Mecánica de Suelos y Rocas: Conceptos Fundamentales

1. Introducción a Suelos y Rocas

1.1. Definiciones Básicas

Suelo: Se denomina suelo a todo agregado natural no cementado de granos minerales y materia orgánica descompuesta, junto con el agua y aire que ocupan los espacios vacíos entre partículas sólidas.

Roca: Cada uno de los diversos materiales sólidos, formados por cristales o granos de uno o más minerales, de que está hecha la parte sólida de la Tierra y otros cuerpos planetarios. Las rocas están constituidas, en general, por mezclas heterogéneas de diversos materiales homogéneos y cristalinos, es decir, minerales.

1.2. Ensayos de Identificación del Suelo

Los ensayos de identificación del suelo sirven para:

• Clasificar los suelos en función de su granulometría y plasticidad.
• Determinar el comportamiento mecánico del suelo.

Los sistemas de clasificación de los suelos más usuales son: el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) y la clasificación de la AASHTO.

1.3. Variación de la Plasticidad en Suelos Arcillosos con la Humedad

La plasticidad de los suelos arcillosos varía significativamente con su contenido de humedad, pasando por diferentes estados:

1. Estado Líquido: Un suelo está en estado líquido cuando se comporta como un fluido viscoso, deformándose por su propio peso y con resistencia a la cizalladura casi nula.
2. Estado Plástico: Al perder agua, ese suelo pierde su fluidez, pero continúa deformándose plásticamente, dado que pierde su forma sin agrietarse.
3. Estado Semisólido: Si se continúa con el proceso de secado, el suelo alcanza el estado semisólido; si al intentar moldearlo, se romperá.
4. Estado Sólido: Si se seca más, llega un punto en el cual su volumen ya no se reduce por la pérdida del agua, y el color toma un tono más claro. El estado del suelo se define como sólido.

Los Límites de Atterberg son contenidos de humedad específicos que marcan la transición entre estos estados para suelos finos.

1.4. Comportamiento Geotécnico de las Arcillas

Las arcillas tienen una composición diferente de la roca madre, siendo fundamentalmente silicatos. En su comportamiento geotécnico, lo más determinante es:

• Su superficie específica.
• Cómo se comportan en presencia de agua.
• Su historial de consolidación.

1.5. Diferencias entre Arcillas y Arenas

A continuación, se presenta una tabla comparativa entre arcillas y arenas:

Característica	Arcilla	Arena
Volumen de huecos	Hasta 98%	Hasta 50%
Retracción al secarse	Sí, retrae	No retrae
Cohesión	Muy marcada	Despreciable
Plasticidad	Es plástica	No es plástica
Compresión bajo carga	Comprime lentamente	Comprime al instante
Permeabilidad	Poco o muy poco permeable	Permeable
Compresibilidad	Muy compresible	Mucho menos compresible que la arcilla

1.6. Clasificación e Identificación de Rocas

1.6.1. Clasificación de las Rocas

La clasificación de las rocas se basa en:

• Grados de resistencia de la matriz rocosa.
• Grados de meteorización de la roca.
• Grados de fracturación del macizo rocoso.
• Estado de las fracturas.
• Continuidad y espaciado de las juntas de afloramiento.

1.6.2. Criterios de Identificación del Macizo Rocoso (Clasificación RMR)

La clasificación RMR (Rock Mass Rating) se basa en seis parámetros principales:

• Resistencia a la compresión simple (q_u).
• Índice de calidad de la roca (RQD).
• Espaciamiento de discontinuidades.
• Características de las discontinuidades.
• Condiciones hidrogeológicas.
• Orientación de las discontinuidades.

2. Ensayos de Laboratorio en Geotecnia

2.1. Generalidades de los Ensayos de Laboratorio

El número y tipología de los ensayos a realizar será aquel que permita una correcta caracterización geotécnica de los materiales hasta una cierta profundidad.

Los parámetros mínimos que se deben reconocer se realizan a través de los siguientes tipos de ensayos:

• Ensayos de estado.
• Ensayos de identificación.
• Ensayos de resistencia.
• Ensayos químicos.

2.2. Influencia del Contenido de Humedad

El contenido en humedad afecta a importantes propiedades de los suelos, tales como:

• Estabilidad volumétrica.
• Resistencia mecánica.
• Permeabilidad.
• Durabilidad.
• Compresibilidad.

2.3. Ensayo de Contenido de Humedad

El procedimiento para determinar el contenido de humedad es el siguiente:

1. Se pesa la cápsula de humedad (tamaño usual: diámetro = 5 cm y h = 3 cm).
2. Se coloca la muestra de suelo en la cápsula y se pesa.
3. Se lleva la muestra al horno para secarla, de 12 a 18 horas a una temperatura de 110 ± 5 grados Celsius, hasta mostrar un peso constante.

2.4. Análisis Granulométrico por Tamizado

Una vez que el suelo se pasa por la estufa y se pulveriza, se hace pasar por una serie organizada de tamices, con agujeros de tamaños decrecientes y conocidos, desde arriba hacia abajo. El primer tamiz es el de mayor tamaño y es donde se inicia el tamizado. El grupo se protege tapándolo con el fin de evitar pérdidas de finos. El último tamiz está abajo y apoya sobre un recipiente de la misma forma que los tamices, recibiendo el material más fino no retenido por ningún tamiz. Con sacudidas horizontales y golpes verticales (mecánicos o manuales) se hace pasar el suelo por la serie de tamices para luego pesar por separado el suelo retenido en cada tamiz. Los resultados se llevan a un gráfico llamado curva granulométrica.

2.5. Ensayos de Límites de Atterberg

La plasticidad de un suelo se atribuye a la deformación de la capa de agua absorbida alrededor de los minerales, desplazándose como una sustancia viscosa a lo largo de la superficie mineral, controlada por la atracción iónica.

2.5.1. Límite Líquido (W_L)

Es el contenido en humedad requerido para que una muestra, en el aparato de Casagrande, cierre una ranura de 1/2 pulgada de amplitud, a los 25 golpes generados a la cápsula de bronce con un ritmo de dos golpes por segundo. (Valores típicos: arcillas 40-60%, limos 25-50%).

2.5.2. Límite Plástico (W_P)

Es el menor contenido de humedad para el cual el suelo se deja moldear. Para su determinación, se toman bolas de suelo húmedo y se forman rollos de 1/8 de pulgada sobre una superficie plana, lisa y no absorbente. (Valores típicos: entre 5 y 30%).

3. Estado Tensional y Lodos de Perforación

3.1. Estado Tensional Tridimensional: Elipsoide de Tensiones

Según la teoría de los medios continuos, las tensiones existentes en cualquier plano que pase por un punto están determinadas por el elipsoide de tensiones.

El elipsoide de tensiones es el lugar geométrico de los extremos de los vectores tensión en un punto, correspondientes a los infinitos planos que pasan por él.

En múltiples ocasiones, el estado tensional de un punto se puede simplificar de tres a dos dimensiones. En este caso, el elipsoide se reduce al Círculo de Mohr.

3.2. Lodos de Perforación

Los lodos de perforación son los fluidos bombeados que circulan a través del pozo mientras este es perforado. Su composición se ajusta a medida que cambian las exigencias, de acuerdo con la profundidad de la perforación y los otros materiales encontrados.

3.2.1. Tixotropía

Una propiedad fundamental de los lodos de perforación es la tixotropía. Es la propiedad de resistencia que presentan algunos materiales para evitar ser amasados cuando se encuentran sometidos a esfuerzos cortantes. Muestran un cambio de su viscosidad en el tiempo; cuanto más se someta el fluido a esfuerzos de cizalla, más disminuye su viscosidad.

4. El Agua en el Terreno y su Comportamiento

4.1. Efectos del Agua en el Terreno

El agua puede generar diversos problemas en el terreno, tales como:

• Problemas de filtración.
• Asientos.
• Flujos en excavaciones.
• Sifonamiento.
• Tubificación.

4.2. Formas de Agua en el Terreno

El agua que existe en el terreno se presenta en varias formas:

• Agua de constitución: Solo se pierde por desecación.
• Agua de imbibición: Se pierde por evaporación.
• Agua de gravedad: Ocupa los poros y fisuras y puede circular.

4.3. Movimiento del Agua en el Acuífero

El movimiento del agua en el acuífero se describe de la siguiente manera:

• En el suelo: Capacidad de campo.
• En la zona no saturada: Gravedad, vertical descendente.
• En la franja capilar: Absorción.
• En la zona saturada: Isopiezas.

4.4. Conceptos Hidrogeológicos Clave

• Nivel freático: Lugar geométrico de los puntos del suelo donde la presión del agua en los poros es igual a la atmosférica.
• Capilaridad: Ascensión del agua en el suelo por encima del nivel freático.
• Flujo de agua: Circulación de agua a través de medios porosos debido a la diferencia de carga hidrostática.

4.5. Permeabilidad del Suelo

La permeabilidad es la capacidad del terreno de dejar pasar agua a su través. El coeficiente de permeabilidad depende de:

• Tamaño de las partículas del suelo.
• Granulometría.
• Porosidad y del tamaño de los poros.
• Grado de saturación.
• Viscosidad del agua.

4.6. Filtros en Geotecnia

Las arenas limpias son muy permeables y se utilizan comúnmente como filtros.

4.6.1. Diseño de Filtros

Es necesario dar una salida al agua evitando que el suelo por el que se infiltra se erosione y exista un arrastre de partículas.

4.6.2. Tipos de Filtros

• Filtros de materiales sueltos: Arenas y gravas de granulometría uniforme. Necesitan proporcionar pérdida de carga suficiente y evitar la entrada del suelo al filtro.
• Filtros geotextiles: Sus funciones básicas son la separación y la filtración.

4.6.3. Núcleos de Presas

Los núcleos de presas de materiales sueltos suelen estar compuestos por arcillas homogéneas, casi impermeables.

4.7. Determinación del Coeficiente de Permeabilidad

4.7.1. Ensayos de Laboratorio

• Permeámetro de carga fija.
• Permeámetro de carga variable.

4.7.2. Ensayos en Campo

• En excavaciones: Ensayos de Haefeli, Matsuo.
• En sondeos: Ensayo Lefranc en suelos y ensayo Lugeon en rocas.
• En pozos: Ensayos de bombeo.

4.8. Flujos de Agua en Excavaciones

Los flujos de agua en excavaciones pueden generar problemas de estabilidad en el fondo. Para solucionarlos, se pueden aplicar las siguientes medidas:

• Aumentar la longitud de la pantalla.
• Bombear.
• Drenar.
• Inyectar para impermeabilización total.
• Inyectar para impermeabilización parcial.

5. Conceptos Adicionales y Fórmulas Clave

5.1. Granulometría y Clasificación de Suelos

5.1.1. Clasificación por Tamaño de Partícula

Partícula	Tamaño
Arcillas	< 0,0039 mm
Limos	0,0039 – 0,0625 mm
Arenas	0,0625 – 2 mm
Gravas	2 – 64 mm
Cantos rodados	64 – 256 mm
Bloques	> 256 mm

5.1.2. Criterios de Clasificación (USCS Simplificado)

Si más del 50% pasa por el tamiz 200, el suelo es fino (limos y arcillas). Si pasa menos, es granular (arenas y gravas).

Suelos Granulares:

• Prefijos:
  • G-Grava: Cuando más del 50% es retenido por el tamiz N°4.
  • S-Arena: Si más del 50% pasa por el tamiz N°4.
• Sufijos:
  • M-Limoso o C-Arcilloso: Depende del Límite Líquido (W_L) y del Índice de Plasticidad (I_P).

Suelos Finos:

• Prefijos:
  • M-Limo
  • C-Arcilla
  • O-Orgánico
• Sufijos:
  • L-Baja plasticidad: (W_L < 50%).
  • H-Alta plasticidad: (W_L > 50%). Se separan por la línea B en la carta de plasticidad.

5.1.3. Fórmulas de Granulometría y Plasticidad

• Índice de Plasticidad (I_P) = W_L – W_P
• Coeficiente de Uniformidad (C_u) = D₆₀ / D₁₀
• Coeficiente de Curvatura (C_c) = D₃₀² / (D₆₀ · D₁₀)
• Límite Plástico (W_P) = (W₂ – W₃) / W₃ · 100 (Fórmula para un cálculo específico)

5.2. Criterios de Selección de Suelos

5.2.1. Suelo Seleccionado

Criterios para un suelo seleccionado:

• Materia orgánica < 0,2%
• Sales solubles < 0,2%
• Tamaño máximo 100 mm
• Tamiz 0,40: > 0,2%
• Tamiz 0,080: ≤ 15% (o que cumpla las demás condiciones: < 75%, > 75%, < 25%, > 25%, < 30%, > 30%, < 10%, > 10%)

5.2.2. Suelo Adecuado

Criterios para un suelo adecuado:

• Materia orgánica < 1%
• Tamiz 2: < 80%
• Tamiz 0,080: < 35%
• Límite Líquido (W_L): < 40%

5.3. Fórmulas de Mecánica de Suelos

5.3.1. Círculo de Mohr

• Radio (R) = 0,5 · (σ₁ – σ₃)
• Centro = 0,5 · (σ₁ + σ₃)
• Tensión normal (σ) = 0,5 · (σ₁ + σ₃) + 0,5 · (σ₁ – σ₃) · cos(2 · ángulo)

5.3.2. Fases de Suelos

• Densidad seca (ρ_d) = (1 – n) · ρ_s
• Densidad saturada (ρ_sat) = (1 – n) · ρ_s + n · ρ_w
• Densidad aparente (ρ_ap) = (1 – n) · ρ_s + n · S_r · ρ_w
• Densidad sumergida (ρ_sub) = ρ_sat – ρ_w
• Densidad seca (ρ_d) = ρ_húmeda / (1 + w)

Relaciones de Porosidad y Vacíos

• Porosidad (n) = e / (1 + e)
• Porosidad (n) = V_v / V_t · 100%
• Porosidad (n) = 1 – (ρ_d / ρ_s)
• Relación de vacíos (e) = n / (1 – n)
• Relación de vacíos (e) = (ρ_s / ρ_d) – 1
• Relación de vacíos (e) = V_v / V_s

Contenido de Humedad y Grado de Saturación

• Contenido de humedad (w) = (W_h – W_s) / W_s
• Grado de saturación (S_r) = V_w / V_v · 100%
• Grado de saturación (S_r) = w · ρ_s / (e · ρ_w)
• Grado de saturación (S_r) = (w / ρ_w) / (1 / ρ_d – 1 / ρ_s)

Densidad Relativa

• Densidad relativa (D_r) = (e_max – e) / (e_max – e_min)

Volumen de Cilindro

• Volumen (V) = π · r² · h

5.3.3. Fórmulas de Agua en el Suelo

Tabla de Tensiones

Para el cálculo de tensiones en el suelo:

Profundidad	Tensión Total (σt)	Tensiones Intersticiales (u)	Tensiones Efectivas (σ’)
d	σt = d · ρacumulada	u = dinundada · ρw	σ’ = σt – u

Flujo Vertical Ascendente

• Caudal (Q) = K · i · A
• Gradiente hidráulico (i) = Δh / H
• Pérdida de carga (Δh) = (Q · h) / (K · A)

La tabla de tensiones se hace igual, pero en las tensiones intersticiales donde haya agua se calcula como: u = d · ρ_w + (d · ρ_w · i)

5.3.4. Problema de Pilar

• Peso de un pilar (P_p) = h · área · ρ_pilar
• Tensión total (σ_t) = ((P_t + P_p) / Área de cimentación) + profundidad · ρ_saturada
• Presiones de poro (u) = profundidad · ρ_w

5.3.5. Problema de Pantallas

• Presión hidrostática (F) = Δh · ρ_w · longitud entre pantallas
• Coeficiente de permeabilidad equivalente (K_eq) = (∑ H_i) / (∑ H_i / K_i)
• Caudal (Q) = K_eq · i · A
• Gradiente hidráulico (i) = Δh / H

5.3.6. Pérdida de Carga en el Hormigón

• Caudal (Q) = K · I · A

5.3.7. Ensayo de Carga Constante (Permeámetro)

• Coeficiente de permeabilidad (K) = q / (i · A)
• Caudal (q) = V / t
• Área (A) = π · d² / 4
• Gradiente hidráulico (i) = h / L = desnivel piezométrico / distancia piezométrica