteza, pudindose afirmar que se

compone de peridotitas (silicatos de Fe y Mg como olivino y piroxeno).

Su densidad media es de 4,8 g/cm3, distinguiremos dos zonas:

MANTO SUPERIOR: desde los 70 hasta los 700 km de profundidad; entre 400 y 700 km se

encuentra una zona de transicin. Los materiales son menos rgidos que los que los situados

por encima (corteza) y debajo (manto inferior), dando una consistencia fluida y viscosa.

MANTO INFERIOR: Los materiales son ms rgidos, slidos, elsticos.

NCLEO TERRESTRE Representa el 16 % del volumen del globo. Su densidad es de 10,6 g/cm3. A partir de los 2900 km se

inicia el ncleo. Asimismo los materiales ms abundantes son el Fe y Ni lo que explicara su estado

lquido en el ncleo externo (2900 a 5000 km) a una temperatura de 5000 C. La presin en su

interior es millones de veces la presin en la superficie y la temperatura puede superar los 6700 C.

NCLEO EXTERNO: hasta 5000 km. Formado sobre todo por hierro fundido.

NCLEO INTERNO: hasta 6.370 km, que es el radio terrestre.

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2. ROCAS

En geologa se le denomina roca a la asociacin de uno o varios minerales, natural, inorgnica,

heterognea, de composicin qumica variable, sin forma geomtrica determinada, como resultado de

un proceso geolgico definido.

Las rocas estn sometidas a continuos cambios por las acciones de los agentes geolgicos, segn un

ciclo cerrado, llamado ciclo litolgico o ciclo de las rocas, en el cual intervienen incluso los seres vivos.

Las rocas estn constituidas, en general, por mezclas heterogneas de diversos materiales homogneos

y cristalinos, es decir, minerales. Las rocas poliminerlicas estn formadas por granos o cristales de

varias especies mineralgicas y las rocas monominerlicas estn constituidas por granos o cristales de

un mismo mineral. Las rocas suelen ser materiales duros, pero tambin pueden ser blandas, como

ocurre en el caso de las rocas arcillosas o arenosas.

2.1. Minerales que constituyen las rocas

Los minerales son sustancias inorgnicas naturales de composicin qumica y estructura definida que

conforman las rocas. Hay varias maneras de clasificarlos, una de ellas se basa en la composicin qumica,

y los divide en Silicatos, xidos, Carbonatos, y Sulfatos.

2.2. Clasificacin de las rocas por su origen

Rocas

Sedimentarias

Se forman cuando los productos de desintegracin y

descomposicin de cualquier tipo de roca son transportados,

se vuelven a depositar y se consolidan o cimentan total o

parcialmente

Detrticas

Cuarcita, arenisca,

lutita, limonita,

conglomerado.

Qumicas Evaporizas, caliza

dolomtica.

Orgnicas Caliza, carbn,

rocas coralferas.

Rocas gneas Formadas en la superficie de la tierra o a diversas

profundidades

Plutnicas Granito, grabo,

diorita.

Volcnicas Basalto, andesita,

riolita.

Rocas

Metamrficas

Se forman como consecuencia de las re-cristalizaciones completas o

incompletas de las rocas gneas o sedimentarias debidas a la

influencia de agentes tales como temperatura elevada, presin y

esfuerzos cortantes.

Masivas Cuarcita, mrmol.

Foliadas o

con

esquistosida

d

Pizarra, filita,

esquisto, gneis.

3. ORIGEN Y FORMACION DE LOS SUELOS

Los suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexistentes que constituyen la roca madre, sometida a la accin ambiental disgregadora de la erosin en sus tres facetas:

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FSICA: debida a cambios trmicos (lo que origina dilataciones diferenciales entre los diferentes minerales y da lugar a acciones y fisuras internas) y a la accin del agua (arrastres de fragmentos ya erosionados; posible accin directa por congelacin, que produce tensiones internas por el aumento de volumen del hielo respecto al agua; accin alternante de humedad-sequedad a lo largo del tiempo, etc.). Estas acciones fsicas tienden a romper la roca inicial y a dividirla en fragmentos de tamao cada vez ms pequeo, que pueden ser separados de la roca por agentes activos (agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en los que contina la accin erosiva. Es decir, tienden a crear las partculas que van a formar el suelo.

QUMICA: originada por fenmenos de hidratacin (por ejemplo, paso de anhidrita o sulfato hemihidratado a yeso o sulfato dihidratado), disolucin (de sales, como los sulfatos en el agua), oxidacin (de minerales de hierro por efecto ambiental), cementacin (por agua conteniendo carbonatos previamente disueltos a partir de otra roca), etc. Esta accin, por lo tanto, tiende tanto a disgregar como a cementar, lo que quiere decir que puede ayudar a la accin fsica y, posteriormente, cementar los productos formados, dando unin qumica a las partculas pequeas, tamao suelo, que se forman, aunque la mayor parte de las veces contribuye ms a destruir y transformar que a unir.

BIOLGICA: producida por actividad bacteriana, induciendo putrefacciones de materiales orgnicos y mezclando el producto con otras partculas de origen fsico-qumico, actuando de elemento catalizador, etc.

Cuando el suelo permanece in situ sin ser transportado, se le conoce como suelo residual, y cuando ha sufrido transporte, formando depsitos coluviales, aluviales, etc., se denomina suelo transportado.

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3.1. FORMACION DE DEPSITOS SEDIMENTARIOS.

INTEMPERISMO Es la descomposicin superficial de las rocas, el desgaste fsico y la alteracin qumica de las rocas o minerales, que se encuentran cerca o sobre la superficie de la Tierra. Todas las rocas que por algunos procesos geolgicos quedan expuestos en la superficie de la Tierra, interactan con la atmsfera, la hidrsfera y la bisfera.

EROSIN FLUVIAL Se le denomina al desplazamiento debido al agua, provocando el humedecimiento de la tierra y que esta se deslave, ya sea por pendiente a cuesta o pendiente en vertical. En los ros, lagos y mares la erosin es ms visible, las corrientes se llevan rocas y arena provocando que el cauce del ro se vaya hundiendo y formando paredes verticales, provocando la formacin de un can o barranco. En los mares las olas provocan que la arena se vaya reduciendo y llevndosela en las corrientes marinas, en el caso de los acantilados, stos se van hundiendo poco a poco formando un fondo hueco. En los lagos sucede algo igual pero en menor medida.

EROSIN ELICA El viento es un eficiente agente de erosin y su accin, particularmente en zonas de climas ridos, semiridos y desrticos, es responsable del transporte y deposicin de grandes volmenes de sedimentos con desarrollo de un paisaje elico tpico.

EROSIN GLACIAL Se da en las montaas principalmente. Su erosin depende de en donde se encuentre, si se encuentra en un valle cuando el glaciar pase dejar un suelo liso y un valle con forma de U perfecta. Esta erosin es intensa en la superficie de friccin en la que la presin es muy grande. Los materiales resultantes son muy finos.

ALUVIN Son materiales transportados y depositados por el agua. Su tamao vara desde la arcilla hasta las gravas gruesas, cantos y bloques. Se distribuyen en forma estratiforme, con cierta clasificacin, variando mucho su densidad. Son suelos muy anisotrpicos. Su continuidad es irregular, pudiendo contener altos contenidos de materia orgnica en determinados medios. Los aluviones constituyen una fuente de recursos de materiales para la construccin, sobre todo como agregados.

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3.2. LOS SUELOS EN INGENIERIA GEOLGICA

La accin antrpica, en un entorno geogrfico concreto, altera las condiciones del medio natural al realizarse excavaciones, explanaciones, aplicacin de cargas al terreno, etc. La respuesta del terreno frente a esa alteracin depende de su constitucin y caractersticas, de los condicionantes geolgicos del entorno, de las propiedades que estn relacionadas con las actuaciones humanas y de la acomodacin de la obra realizada al entorno natural.

4. SUELO

El suelo se define como un agregado de minerales unidos por fuerzas dbiles de contacto, separables por medios mecnicos de poca energa o por agitacin en agua.

4.1. FASES DEL SUELO

Los suelos y las rocas no son nunca slidos simples; son, cuando menos, sistemas de dos fases: partculas slidas y un lquido, o bien partculas slidas y un gas. En la mayora de los casos se trata de sistemas de tres fases: partculas slidas, un lquido y un gas. El lquido es normalmente agua, y el gas es aire con vapor de agua. Para desarrollar las relaciones Peso-Volumen de un suelo, las tres fases pueden separarse como se muestra en la siguiente figura:

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4.2. RELACIONES DE VOLUMEN

La relacin de vacos (e): es la relacin del volumen de vacos entre el volumen de slidos de suelo en

una masa de suelo, es decir:

S

V

V

Ve

Donde: VV volumen de vacos

SV Volumen de slidos del suelo

La porosidad (n): es la relacin del volumen de vacos entre el volumen de la muestra del suelo. Su

valor mnimo es cero y el mximo, terico, es 1.

V

Vn V

Donde: VV volumen de vacos

V Volumen total del suelo

Podemos obtener la siguiente relacin entre las magnitudes anteriores:

e

e

V

V

V

V

V

V

VV

V

V

Vn

S

V

S

S

S

V

VS

VV

1

4.3. RELACIONES DE PESO

La humedad: es el contenido de agua en la muestra del suelo. Se expresa como el cociente entre el peso del agua y el peso de los slidos del suelo, presentes en un volumen determinado. Su mnimo valor

es cero (suelo seco), y el mximo es la saturacin, estado en el cual el espacio de vacos est ocupado

completamente de agua.

S

W

W

W

Donde: WW peso del agua

SW Peso de los slidos del suelo

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El peso especfico (o peso unitario): es la relacin entre el peso del suelo en un volumen aparente y

unitario, recordando que este ltimo es el volumen del suelo que incluye los espacios vacos. Puede

determinarse ms de un peso especfico, dependiendo de las condiciones en las que se encuentre el

suelo.

o Peso especfico hmedo: es la relacin entre el peso total del suelo y el volumen total del mismo.

V

W

Donde: W peso total del suelo WS WW


o Peso especfico seco: es la relacin entre el peso de las partculas slidas y el volumen total del suelo.

V

WSd

Donde: SW peso de los slidos del suelo


Cuando una masa de suelo est completamente saturada (es decir, todo el volumen de vacos est lleno

de agua), el peso especfico hmedo de un suelo resulta igual al peso especfico saturado ( sat ).

Entonces, sat si WV VV .

4.4. ALGUNAS RELACIONES TILES ENTRE LAS DISTINTAS MAGNITUDES

e

G

VV

WW

V

W WS

VS

WS

1

)1(

e

G

VV

W

V

W WS

VS

SS

d

1

1d

Si una muestra est completamente saturada, entonces: eVV , por lo que resulta:

eGGW

V SW

WS

W

W

V

El peso especfico saturado ser:

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e

eG

VV

WW WWS

VS

WSsat

1

)1()1( nG WS

)1( nG WSd

WSsat nnG )1(

5. CLASIFICACION DEL SUELO EN FUNCION DEL TAMAO DE SUS PARTICULAS

GRAVAS: con tamao de grano entre unos 8-10 cm y 2 mm; se caracterizan porque los granos son observables directamente. No retienen el agua, por la inactividad de su superficie y los grandes huecos existentes entre partculas.

ARENAS: con partculas comprendidas entre 2 y 0,060 mm, todava son observables a simple vista. Cuando se mezclan con el agua no se forman agregados continuos, sino que se separan de ella con facilidad.

LIMOS: con partculas comprendidas entre 0,060 y 0,002 mm (algunas normativas indican que este ltimo valor debe de ser 0,005 mm, pero no hay apenas consecuencias prcticas entre ambas distinciones). Retienen el agua mejor que los tamaos superiores. Si se forma una pasta agua-limo y se coloca sobre la mano, al golpear con la mano se ve cmo el agua se exhuda con facilidad.

ARCILLAS: formadas por partculas con tamaos inferiores a los limos (0,002 mm). Se trata ya de partculas tamao gel y se necesita que haya habido transformaciones qumicas para llegar a estos tamaos. Estn formadas, principalmente, por minerales silicatados, constituidos por cadenas de elementos tetradricos y octadricos (el in silicio se encuentra en el centro de cada una de estas estructuras regulares), unidas por enlaces covalentes dbiles, pudiendo entrar las molculas de agua entre las cadenas produciendo, a veces, aumentos de volumen (recuperables cuando el agua se evapora). Todo ello hace que la capacidad de retencin del agua sea muy grande (pequeos huecos con una gran superficie de absorcin en las partculas y una estructura que permite retener el agua), por lo que son generalmente los materiales ms problemticos (tiempos muy elevados de consolidacin o de expulsin de agua bajo esfuerzos).

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6. GRANULOMETRA

Su finalidad es obtener la distribucin por tamao de las partculas presentes en una muestra de suelo. As es posible su clasificacin mediante sistemas como AASHTO o SUCS. El ensayo es importante, ya que gran parte de los criterios de aceptacin de suelos para ser utilizados en fundaciones de edificios, en bases o subrasantes de autopistas, presas de tierra o diques, drenajes entre otros, depende de este anlisis. Para obtener la distribucin de tamaos, se emplean tamices normalizados y numerados, dispuestos en orden decreciente. Para suelos con tamao de partculas mayor a 74 micrones se utiliza el mtodo de anlisis mecnico mediante tamices de abertura y numeracin indicado en la tabla inferior. Para suelos de tamao inferior, se utiliza el mtodo del hidrmetro, basado en la ley de Stokes.

6.1. TAMIZADO

Es la separacin de las partculas haciendo pasar el suelo por un juego de tamices con aberturas cada vez ms pequeas y luego se mide la masa retenida en cada uno de los tamices. La limitacin de este mtodo es que no se puede realizar el anlisis granulomtrico de la fraccin fina del suelo, o sea la fraccin que pasa el tamiz N 200. El tamizado se puede hacer por va seca o hmeda.

Tamizado va seca En ste anlisis, una muestra representativa de suelo se hace pasar por medio de una serie de tamices graduados, cuya abertura va en forma decreciente, y luego medimos la masa que pasa en cada tamiz. Con los datos obtenidos de la operacin anterior calculamos el porcentaje de muestra que pasa en cada tamiz y posteriormente lo representamos en funcin de la abertura del tamiz en una curva granulomtrica.

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Peso de la Muestra N1: 39282 gramos

Tabla de Mediciones

Fraccin Suelo

Corte Retenido Peso % Referido

(gramos) Acumulado Pasa al Corte

6" 152 mm 1640,0 1640,0 37642,0 95,8

3" 76 mm 5780,0 7420,0 31862,0 81,1 100,0

1 1/2" 38 mm 1830,0 9250,0 30032,0 76,5 94,3

3/4" 19 mm 5019,0 14269,0 25013,0 63,7 78,5

1000 3/8" 9,6 mm 5183,0 19452,0 19830,0 50,5 62,2

N 4 4,76 mm 178,0 178,0 822,0 41,5 82,2 51,2

N 10 2 mm 189,0 367,0 633,0 32,0 63,3 39,4

N 40 0,417 mm 300,0 667,0 333,0 16,8 33,3 20,7

N 60 0,25 mm 154,0 821,0 179,0 9,0 17,9 11,1

N 100 0,149 mm 98,0 919,0 81,0 4,1 8,1 5,0

N 200 0,074 mm 30,0 949,0 51,0 2,6 5,1 3,2

% Pasa

Material Suelto

Limite Plastico (LP)

Indice de Plasticidad (IP)

Tamices Retenido % Pasa

Limite Liquido (LL)

Curva Granulomtrica

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0,00000,00010,00100,01000,10001,0000

Tamao de las Particulas en mm

% q

ue P

asa

Tamizado va hmeda Las partculas de limo y arcilla (que pasan el tamiz IRAM 200) se tamizan por va hmeda, proceso que consiste en hacer pasar agua a travs del tamiz que contiene la muestra hasta ver que el agua se retira clara. Antes de este procedimiento es posible agregar, horas antes, algn agente qumico dispersante que evite la formacin de grumos.

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6.2. HIDROMETRA

En cualquier masa de suelo, los tamaos de los granos varan en forma considerable. Para clasificar de manera apropiada un suelo se debe conocer su distribucin granulomtrica. La distribucin granulomtrica de suelos de grano grueso generalmente se determina mediante un anlisis granulomtrico por mallas, mientras que para suelos de grano fino, la granulometra puede obtenerse por medio de un anlisis con hidrmetro. Este ltimo se basa en el principio de la sedimentacin de las partculas de un suelo en agua.

7. PLASTICIDAD

Los lmites de Atterberg o lmites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo del contenido de agua. As un suelo se puede encontrar en un estado slido, semislido, plstico, semilquido y lquido. La arcilla, por ejemplo al agregarle agua, pasa gradualmente del estado slido al estado plstico y finalmente al estado lquido. El contenido de agua con que se produce el cambio de estado vara de un suelo a otro y en mecnica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plstico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad), es decir, la propiedad que presenta los suelos hasta cierto lmite sin romperse.

El mtodo usado para medir estos lmites de humedad fue ideado por Atterberg a principios de siglo a travs de dos ensayos que definen los lmites del estado plstico. El Lmite Plstico determina amasando suelo seco con poca agua y formando elipsoides, arrollndolos con la palma de la mano sobre una superficie lisa, hasta llegar a un dimetro d unos 3 mm y una longitud de 25-30 mm. Si, en ese momento, los elipsoides se cuartean en fracciones de unos 6 mm, su humedad es la del lmite plstico (que se determina secando en estufa varios elipsoides en anlogas condiciones). Si no se cuartean se vuelven a forma elipsoides para que pierdan humedad y lleguen a cuartearse.

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El Lmite Lquido se determina amasando bien el suelo seco (previamente disgregado con maza) con bastante agua y extendiendo la masa sobre un molde denominado Cuchara de Casagrande. Se abre, en el centro de la masa extendida, un surco con un acanalador, formando un canal de unos 2 mm de ancho en su parte baja. El molde se coloca sobre una base y se somete a golpes controlados. El lmite lquido es la humedad de la muestra cuando al dar 25 golpes se cierra el canal unos 12 mm. Como es difcil conseguir esta condicin, se determina la humedad por interpolacin, a partir de dos muestras, en las que debe conseguirse el cierre de 12 mm con ms y menos golpes que 25.

El ndice de Plasticidad se determina mediante la siguiente expresin:

Los lmites de Atterberg son propiedades ndices de los suelos, con que se definen la plasticidad se utilizan en la identificacin y clasificacin de un suelo.

8. SISTEMAS DE CLASIFICACIN DE SUELOS

SUCS (Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos)

Este sistema fue propuesto por el Prof. Arthur Casagrande, de la Universidad de Harvard en 1942. Esta clasificacin solo hace referencia a las partculas de los suelos, sin tener en cuenta la estructura, compacidad, cementacin, etc.

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Los suelos se designan en esta clasificacin por dos letras maysculas, que reciben el nombre de prefijo y sufijo. Los prefijos indican el grupo principal a que pertenece el suelo, y los sufijos, las subdivisiones de este grupo. Entre los criterios que se utilizan para realizar esta clasificacin se encuentran: curvas granulomtricas del suelo, lmites de consistencia (lquido, plstico, etc.). La primera divisin que se hace es en suelos de grano fino y suelos de grano grueso, segn que por el tamiz N 200 pase ms o menos del 50 % de las partculas. A su vez los suelos de grano grueso se clasifican en grava (G, de gravel en ingls) y arena (S, de sand en ingls), segn que la mayor parte de la fraccin gruesa (la que queda retenida en el Tamiz N 200) quede retenida o pase por el tamiz N 4. Tambin es necesario determinar dos coeficientes: de Uniformidad (Cu) y de Curvatura (Cc). Los suelos de grano fino se clasifican segn la posicin que ocupan en el Grafico de Plasticidad o Carta de Plasticidad de Casagrande. Con respecto a los suelos orgnicos se puede mencionar que se distinguen de los limos inorgnicos por el color oscuro (gris, castao o negro) y por el olor a metano que muchas veces se desprende de los suelos orgnicos. Estos suelos suelen ser muy compresibles. Este sistema de clasificacin se emplea en casi la mayor parte de los trabajos de geotecnia.

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Ejemplo: la clasificacin de la Muestra N 1 sera la siguiente:

Tamices % Pasa

N 4 1,76 mm 51.2

N 200 0,074 mm 3.2

Coeficiente de Uniformidad: 37,300,0002

0,0086

10

60 D

DCu

Coeficiente de Curvatura:

7,56

0,0086.0,0002

0,0039

.

)(2

1060

2

30 DD

DCC

SMBOLO DEL GRUPO: GP

NOMBRE DEL GRUPO: GRAVA MAL GRADUADA CON ARENA

TRABAJO PRCTICO DE INVESTIGACIN

1. Conformar una Galera de Imgenes o Fotos de los siguientes temas: rocas (gneas,

sedimentarias, metamrficas), tipos de erosin (fluvial, elica, glacial, aluvin), suelos (gravas,

arenas, limos y arcillas).

2. Realice una descripcin del Mtodo del Cono de Arena que permite determinar la densidad

de un suelo in-situ. Describa el procedimiento de ensayo (pasos a seguir), instrumental a utilizar,

objetivo final del ensayo. Se debern agregar imgenes, fotos, grficos o tablas.

Fecha de Presentacin: .//..

Grupo N ..

Alumno: