Especialidad de Geología en Mecánica de Suelos

Especialidad de Geología en Mecánica de Suelos

Mecánica de suelos

En ingeniería, la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los inconvenientes que implican las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia ha sido implantada por Karl von Terzaghi, desde 1925, quien aclaró la conducta mecánica de medios porosos saturados (suelos, hormigón y rocas) y desarrolló la teoría de la consolidación.​ 

Cada una de las obras de ingeniería civil se secundan sobre el suelo de una u otra forma, y varias de ellas, además, usan la tierra y piedras como recursos de creación para terraplenes, diques y rellenos generalmente; por lo cual, por lo cual, su seguridad y comportamiento servible y estético estarán determinados, entre otros componentes, por el funcionamiento del material de asiento ubicado en las profundidades de predominación de los esfuerzos que se crean, o por el del suelo usado para formar los rellenos.

Si se superan los parámetros de la capacidad resistente del suelo o si, aun sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, tienen la posibilidad de generar esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, tal vez no tomados en importancia en el diseño, productores paralelamente de deformaciones relevantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomes que tienen la posibilidad de crear, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y desamparo.

De modo que, las condiciones del suelo como factor de sustentación y creación y las del cimiento como dispositivo de transición entre ese y la infraestructura, han de ser constantemente observadas, aun cuando esto se realice en proyectos pequeños fundados sobre suelos tradicionales a la vista de datos estadísticos y vivencias locales, y en proyectos de mediana a gran trascendencia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una idónea averiguación de mecánica de suelos.

Génesis y composición de suelos

Génesis

El mecanismo primario de construcción de suelos es la erosión de piedras. Todos los tipos de piedras (ígneas, metamórficas y sedimentarias) tienen la posibilidad de ser reducidas a partículas menores para producir suelo. Los mecanismos de erosión dependen del mánager, logrando ser físico, químico y biológico. Las ocupaciones humanas como las excavaciones, explosiones y deposición de residuos y material tienen la posibilidad de generar además suelos. En todo el tiempo geológico los suelos tienen la posibilidad de ser alterados por presión y temperatura hasta transformarse en piedras metamórficas o sedimentarias, o volver a ser fundidos y solidificados, volviendo a ser ígneos y cerrando el periodo de las piedras.

La erosión física incluye los efectos de la temperatura, heladas, lluvia, viento, efecto y otros mecanismos. La erosión química incluye la separación del compuesto de la piedra y la precipitación a modo de otro mineral. La arcilla, ejemplificando, puede formarse por medio de la erosión del feldespato, que pertenece a los minerales más frecuentes de las piedras ígneas. El mineral más común de la arena es el cuarzo, que es además un elemento fundamental de las piedras ígneas y se le llama Óxido de silicio (IV). En resumen, todos los suelos de todo el mundo son partículas más pequeñas provenientes de las piedras. Las partículas mayores son llamadas gravas. Si las gravas se parten en piezas más pequeñas tienen la posibilidad de transformarse en arena, de esta al limo y de este a la arcilla, que es la separación más pequeña. 

Conforme el Sistema Unido de Categorización de Suelos, las partículas limosas poseen un rango de tamaños entre los 0,002 mm a los 0,075 mm y las partículas de arena poseen un tamaño entre 0,075 mm a 4,75 mm. Las partículas de gravas se piensan entre un rango que va de los 4,75 mm a los 76,2 mm y por arriba de esto se llaman piedras.

Transporte

Los depósitos de suelo permanecen dañados por el mecanismo del transporte y la deposición hasta su ubicación. Los suelos que no fueron transportados, sino que provienen de la piedra mamá que subyace por abajo de dichos se llaman suelos residuales. El granito descompuesto es una ejemplificación común de suelo residual. Los mecanismos más frecuentes del transporte son la acción de la gravedad, hielo, viento y agua. Los procesos eólicos integran las dunas de arena y los loess. El agua traslada las partículas en funcionalidad de su tamaño y la rapidez de las aguas, de allí el reparto granulométrico que aparecen en varios ríos en funcionalidad del punto donde se tome la muestra. Principalmente, la arcilla y el limo se acumulan en las regiones más lentas del flujo de agua, o en lagos y pantanos, en lo que las arenas y gravas se acumulan en el lecho de los ríos. La erosión de los glaciares es capaz de mover enormes bloques de roca y partirlos en su camino hacia la desembocadura. La gravedad además es capaz de trasladar gigantes porciones de materiales a partir de la cumbre de las montañas a los valles. A dichos depósitos formados en las faldas de las montañas se le denominan coluvión (material depositado por causa de corrientes fluviales de pequeña magnitud).

Composición del suelo

Mineralogía del suelo

Arcillas, limos, arenas y gravas permanecen clasificados por su tamaño, sin embargo, aquello tienen la posibilidad de consistir en una extensa variedad de minerales. Gracias a la igualdad del cuarzo en relación con otras piedras minerales, es el material constituyente más común de la arena y el limo. Mica y feldespato son otros minerales usuales presentes en arenas y limos. Los minerales constituyentes de gravas acostumbran ser bastante semejantes a los de la piedra mamá.

Los minerales más frecuentes en las arcillas son la montmorillonita, la esmectita, la ilita y la kaolinita, poseen una área específica subjetivamente enorme. El área específica es determinada por la ratio de área superficial de partículas entre la masa de las partículas. Los minerales de la arcilla poseen un rango de área específica de 10 a 1000 metros cuadrados por gramo. Esto provoca que las arcillas tengan unas características químicas y electrostáticas enteramente diversas a la de otros materiales. 

Los minerales de los suelos permanecen predominantemente formados por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en maneras cristalinas. Dichos recursos junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono conforman más del 99 por ciento de la masa sólida de La Tierra.

Tensión efectiva y capilaridad: condiciones hidrostáticas

Para comprender la mecánica de suelos se necesita comprender cómo trabajan las tensiones típicas y efectivas entre las diversas etapas. Ni la etapa líquida ni la gaseosa aportan resistencia significativa a tensión cortante. La resistencia de cortante del suelo procede de la fricción y el bloqueo interno de las partículas. La fricción es dependiente de las tensiones de contacto en medio de las partículas sólidas. Sin embargo, las tensiones típicas se distribuyen por todo el fluido y las partículas. Aun cuando los poros de aire son subjetivamente compresibles, sin embargo, los poros llenos de agua no por lo cual en caso de esfuerzo habitual las partículas se reordenarán distribuyendo toda la tensión por los fluidos, juntando todavía más las partículas.

El inicio de tensión positiva, introducida por Karl Terzaghi, establece que la tensión positiva σ, o sea, la tensión media intergranular entre partículas sólidas podría ser calculada por una fácil resta de la presión de los poros de la presión total:

Donde σ es la tensión total y u es la presión del poro.

No es a gusto medir σ de manera directa, de esta forma que en la práctica la tensión vertical positiva se calcula desde la presión de los poros y la tensión total vertical. La excepción entre los términos de presión y tensión es además fundamental. Por definición, la presión en un punto es igual en cada una de las direcciones, empero la tensión de un punto podría ser distinta en diferentes direcciones. En mecánica de suelos, las tensiones y presiones de compresión se piensan positivas y las presiones de tensión se piensan negativas, al contrario de la convención usada en mecánica de rígidos.

Clasificación del suelo

Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas del suelo en funcionalidad de diversos experimentos (secado, paso por tamices y moldeado). Dichos experimentos aportan la información elemental sobre las propiedades de los granos del suelo que los conforman. Se debe mencionar que la categorización de los tipos de granos presentes en el suelo no aporta información acerca de la "composición" o "fábrica" del suelo, condiciones que describen la compacidad de las partículas y el jefe en la disposición de las partículas en una región de carga tanto como la magnitud del poro o el reparto de fluido en los poros. Los ingenieros geológicos además clasifican el suelo en funcionalidad de su génesis o su historial de estratificación. La categorización más común es la S.U.C.S.

Clasificación de los granos del suelo

En USA y otros territorios se utiliza el Sistema Unido de Categorización de Suelos (Unified Soil Classification System o USCS). En Reino Unificado se emplea la Regla British Standard BS5390 y además es bastante popular la categorización del suelo de la AASHTO. En España se utiliza la categorización del PG-3 para obras de carreteras.​

En el USCS, gravas (que poseen el signo G) y arenas (con el signo S) permanecen clasificadas de consenso al tamaño del grano y su repartición. Para el USCS, las gravas tienen la posibilidad de ser clasificadas por GW (grava bien gradada), GP (grava pobremente gradada), GM (grava con una enorme proporción de limo), o GC (grava con una fundamental proporción de arcilla). Por igual, las arenas tienen la posibilidad de ser clasificadas como SW, SP, SM o SC. Arenas y gravas con una pequeña, sin embargo, fundamental proporción de finos (entre el 5% y 12%) tienen la posibilidad de tener una categorización doble, tales como SW-SC.

Arcillas y limos, algunas veces denominados "suelos de finos", son clasificados en funcionalidad de sus parámetros de Atterberg; los más utilizados son el Límite Líquido (denotado por LL), Límite Plástico (denotado por PL), y el límite de retracción (denotado por SL). El límite de retracción corresponde al contenido de agua por abajo del cual el suelo no se retrae si se seca. 

El límite líquido y el límite plástico permanecen arbitrariamente determinados por la tradición y convenciones. El límite líquido se establece midiendo el contenido en agua de una cuchara cerrada luego de 25 golpes en un examen estandarizado.​ Además, se puede decidir por medio de un examen de caída en un cono. El límite plástico es el contenido de agua por abajo del cual no es viable moldear cilindros con la mano menores de 3 milímetros. El suelo tiende a quebrarse o deshacerse si baja dicha humedad.

El índice de plasticidad es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico del extracto de suelo. Es un indicador de cuánta agua puede absorber el suelo.

Según el Sistema Unido de Categorización de Suelos, los limos y arcillas permanecen clasificados en funcionalidad de los valores de su índice de plasticidad y límite líquido en una gráfica de plasticidad. La línea A de la gráfica separa las arcillas (C) de los limos (M). El límite líquido de 50% separa los suelos de alta plasticidad (se incorpora la letra H) de los de baja plasticidad (se incorpora la letra L). Otras probables clasificaciones de limos y arcillas permanecen dadas por ML, CL y MH. Si las fronteras de Atterberg caen en un punto de la gráfica cercano al origen tienen la posibilidad de recibir una categorización dual CL-ML.

Roca y suelo

Los términos roca y suelo, en las acepciones en que son utilizados por el ingeniero civil y a diferencia del concepto geológico que supone roca a todos los elementos constitutivos de la corteza terrestre, implican una clara diferencia entre dos tipos de materiales.

La roca es considerada como un agregado natural de partículas minerales unidas mediante grandes fuerzas cohesivas. Y se llama roca a todo material que suponga una alta resistencia, y suelo, contrariamente, a todo elemento natural compuesto de corpúsculos minerales separables por medios mecánicos de poca intensidad, como son la agitación en agua y la presión de los dedos de la mano.

Para distinguir un suelo de una roca se puede hacer uso de un vaso de precipitado con agua en el que se introduce la muestra a clasificar y se agita. La desintegración del material al cabo del tiempo conduce al calificativo de suelo, considerándose roca en el caso de efectos contrarios. Por medio de la compresión se puede establecer una frontera numérica; si el material rompe a menos de 14 kg/cm² se toma como suelo, significándose que tal límite es arbitrario y que, en ocasiones, muestras que superan en el laboratorio el supradicho esfuerzo son manejadas con los criterios de suelo.

Con el paso del tiempo y debido a fenómenos de meteorización, la roca va perdiendo progresivamente su resistencia mecánica y se transforma en suelo.

Métodos de prospección de suelos

Un análisis de mecánica de suelos nos debería llevar a obtener un grupo de datos que nos posibilite tener una mejor iniciativa sobre las propiedades que muestra el suelo donde vamos a edificar. Hablando de aquellas propiedades lo cual un ingeniero civil o el proyectista necesita son las características físicas del subsuelo, para esto se tienen que tomar muestras del suelo las cuales van a ser llevadas a un laboratorio donde una persona preparada en el asunto nos reportara los datos que requerimos.  Hay 2 tipos de sondeos, los preliminares y los definitivos.

Principales aspectos en que centra sus estudios

• Génesis y composición de suelos.
• Transporte y deposición de los suelos.
• Mineralogía del suelo.
• Relación masa-suelo.
• Tensión efectiva y capilaridad.
• Presión total.
• Presión de poros de agua.
• Condiciones hidrostáticas.
• Clasificación de los suelos.
• Métodos de prospección de suelos.

Importancia

Teniendo presente que cualquier obra edificada por la Ingeniería Civil se sostiene inevitablemente sobre la corteza terrestre, es de esencial trascendencia para la trascendencia de la misma el análisis de los límites del suelo, necesarios para su ejecución, permanencia y totalidad.

El valor de los estudios de la Mecánica de Suelos radica en el producido de que si se superan las fronteras de la capacidad resistente del suelo o si, todavía sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, tienen la posibilidad de generar esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, tal vez no tomados en importancia en el diseño, produciendo paralelamente deformaciones relevantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que tienen la posibilidad de generar, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y desamparo.

Como curiosidad puede citarse el inclinamiento de la popular Torre de Pisa que se estima es resultado del resquebrajamiento del suelo que la sostiene. Con un óptimo análisis de Mecánica de Suelos, esta torre no habría alcanzado su renombre.