COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS Y PROCESOS DE MEJORAMIENTO.

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Los suelos están originados  por el desgaste y sedimentación de las rocas ubicadas en la corteza terrestre, provocado por los agentes atmosféricos y a los procesos químicos y físicos, de la naturaleza. Estos procesos suelen durar más de miles de millones de años y eso se remonta a la edad de los suelos, aunque en ciertos casos estos suelo puede gestarse de forma más reciente, pero todos sufre transformaciones a lo largo del tiempo pueden erosionarse, tener filtraciones, mutaciones, deslizamientos, compactaciones, consolidaciones, entro otros efectos que a su vez definen las características del suelo, pero que siguen en continuo proceso evolutivo.

     Los suelos son depósitos de partículas o sedimentos minerales y orgánicos, que provienen del manto rocoso de la litosfera, las cuales poseen diferentes tipos de propiedades cohesivas y  fuerzas intermoleculares, los distintos suelos se tales como la grava, la arena, limos y arcillas, se van formando por acciones erosivas provocadas por el agua, el viento, u otro agente.

     Los minerales y sustancias solidas endurecidas,  unidas forman las rocas son de características  resistente, pero esto no la diferencia del suelo, ya que con el paso de los años los suelos se consolidan si se endurecen hasta formar rocas, y a su vez también ocurre con las rocas se erosionan y forman sedimentos que dan origen a los suelos, así que cuando se habla del suelo se puede generalizar entre las rocas y los sedimentos.

     Esta masa sólida que constituye al suelo es un inagotable tema de investigación y estudio para distintas ramas de la ciencia, la geología que estudia su composición propiedades químicas y físicas, y esta deriva en agronomía y mineralogía, pero da un aporte fundamental en la ingeniería civil, ya que el suelo es usado en varias formas aplicables en la construcción.

• Como base de apoyo para cualquier tipo de edificación.
• En forma de masa para los taludes, terraplenes o tierra armada.
• Cumpliendo la función como material empleado en la construcción.

       Por lógica todo esta directa o indirectamente apoyado sobre el suelo, sin importar las dimensiones de la edificación, debido a esto el suelo debe resistir la totalidad de las cargas que le transmiten las columnas o muros a las cimentaciones, estas cargas varían en permanentes, cargas variables móviles vibratorias, de impacto, el peso de fluidos, entre otros, pero siempre se debe garantizar una correcta relación suelo-fundación-superestructura.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS.

            Los suelos son materiales no consolidados, formado por gran variedad de minerales, con líquidos y gases internos en su masa, también los suelos pueden contener material orgánico que varían sus propiedades mecánicas. Las partículas que componen al suelo son de distintas dimensiones granulares y con composiciones y características diversas.

    Las propiedades estructurales de los minerales que forman el suelo, no depende solamente dela resistencia de los granos aislados, sino que de la fuerza de adherencia o atracción que existe para mantenerlos unidos unos a otros cuando son aplicadas cargas a su masa. Esta fuerza de atracción es muy compleja y corresponde a campos de energía externa o interna que tiene origen en fuerzas moleculares y electromagnéticas que actúa directamente con las partículas sólidas, la magnitud de estas fuerzas las propicia la composición del suelo y el índice de humedad que llena los vacíos.

   Las propiedades mecánicas de los suelos dependen de una gama amplia de posibilidades que existen en la naturaleza, estas propiedades se definen por la ubicación geográfica del suelo y de la profundidad.

• Composición del suelo.
• Densidad porosidad e índice de vacíos.
• Tamaño y forma de las partículas.
• Textura y color.
• Consistencia y contenido de humedad.
• Compresibilidad.
• Capacidad portante.
• Retracción y expansión.

Densidad, porosidad e índice de vacíos.

Debido a que la densidad es la relación que existe entre el peso y el volumen de un material, la densidad del suelo se pude representar esquemáticamente 

Volumen

Donde el Vs es el volumen de los sólidos, Va el volumen del aire, y Vw el volumen del agua que se encuentra contenida en los poros.

Peso 

El peso Wa del aire se desprecia por lo cual su valor es cero 0.

Relación de vacíos

Es el índice entre el volumen de vacíos y los sólidos de la masa de suelo y se expresa de la siguiente formula.

Porosidad

Es el porcentaje de volumen de suelo sin tomar en cuenta los espacios vacíos, o de agua que se encuentran en la masa de suelo. 

La relación de vacíos y la porosidad de los suelos dependen de la compactación y consolidación por lo cual sirva determinar la capacidad portante del suelo esta aumente cuando la relación de vacíos y porosidad disminuyen.

Contenido de humedad

         Esta se expresa como la cantidad de porcentaje que relaciona el peso del agua Ww en la masa de suelo y el peso de los sólidos de la misma masa.

Grado se saturación

Es el porcentaje del volumen de agua con relación al volumen total de los vicios en el suelo.

Es una condición de una suelo la cual todos los vacíos que se encuentran en él están llenos de agua, también existe la saturación parcial. Cuando el suelo llega a un punto de sobresaturación es la condición del exceso de agua con el volumen normal de vacíos.

       Al ser S=0 el suelo está totalmente seco, si la S=100 está saturado valores intermedios en la saturación de un suelo corresponden a saturaciones parciales, la relación más usada en la mecánica de los suelo no es el grado de saturación sino el contenido de humedad ya que es más simple obtener pesos y volúmenes, para esto se efectúa el ensayo al horno, donde se inicia con W, al introducir en el horno a 110°C se obtiene Ws y al restar resulta un valor Ww.

Peso especifico

Es la relación del peso de la masa de suelo entre su volumen, la fórmula del peso específico se expresa.

El peso específico representa a un suelo con humedad, o con la humedad natural se determina con muestras de suelo no perturbadas, extraídas como testigos del subsuelo mediante una máquina de sondeos. La característica principal para empezar con investigaciones relacionada con la mecánica de suelos.

Peso específico de la muestra seca.

Peso específico de la muestra sumergida.

El peso específico del agua es. 

Granulometría.

Por el tamaño predominante de sus partículas se pueden clasificar los suelos, por lo general los suelos son una mezcla de distintos tipos de diámetros y de formas diferentes, variando en un parámetro de muy grandes a muy pequeñas. Es normal que se le aplique tamiz a suelos como las gravas y las arenas, pero al porcentaje de colides del suelo se mide con los ensayos de sedimentación (limos y arcillas) por esos la pruebas granulométricas se realizan según dos métodos.

Tamices calibrados.

Las muestras de suelo son agitadas por los tamices de distintos tamaños colocados de forma vertical (pila), estos tamices poseen aberturas cuadradas de dimensiones variables, el tamiz de huecos con mayo dimisión se coloca en la parte superior y los demás se colocan uno debajo de otro de manera progresiva a su tamaño, de forma que se coloca la muestra en el tamiz superior y baja por medio de vibraciones los granos menores al número del tamiz.

Ensayos hidrométricos.

Consiste en la observación de la velocidad de asiento de las particulas del suelo, el método no da resultados favorables si los granos son menores 0.005 mm ya que se mantienen en suspensión indefinidamente. En estos casos se debe usar microscopio.

MEJORAMIENTO DE LOS SUELOS

 No todos los suelos en general son aptos para soportar determinadas cargas que pueden presentar las estructuras, es necesario que se conozcan las propiedades y condicones del suelo tanto como de forma supersifical como en los estaratos profundos, para determinar si ella soportara las exigencias de resistencia y compresibilidad.

En la construcción de deben evitar los suelos blandos, sueltos y expansivos, y con nivel freático superficial, seleccionando las zonas donde existan suelos con alta capacidad portante y estabilidad volumétrica, en el caso de los suelos se caracterizan por ser heterogéneos, así que en estudio de suelos se estudia cual es la zona más resistente para ser el área determinada para la edificación y las otras para emplearlas en otros usos.

Cuando los terrenos carecen de  un buen índice de capacidad portante en su superficie, y solo los estratos profundos son los resistentes, es recomendable emplear fundaciones indirectas o profundas como los pilotes para garantizar la estabilidad de la edificación, pero hay edificaciones de menor dimensión como viviendas y no resulta viable este tipo de cimientos, por ello se debe recurrir al mejoramiento de los suelos como solución a esta problemática.

Para la estabilización de los suelos se requiere aplicar procesos con el propósito de alterar sus propiedades naturales, y mejorar su comportamiento desde el punto de vista mecánico, protegiendo o aumentando su resistencia, estabilidad volumétrica y capacidad de drenaje.

Suelos que se les deben aplicar procesos de mejoramiento.

• Suelos de relleno.
• Suelos colápsales.
• Suelos expansivos.
• Bases y sub-bases para pavimentos
• Excavaciones donde se ha removido el suelo.
• Suelos blandos.
• Suelos con nivel freático superficial.
• Suelos erosionables.
• Materiales dragados.
• Desechos industriales, escoriar y cenizas.  

Métodos usuales para el mejoramiento de los suelos

• El apisonado.
• El paso de rodillos.
• La precarga.
• La vibro-compactación superficial.
• El método de terra-probe.
• El vibro-remplazo.
• La vibro-flotación.
• Los pilotes de compactación.
• La consolidación dinámica.
• Los explosivos.
• El reemplazo del suelo.
• Las inyecciones de lechada.
• La estabilidad química.
• La mezcla con aditivos.
• La estabilización térmica.
• El drenaje del suelo.

Los métodos para la estabilización de los suelos son la compactación o densificación. La compactación de un suelo es la densificación artificial del mismo y elevar el peso específico mejorando sus propiedades mecánicas. En suelos no cohesivos la compactación se lleva a cabo por la reorientación de las partículas solidas con fractura de local en los puntos de contacto directo, posteriormente relleno de los espacios vacíos. Para los suelos cohesivos va de la mano la distorsión  y reorientación de las partículas cuando el porcentaje de humedad es bajo las fuerzas de cohesión oponen resistencia al ser compactadas, pero cuando hay humedad considerable las fuerzas disminuyen y los procesos de compactación se efectúan sin complicaciones.  

• Contenido de humedad en el suelo.
• La naturaleza del suelo.
• La magnitud de la energía de la compactación transmitida.

Ventajas que se obtienen con la estabilización de los suelos.

• Incrementar la capacidad portante y la resistencia la corte.
• Reducir la comprensibilidad y los asentamientos.
• Disminuir la permeabilidad.
• Reducir el índice de vacíos y el contenido de humedad.
• Reducir la licuefacción potencial.
• Minimizar la retracción y la expansión del suelo.
• Incrementar la resistencia a los efectos de erosión. 

Los factores que influyen en la elección del proceso de estabilización de los suelos.

• El tipo de suelo y sus características.
• El área y la profundidad del tratamiento requerido.
• El tipo de superestructura y la forma de distribución de las cargas.
• La magnitud de los asentamientos permitidos.
• La disponibilidad de materiales y equipo mecánico.
• La facilidad del acceso de la maquinaria requerida.
• Disponibilidad de la mano de obra especializada.
• Factor económico y de vialidad del método de estabilización.