Tema 2 propiedades elementales e identificación de los suelos

PROPIEDADES Mecánicas DE LOS SUELOS

RESISTENCIA AL CORTE:

La resistencia al corte de un suelo es la tensión de corte o cizallamiento en el plano y en el momento de falla. Una primera idea, atribuyo este fenómeno a la fricción producida entre las partículas de suelo.

ESFUERZO EFECTIVO EN EL SUELO:

El esfuerzo se define como la diferencia entre el esfuerzo total y la presión del agua que existe en los vacíos del suelo. El suelo es una estructura semejante a un esqueleto, formando un sistema intersticial de vacíos. La interacción entre la estructura del suelo y el fluido de los vacíos determina el comportamiento del suelo frente a las solicitaciones. La ecuación anterior fue establecida para suelos saturados o suelos granulares secos. Los esfuerzos que actúan sobre la masa del suelo pueden ser de tipo normales y de corte. El esfuerzo normal en cualquier plano es la suma de dos componentes: una debida a la carga trasmitida por las partículas sólidas de la estructura del suelo, y la otra, una presión del fluido en los espacios vacíos. Por otro lado, los esfuerzos de corte solo son resistidos por la estructura de las partículas sólidas, ya que el agua no tiene resistencia al corte estático. Según establecíó Bishop, existen dos condiciones necesarias y suficientes para que la ecuación de tensión total se cumpla rigurosamente para el cambio de volumen y la resistencia de suelos saturados o secos. 1. Las partículas del suelo son incompresibles. 2. El esfuerzo de fluencia en la partícula solidas es independiente del esfuerzo de confinamiento. Se debe tener presente que los suelos reales no satisfacen completamente estas dos condiciones, el comportamiento mecánico de los suelos y otros materiales porosos está controlado más exactamente por un esfuerzo efectivo que es función del esfuerzo total y la presión de poros.

ENSAYO CORTE DIRECTO

Se trata de desarrollar una relación de falla por corte del suelo, cuando la falla ocurre a lo largo de un plano de corte limitado en ambos lados por el suelo. Para este propósito se considera un aparato de corte directo. Este aparato se utiliza mucho para medir la resistencia al corte de suelos granulares (dicho equipo no es apropiado para ensayar suelos finos), siendo muy útil para el cálculo de la estabilidad de taludes. El equipo de corte directo consiste  básicamente en una caja partida horizontalmente por la mitad. Una mitad permanece fija, mientras que la otra se puede mover horizontalmente.

ENSAYO TRIAXIALES

Los ensayos triaxiales son los más utilizados para la determinación de las carácterísticas de tensión-deformación y la resistencia de los suelos. Son ensayos donde se pueden variar las presiones actuales en tres direcciones ortogonales sobre un espécimen de suelo. Una limitación de este ensayo es que, dos de tres tensiones actuales son iguales. La probeta a ensayar es cilíndrica con un diámetro entre 1.3 pulg. A 4 pulg. Para los especíMenes más comunes. El dispositivo básico para realización del ensayo triaxial es la “cámara triaxial”. Las muestras de suelo utilizadas son de forma cilíndrica, sus dimensiones están en función del material a analizar, y se las coloca en una cámara cilíndrica, hermética que se llena generalmente de agua. El agua permite someter a la muestra a una presión de confinamiento variable por medio de un compresor, y para proteger la muestra del líquido se la recubre con una membrana de látex delgada. La membrana esta sellada a través del uso de anillos de caucho tipo “o-ring” en la parte superior e inferior (tapa superior y pedestal de base”. Mediante el vástago que atraviesa la parte superior de la cámara se transmite a la muestra una carga axial.

ENSAYO DE Consolidación

Las carácterísticas esfuerzo-deformación de un suelo permiten estimar los asentamientos que experimentara producto de las cargas de servicio. En algunos casos, también puede servir como una indicación de las dificultades de construcción que pueden surgir durante la excavación dentro de las masas de suelo. Los asentamientos sobre arcilla pueden producirse lentamente y ser de magnitudes importante. Debido a esto existe entre el final de la construcción y la aparición de las grietas, un tiempo en muchas ocasiones bastante importante: Usualmente de 1 a 3 meses. Las relaciones entre la presión vertical, el asentamiento y el tiempo, se investigan en el laboratorio por medio del ensayo de consolidación, llamado también ensayo endometrio o de consolidación edometría. Durante el ensayo, la muestra está completamente confinada por un anillo metálico. La carga se aplica a las caras superior e inferior del espécimen a través de dos piedras porosas, que permiten que el agua entre o salga de la arcilla, la deformación se mide por medio de dial de deformación. La presión se aplica por etapas. Después de cada incremento se mantiene la carga constante hasta que la deformación prácticamente cesa. Esto requiere usualmente varias horas, aun para hasta un espécimen que tenga un espesor tan pequeño como 19 mm, porque la deformación se produce solamente con la rapidez que permite al agua salir de la arcilla. Los resultados se presentan gráficamente con una curva que relaciona el índice de vacíos correspondiente a cada incremento de presión con el valor de dicha presión.

COMPRESIBILIDAD

 La sobre-presión en el agua provoca un gradiente de presión y movimiento de agua. El efecto que provoca de la carga se traslada al esqueleto, hay cambio de volumen y se llega a un nuevo equilibrio, lo cual se traduce en una consolidación del suelo. La consolidación se produce en un intervalo de tiempo variable. ARENA Y GRAVAS - Rápido  ARCILLAS-LENTO En arenas y gravas los asentamientos son progresivos y finalizan al acabar de aplicar la carga, en cambio, para arcillas los asentamientos van a continuar indefinidamente después de aplicada la carga, aunque con velocidad decreciente. En terreno la compresibilidad de una arcilla puede investigarse haciendo pruebas de consolidación en muestra extraídas de manera que su estado se altere lo menos posible. Deben reconocerse dos condiciones diferentes de importancia práctica, que son: si el estrato del que se tomó la muestra esta normalmente consolidado o si esta pre-consolidado. Se dice que un estrato esta normalmente consolidado, si nunca han actuado en el presiones verticales mayores que las existentes en la actualidad. Por otra parte, un estrato pre o sobre-consolidado, en alguna época de su historia estuvo sujeto a presiones verticales mayores que las que ahora están en actividad (esto se puede interpretar como que el suelo tiene memoria de las cargas que ha soportado).

Retracción

La retracción que se produce cuando un suelo saturado se seca es causada por la tensión capilar. Al secarse el suelo se forma un menisco en cada poro de la superficie de suelo, que produce una atracción debido al agua equivalente a un confinamiento en la estructura del suelo. Este esfuerzo puede equivaler a efectos de cargas que producen presiones de hasta  2 kgf/cm. Durante la retracción, los poros se van reduciendo y, por consiguiente, la tensión capilar aumenta, lo que implica también un aumento en la resistencia a la compresión. La pérdida de agua produce una reducción igual en la relación de vacío permaneciendo el suelo saturado; cuando la resistencia a la compresión es igual a la tensión capilar, la relación de vacío no sigue reducíéndose y a este punto se le denomina límite de retracción y se aprecia visualmente al perder el suelo su aspecto húmedo, al retraerse los meniscos de la superficie del suelo. La retracción produce asentamiento en los suelos compresibles y le da una macrotextura de bloques.

ENTUMECIMIENTO

Cuando el volumen de los suelos aumenta con la humedad, se llama el entumecimiento o expansión, y les ocurre a las arenas y, en un modo muy especial, a las arcillas. La retracción o entumecimiento dependen de la humedad inicial y se pueden determinar mediante ensayes especiales; pero según Holtz y Gibbs, se puede estimar los cambios de volumen mediante el límite de retracción e índice de plasticidad.

PLACA DE CARGA

En este ensaye el suelo se somete, de acuerdo con un procedimiento predeterminado, a diversos estados de carga aplicados a través de placas rígidas, registrándose la deflexión producida en ellos. El equipo esencial para su ejecución incluye._ Sistema de carga con su respectiva reacción. _ Conjuntos de placas metálicas. _ Sistema de medición de deflexión.

MODULO DE ELASTICIDAD

Una tensión o esfuerzo se entenderá como el resultado de la aplicación de una fuerza sobre un cuerpo, que puede ser puntual o distribuida sobre un área, pero su propagación dentro del cuerpo produce un efecto repartidor. Por lo tanto tiene unidades de Fuerza/Área. Si el esfuerzo es perpendicular a la superficie del material se le denomina esfuerzo normal. La deformación es el cambio en la geometría como resultado de los esfuerzos. La deformación unitaria convencionalmente se expresa como el cuociente entre la deformación real, y la dimensión inicial en reposo (ambas en las mismas Unidades). Los esfuerzos pueden aplicarse en forma estática, o dinámica. Dentro de las solicitaciones estáticas de suele incluir las cargas que varían lentamente en el tiempo, por lo que muchos ensayos de laboratorio se denominan como estáticos sin serlos estrictamente. Dentro de las solicitaciones dinámicas existen las cargas: cíclicas que son pulsos de carga que se repiten en el tiempo, y no cíclicas que son pulsos de carga de forma variable. Se denomina transigente a la etapa de inicio de la aplicación de pulsos cíclicos, o a la aplicación de uno o algunos  pocos pulsos que no alcanzan a extraer un comportamiento estable o de régimen permanente del material. A nivel macroscópico la elasticidad de los materiales es la propiedad que les permite almacenar y devolver la energía mecánica a lo largo de sucesivos ciclos de carga y descarga. Un material es mas elástico en la medida que sea clara de analizar el comportamiento de un material es considerar su comportamiento en el plano o dominio de las tensiones y las deformaciones unitarias, o sus equivalentes.

MODULO DE ELASTICIDAD

La rigidez o modulo de deformación de un cuerpo solido es una medida de su resistencia a ser deformado por acción de fuerzas solicitantes, esta medida de la dificultad para causar la deformación. Como rigidez es variable en la mayoría de los materiales de uso vial, se plantea una dificultad en el momento de usar cualquier modelación física. De hecho el único caso en que la rigidez es constante es en el caso lineal, y los únicos materiales que tienen este comportamiento en vialidad son el acero y el hormigón.

Medición DEL Mr

El modulo dinámico o resiliente de las capas de suelo que componen un pavimento pueden medirse en laboratorio o terreno. Dada la imposibilidad de reproducir exactamente en laboratorio las exactas condiciones del terreno, a menudo no hay un buen calce entre ambos resultados. Algunos métodos de diseño están calibrados con valores de laboratorio exclusivamente, y otros con valores mixtos de laboratorio y terreno. En el caso particular del asfalto la tendencia actual es al uso de valores de laboratorio modificado por las condiciones de terreno. Para medir el Mr en laboratorio se utiliza el ensayo triaxial dinámico, en la que se aplica carga cíclica a un cilindro de material inalterado o recompactado. La solicitación se hace a distintos grados de confinamiento para simular las condiciones de terreno. Durante el ensayo se registra las ondas de carga cíclica, las deformaciones resultantes, los ciclos aplicados, y el nivel de confinamiento. En terreno el Mr puede medirse con una variedad de sistemas mecánicos. Algunos simulan el paso de una carga móvil mediante un pulso de carga, si la carga se aplica con un eje real el sistema utilizando es un deflectometro transitivo. Si el pulso se obtiene por percusión, el deflectometro es del tipo impacto. Otros aplican ondas mecánicas continuas que generan respuestas que dependen de ka impedancia de las capas de suelo.

FACTORES QUE AFECTAN EL Mr:

El Mr de los suelos depende de una serie de factores que a veces dificultan la representatividad de un conjunto de resultados para efectos de diseño. Una enumeración en orden decreciente de incidencia es la siguiente. 1. Humedad. 2. Densidad. 3. Confinamiento, representado por la profundidad. 4. Temperatura (solo en el caso del asfalto) 5.Nivel de carga. El efecto de la humedad es particularmente importante en suelos finos, o granulares con finos plásticos. En mediciones se han detectado disminuciones de 90% al aumentar el grado de humedad. Este factor por si solo es suficiente para provocar la falla de un proyecto. Esto pone acento en la importancia del saneamiento. La densidad es un factor fácil de controlar, por lo que es manejable con gran seguridad. Las diferencias detectadas llegan hasta un 50% del valor denso cuando el suelo tiene una compactación deficiente. El resto de los factores son poco controlables, y representan las condiciones a las que funcionara el material en terreno.

ESTABILIDAD DE TALUDES:

La palabra talud significa superficie inclinada. También se utiliza para referirse a la inclinación, o ángulo con respecto a la horizontal, de esta superficie perteneciente a un muro o terreno. Proviene del francés talus, que también se refiere a una estructura de defensa que se usaba en los muros de los castillos medievales consistente en un refuerzo a lo largo de la base del muro, muy inclinado, y a veces con puntas, para evitar su destrucción, escalamiento y mantener alejadas las máquinas de guerra.

MATERIALES

En la gran mayoría de los casos, los materiales de que está compuesto un talud son suelos, rocas o una combinación de ambos. En muchas obras viales obras viales se procura utilizar los materiales salientes del corte en lo rellenos, generándose economía y menor contaminación. Hay algunos casos particulares de rellenos artificiales como son pedraplenes y los enrocados de protección, estos últimos muy utilizados como protección de riveras y costas.

ESTABILIDAD:

La estabilidad de taludes tiene dos requisitos que se deben satisfacer simultáneamente para tener una estructura segura para el usuario de la vía, y a las vez económica de mantener. El primero es la estabilidad externa, que se refiere a la estabilidad de la superficie expuesta, y el segundo la estabilidad interna, relacionada con la seguridad estática y dinámica de la estructura.

ESTABILIDAD EXTERNA

La estabilidad externa tiene que ver básicamente con la resistencia a la erosión por agua (lluvia o napa), nieve, hielo, viento, gravedad, y aceleraciones sísmicas. La erodabilidad es perjudicial a través de varios mecanismos indirectos; obstruye fosos, contrafosos, y alcantarillas, haciendo que el embalse y rebalse de agua provoque fallas de mayor magnitud. La pérdida de material de la superficie facilita también el rodado y caída de bloques o trozos de gran tamaño, en particular si la zona erosionada es la zona baja del talud.

ESTABILIDAD INTERNA:

Las fuerzas internas que se movilizan para resistir la falla son de dos tipos; el roce y la cohesión. El roce es un tipo de fuerza que se opone al deslizamiento relativo entre dos superficie que se encuentran en contacto con una presión entre ellas, si no existe esta fuerza de compresión, el roce es cero. Puede ser de dos clases; roce estático o dinámico. Para el caso de estabilidad de taludes importa el caso estático, antes que se produzca la falla. Este ángulo es carácterístico de cada par de materiales, en particular si son iguales. Por esta razón se llama ángulo de roce interno del material, y se expresa por lo general en grado sexagesimales.

MODELACIONES

La estabilidad mecánica (estática y dinámica) de los taludes es un problema del tipo que no admite solución exacta: el problema en si es tan complejo en su modelación física, y depende de factores externos e internos tan variables que resulta imposible un pronóstico exacto de su comportamiento. El desarrollo de nuevas técnicas de métodos numéricos ha hecho avances en la resolución de casos complejos, pero aún son dependientes de la habilidad del usuario, y también están afectos al problema de la calidad de la información. Es por esto que para la resolución de este tipo de problemas se utiliza el concepto de Factor de Seguridad.

CASOS ESPECIALES

Existe una serie de casos especiales, en su mayoría relacionados con fenómenos naturales, que por su magnitud no tienen solución satisfactoria por estar fuera de alcance económico o técnico. Algunos de estos casos son:

ALUVIONES:

Consiste en el deslizamiento de grandes cantidades de materiales detríticos o escombreras de cerro depositados naturalmente sobre pendientes muy fuertes. Cuando se produce lluvias prolongadas, o llueve agua líquida sobre nieve depositada, u ocurre una erupción que libera gran cantidad de calor, puede producirse un deslizamiento de gran velocidad y volumen de granulares y barro.

AVALANCHAS

En un caso particular en que lo que desliza no es suelo ni roca, sino agua sólida en forma de hielo y nieve. Afortunadamente se da en zonas poco pobladas en nuestro país y tienen una cierta regularidad y ubicación fija que permiten una vigilancia segura.

REPTACION

Viene de reptar, el modo de desplazamiento de los reptiles. Se refiere a grandes acumulaciones de trozos de roca y suelo con alto grado de humedad mantenida por lluvias frecuentes. Las propiedades resistentes de estos materiales son muy bajas, y tienden a fluir gravitacionalmente a muy baja velocidad, de igual forma que un glaciar.

FALLAS Geológicas

La corteza terrestre está formada principalmente por mantos rocosos. En Chile existe una gran actividad de estos mantos que Subren continuos movimientos de acomodación caracterizados por junturas que nunca se estabilizan por estar en movimiento periódico. 

MAICILLO:

Es un problema a nivel mundial. Es un material de buenas propiedades mecánicas, pero muy erosionable, que obliga a frecuentes tareas de mantenimiento. La frecuencia aumenta con la pluviosidad. Una solución definitiva consiste en el uso de shotcrete y malla metálica de protección superficial.

SISMOS:

El cálculo sísmico de un talud también es posible, pero escapa al alcance de este texto. El comportamiento sísmico de un talud depende del material; los más sensibles son los de roca muy fragmentada, lo siguen los terraplenes marcadamente granulares, y los más estables son los materiales con cohesión.