Mecánica de suelos

La Torre de Pisa, ejemplo de un problema originado por deformaciones importantes.

En ingeniería, la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925.

Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra como elemento de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos.

Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aún sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomos que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono.

En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la supraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, al través de una correcta investigación de mecánica de suelos.

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.

Un estudio de mecánica de suelos nos debe llevar a obtener un conjunto de datos que nos permita tener una mejor idea acerca de las características que presenta el suelo donde vamos a construir. Hablando de esas características lo que un ingeniero civil o el proyectista requiere son las propiedades físicas del subsuelo, para esto se deben de tomar muestras del suelo las cuales serán llevadas a un laboratorio donde una persona preparada en el tema nos reportara los datos que necesitamos. Existen dos tipos de sondeos los preliminares y los definitivos.

Métodos de exploración de carácter preliminar

Pozos a cielo abierto

Este método consiste en hacer excavaciones de tamaño suficiente para que una persona en este caso un técnico pueda introducirse en él y poder examinar los distintos estratos en su estado natural, y de este modo poder saber las características que presenta cada estrato en cuanto a la cantidad de agua contenida.

Una desventaja de este sondeo es que no se puede realizar a grandes profundidades por dos cosas, la primera es si se excava mucho se pueden presentar derrumbes y en segundo punto no se controla el flujo del agua cuando se pasa el nivel freático. Se debe tener mucho cuidado para poder distinguir las características que presenta la naturaleza, ya que a causa de la excavación pudieran ser modificadas.

Cuando se realiza un sondeo a pozo abierto, es bueno llevar un registro de las condiciones que presenta el suelo durante la excavación, por los motivos que anteriormente comente, realizado por un técnico conocedor. En los pozos podemos usar maderas o acero, para colocar ademes, normalmente se hace con tablones en dirección horizontal, pero si se tienen suelos fricciónales deberán de colocarse verticales y deberán de estar bien hincados. En cuanto a las muestras se pueden obtener ya se alteradas o inalteradas. Las primeras son partes de suelo las cuales se protegen contra las pérdidas de humedad, colocando las muestras alteradas en recipientes que cumplan con este objetivo o en bolsas emparafinadas. Las muestras inalteradas deben tomarse con calma y mucho cuidado, se toma labrando una o oquedad en la pared del pozo. Esta muestra debe de protegerse más contra las pérdidas de humedad colocándolas en capas de manta impermeabilizada con brea y parafina.

Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares

A diferencia de los sondeos a cielo abierto, el de perforaciones con posteadora únicamente obtiene muestras alteradas, pero con esto basta para saber las características del suelo y la relación que tiene con la cantidad de agua, esto cuando es un suelo plástico. Para obtener estas muestras se usan barrenos helicoidales que son como saca corchos en espirales y los pasteadores que son como dos palas muy cerradas en la parte baja las cuales tienen un agarre en forma de T. esta herramienta se hace penetrar en el suelo haciéndola girar sobre el maneral.

Algo importante que se debe tomar encuentra es la forma o la distancia entre las hélices al perforar esto depende del tipo de suelo, si es un suelo arenoso deben de estar más cerradas que si se trata de un suelo plástico. Las herramientas antes mencionadas se adaptan en un extremo de la tubería y se le van añadiendo mas tramos de tubo conforme a que el pozo se vaya haciendo más profundo, dichos tubos de colocan por la superficie.

Si el muestreo continúa por debajo del nivel freático se deben de utilizar cucharas especiales, las muestras que se obtienen con esta cuchara son aun más alteradas ya que tiene la variable de la cantidad de agua que entra en la cuchara y el suelo. A causa de esto de las muestras obtenidas solo se puede obtener una clasificación y realizar pruebas para las cuales no es necesaria una muestra inalterada. En estas pruebas como hemos dicho, el contenido de agua es mayor. Generalmente se recurre a colocar ademes en el pozo, esto se hace con tubos de hierro los cuales son hincados a golpes pero con un diámetro necesario para que puedan pasar las herramientas utilizadas para muestrear. En la parte inferior esta tiene una zapata afilada para facilitar la penetración en el suelo. Cuando se agregan los segmentos de tubos de hierro para su manejo y colocación se usa una polea la cual es colocada en un trípode, esto a una altura que permita el manejo de los tubos de hierro. El cable que cruza por la polea y se sujeta a los tubos es un cable de manila o metálico y los operadores o técnicos pueden intervenir manualmente para guiar los tubos con la ayuda de unas llaves especiales y así poder atornillar los segmentos siguientes. Una desventaja de este método es que cuando tenemos un suelo firme y a este le sigue uno blando, en estos casos comúnmente se pierde la frontera que existe entre los dos tipos de suelo.

Método de lavado

Este método de sondeo es bastante económico y el tiempo en que se realiza es muy rápido. Con este método se pueden presentar errores en la frontera del terreno, dicho error puede ser hasta de un metros al marcar la diferencia entre estratos. Este método de puede usar en conjunto con otro método es decir como un sondeo auxiliar preliminar ya que es más rápido que los otros. Las muestras que se obtienen son bastante alteradas, tanto que no deberían de considerarse como representativas para llevar al laboratorio.

El equipo y material a utilizar son al igual que en el método anterior un trípode con una polea, la cual se usa para sostener el martinete este tiene un peso que puede ir desde los 80 hasta los 150 kilogramos. Lo que hace el martinete es hincar en el suelo los ademes necesarios. El ademe utilizado debe tener un diámetro mayor para de esta manera poder inyectar el agua. El agua se impulsa mediante una bomba. Esto se hace una vez que se ha hincado el ademe. Entonces cuando el agua se introduce en la tubería hace que una muestra suba a través del espacio que existe entre el ademe y la tubería de inyección, ya que la muestra se encuentra fuera se coloca en un recipiente en el cual se puede estudiar y analizar la muestra. Cuando se realiza el muestreo y si las características no han cambiado se puede muestrear cada 1.5 metros pero si se presenta un cambo en el agua que sale debe de hacerse un nuevo muestreo. Una vez que se detuvo el muestreo debemos esperar a que el agua se quede en equilibrio con el nivel freática y así anotar todo lo que se va observando.

Existen diferentes tipos de muestreadores unos se introducen en el suelo a golpes y el más usado es llamado de media caña de esta hecho para poder dividirse y así poder extraer la muestra más fácilmente. Existe otro muestreador el cual se llama trampa de muelles el cual tiene en la parte inferior unas cuchillas metálicas las cuales permiten la entrada en la cámara inferior pero puede dificultar su salida y por último el muestreador de cucharon raspador el cual se usa en un suelo con arenas bajo en nivel freático y funciona por rotación.

Método de penetración estándar

Este método de exploración es el que mejor resultados nos proporciona ya que obtenernos más información acerca del subsuelo, a diferencia de los métodos anteriores en los cuales nos da únicamente una descripción. Dependerá del tipo de suelo y nos dará diferentes resultados, por ejemplo si tenemos un suelo friccional obtendremos la compacidad de los mantos, si se presenta un suelo plástico sabremos la resistencia que presenta a la compresión simple. Este método nos da muestras alteradas las cuales permiten su estudio.

El equipo para este método es un penetrometro estándar. Normalmente tiene en la parte inferior la forma de media caña, con la cual se facilita la extracción de la muestra. Este tipo de muestreador se hinca en el suelo por medio de golpes ayudado por un martinete el cual tiene un peso aproximado de 63.5 kilogramos, la altura desde la cual es soltado son 76 centímetros. Se cuentan la cantidad de golpes dado hasta alcanzar una profundidad de 30 centímetros. Cuando se ha introducido el muestreador a una profundidad de 60 centímetros, se debe de sacar el penetrometro y se obtiene una muestra. El pozo donde se ha hecho el sondeo debe de ser previamente limpiado con cuidado. Después el muestreador o el técnico, debe de introducirse en él y después se da golpes para que el penetrometro se meta otros 15 centímetros dentro del suelo. Ahora después de esos golpes se vuelven a contar los golpeteos hasta que se introduce un pie de profundidad y luego podemos obtener una muestra la cual queda dentro del penetrometro. La muestra que se puede obtener con este sondeo son muestras inalteradas y confiables. De dichas muestras se pueden obtener los valores y relaciones que tienen lugar en el laboratorio.

Método de penetración cónica

Este método de sondeo consiste en introducir una punta cónica dentro del suelo para así obtener la resistencia que puede presentar el suelo. Dependerá del tipo de terreno, ya sea estático o dinámico, para saber que procedimiento y qué tipo de cono utilizar. Existen cuatro tipos el danés, que es un cono como lo conocemos, holandés, presenta una punta en forma de flecha, otro tipo es para ensaye dinámico, el cual se parece al holandés pero el diámetro de la flecha es más grande de 50.8 mm a comparación del holandés que mide 35.6 mm y por último el de inyección, el cual es el que presenta la flecha más grande de 70mm. En los terrenos estáticos, el equipo se hinca tan solo a presión esto se logra con un martinete que cae sobre él. En un terreno dinámico lo mejor es utilizar el tipo de penetrometro para ensaye dinámico, en este se usa el mismo equipo que para la prueba de penetración estándar, es decir un martinete con un peso de 63.5 kilogramos y se deja caer de una altura de 76 centímetros. De igual manera se cuentan los golpes para introducirse 30 centímetros.

Cuando se obtienen las muestras en este tipo de sondeos, no llegamos a resultados como en el método anterior es decir de laboratorio. En la penetración cónica los resultados son de sudosa interpretación dependiendo los criterios utilizados. Pero la razón por la que este métodos se utiliza es porque es muy rápido y económico, económico en el sentido de no de utilizan ademes, aunque esto provoca que exista gran fricción lateral pero si se colocan ademes perdemos la ventaja de que sea económico. Para obtener una muestra primero se hinca el cono mediante presión estática en la parte superior de la tubería. Y la velocidad con la que se introduce normalmente es constante y es de 1 centímetro por cada segundo. Se debe de ir haciendo reportes de las profundidades y los tiempos. En este sondeo como hemos dicho no se obtiene una muestra representativa. Por lo que se recomienda que este tipo de sondeo sea utilizado únicamente en las zonas donde previamente se conozcan sus características, el método es para saber de un lugar en específico sus características. Este método no debe usarse en lugares no explorados a fondo con anticipación. Perforaciones Con Boleos Y Gravas

Cuando se esta realizando un estudio de mecánica de suelos existen estratos donde nos podemos encontrar boleos o gravas, estas presentan una gran resistencia a ser perforadas o traspasar por ellas con el equipo que se ha descrito anteriormente no podemos perforarlas. Para esto necesitamos equipo y herramientas más pesadas y propias para esta actividad. El equipo es un taladro de acero resistente el cual se deja caer sobre el estrato con la ayuda de cables. Ocasionalmente para poder penetrar por algún estrato es necesario el uso de explosivos. Metodos De Sondeo Definitivo

En los próximos métodos podremos obtener muestras inalteradas, estrictamente hablando no se puede obtener una muestra totalmente inalterada de cualquier suelo por que al entrar en su entorno ya se están modificando ciertas propiedades, estas muestras son propias para que en el laboratorio se obtengan la resistencia a la compresión, muestras de las rocas que en el suelo se presenten y que no se pueden obtener por algunos métodos de exploración de carácter preliminar. El método de pozos a cielo abierto ya lo hemos descrito al principio pero es uno de los métodos que se encuentran tanto en la clasificación de carácter preliminar como en los sondeos definitivos. Muestreo Con Tubos De Pared Delgada

El estudio de mecánica de suelos mediante tubos de pared delgada se debe a M. J. Hvorslev. En cuanto a los muestreadores utilizados varían dependiendo de la institución que realice el estudio y el grado de perturbación que presenta la muestra dependerá del modo en que se realice el hincado. Si queremos que el grado de perturbación sea el mínimo posible lo que se debe de tomar encuentra es que la manera del hincado debe de ser constante en cuanto a su presión y a la velocidad. Nunca debe de ser hincado o golpeado con algún método dinámico. Hablando de los muestreadores de tubo de pared delgada tenemos el tipo Shelby, este es el más común en cuanto a su uso, tienen una longitud que va desde los 80 centímetros hasta el metro. Y para conectarlo con la tubería es únicamente con un enroscado en la parte superior. Después tenemos el de pistón, el cual es un tipo de muestreador mas elaborado que el anterior y tiene como objetivo principal el eliminar la basura que se pueda encontrar en el fondo del pozo antes de realizar el muestreo esto es muy importante cuando son muestreadores a cuelo abierto. Por último tenemos el muestreador llamado dispositivo de hincado por presión de un diferencial, este se puede usar cuando no se cuenta con una máquina perforadora la cual aplique mecánicamente la presión necesaria. Para usar este tipo de muestreador es con la ayuda de una varilla de perforación y un peso muerto usando gatos hidráulicos.

Existen ocasiones en donde los muestreadores no son capaces de obtener una muestra o más bien de extraerla a la superficie, esto puede ser porque el suelo sea muy blando o contenga grandes cantidades de agua. Para evitar este problema lo que se hace es hincar el muestreador a poca velocidad y con bastante cuidado, así como también ya que el muestreador se encuentra lleno de su muestra se deja reposar un poco para que el suelo se adhiera más al muestreador y después se puede proceder con la extracción. En arenas que se encuentran por debajo del nivel freático se presenta el mismo problema antes mencionado, lo que esto hace necesario utilizar procedimientos especiales si se quiere usar este método, se le tiene que dar a la muestra una cohesión para que la muestra se pueda adherir al muestreador y de igualmente conservar su estructura.

Metodos rotatorios para roca

Cuando en un estudio de mecánica de suelos llegamos o topamos con algún estrato rocoso no podemos traspasarlo con los métodos que anteriormente han sido mencionados, entonces buscamos otros métodos como lo es el rotatorio para roca, con el cual usamos maquinaria perforadoras las cuales usan brocas de diamantes o del tipo cáliz.

Las brocas de diamantes presentan en el inferior se adapta con una broca de acero, el muestreador conoce como corazón, tiene incrustaciones de diamante industrial lo que permite la perforación. La broca de tipo cáliz tiene un muestreador que es de acero y su penetración en el suelo es fácil ya que presenta municiones de acero que se vacían por la tubería hasta la perforación. En las rocas fracturadas puede que estas municiones se pierdan, este tipo de brocas puede realizar perforaciones hasta de tres metros de diámetros y en este caso la maquinaria penetra en conjunto con la broca.

Para saber qué tipo y que material de broca utilizar dependerá del tipo y que tan dura es una roca. En rocas bastante duras lo mejor es usar brocas que presenten incrustaciones de diamantes. En rocas medianamente duras se recomienda usar una broca con incrustaciones de carbono de tungsteno y por ultimo en las rocas más suaves o débiles usamos una broca de acero duro con dientes de sierra. La velocidad a la que rotan las brocas van a variar dependiendo del tipo de broca y de roca que se vaya a perforar pero tiene un amplio intervalo que va desde las cuarenta revoluciones por minuto hasta las mil revoluciones. Podemos decir que la manera de penetramiento puede ser de manera mecánica, donde la velocidad es constante o hidráulica donde pueden variarse las velocidades.

Metodos geofísicos

Los tres métodos que se verán a continuación tienen el objetivo de saber las razones de cambio de las características físicas del subsuelo. Estos métodos son rápidos y nos permiten investigar en áreas de gran tamaño pero presentan la desventaja que no nos dan suficiente información sobre el suelo a diferencia de los métodos anteriores donde podemos calcular la compresibilidad, porosidad, cantidad de agua, entre otros. Con estos métodos solamente realizamos estudios previos, no se deben de utilizar para fines de cimentación.

Método sísmico

El sondeo sísmico tiene como base las propiedades de los materiales que se encuentran en el subsuelo y estos materiales permiten la transmisión de ondas sísmicas conocidas como elásticas. Las ondas sísmicas obedecen a las leyes de refracción las cuales están basadas en los principios de Fermat y Huygens. La teoría de la elasticidad se basa en el estudio de las ondas sísmicas, ya que la velocidad de las mismas dependen de las constantes de los materiales como lo son: el módulo de young, el módulo de rigidez y la relación de Poisson.

El propósito de este método es el conocer la distribución en un determinado espacio, el parámetro de la velocidad de propagación de ondas sísmicas de tal manera de poder indicar la división de un área geográfica especifica, de los materiales que existen en el subsuelo, de igual manera relacionar el parámetro y las condiciones geotécnicas tales como: el fracturamiento, la alteración y la compacidad. Aun sabiendo que los parámetros que se obtienen con este método no son precisos, pudiera ser que el método sísmico no se relacione con la geología del lugar ya que las capas del subsuelo no den una respuesta a cualquiera de las siguientes condiciones: la primera es la velocidad de propagación debe incrementar con la profundidad de las capas. Y la segunda es que una de las capas debe de tener un gran espesor, mayor que la longitud de onda para poder ser detectada

Otro importante detalle es que la distancia de la línea sísmica y esta debe ser al menos tres veces mayor que la profundidad a la cual se desea hacer el estudio.

En cuanto al equipo que se utiliza esta el sismógrafo el cual es un aparato diseñado para poder visualizar en la pantalla toda la información registrada y así poder analizar mejor y rápidamente los datos de las ondas primarias conocidas como longitudinales, entre otras cosas este equipo cuenta con una salida para imprimir los sismogramas por medio de un papel electrosensitivo en donde quedan registrados los datos: tiempo de registro, tiempos de retraso cuando existen, contador de golpes ya que a mayor número de golpes mayor apilamiento de la señal y por último la utilización de filtros y los canales que se utilicen. Así como el valor de las señales a la cual tuvieron que ser ajustadas, para poder lograr una diferencia con el ruido existente en la zona de estudio en el cual puede ser natural y/o artificial y finalmente el valor del tamaño de la traza, la cual se ajusta manualmente para poder asegurar la claridad de las llegadas de las ondas longitudinales.

En el método sísmico lo que se busca es saber cuál es el tiempo mínimo que tardan las ondas en propagarse en el medio, desde el momento en el que se generan mediante una excitación hasta que llega a los diferentes refractores en el subsuelo y hasta que emergen a las superficie donde son detectados mediante geófonos cuya distribución se conoce como tendido sísmico.

Las ondas se generan de manera artificial en lugares estipulados llamados puntos de tiro, dicho efecto se logra con el golpe de un cuerpo pesado sobre una placa colocada en la superficie del terreno, lo cuales están sincronizados con el registro de los detectores. De las diferentes ondas que se generaron, las que tienen importancia son las ondas primarias conocidas como longitudinales.

Los elementos que convierten el movimiento del terreno en una señal eléctrica que se envía al sismógrafo, el cual sabemos que es un dispositivo que amplifica las señales y presenta una grafica, dichos elementos son conocidos como geófonos.

Método de resistividad eléctrica

Los sondeos de resistividad eléctrica usan la electricidad con la cual conocen las características que presentan los materiales que se encuentran en el subsuelo en los métodos eléctricos encontramos la resistividad que es la oposición de los materiales al paso de la corriente eléctrica y por otro lado tenemos la conductividad que permite el paso de la corriente eléctrica a través de los materiales en el subsuelo, estos conducen la corriente eléctrica en forma iónica y electrónica; en el primer caso la conducción se realiza a través de los fluidos contenidos en los poros de la roca y en el segundo caso la conductividad se realiza por medio de los minerales metálicos.

Normalmente se considera que la conducción de la intensidad de corriente en el subsuelo es de manera iónica por esta razón la resistividad depende de las condiciones físicas y químicas de las rocas encontradas en el subsuelo como por ejemplo el grado de saturación, fracturamiento, porosidad, entre otras.

El equipo usado para obtener los datos consta de un receptor, un transmisor, dos carretes con sus cables y unos electrodos de metal. El receptor es ligero y tiene una pantalla en la cual se pueden ver las mediciones de los voltajes de las baterías se observa el potencial natural y el voltaje primario. El transmisor genera corriente continua y manda las lecturas de corriente a una pantalla la cual tiene varias escalas de corriente con un sistema que permite medir la resistencia del terreno para poder seleccionar de forma adecuada las escalas de voltaje y la intensidad de corriente.

Los electrodos de potencial y de intensidad de corriente son colocados en la superficie del terreno para realizar la lectura de la diferencia del campo potencial y el de la intensidad de corriente que circula en el subsuelo. Con los valores de voltaje, intensidad de corriente y el factor geométrico que es el que relaciona la distancia entre los electrodos, con estos datos se puede calcular la resistividad aparente. Para realizar cada medición se incrementa la distancia entre los electrodos de la intensidad de corriente pero cuando los valores de la diferencia de potencial resultan ser muy pequeños hay que aumentar la separación entre los electrodos, debiéndose tomar al menos una lectura de datos con dos diferentes posiciones de electrodos de potencial y una sola con la posición de electrodos de intensidad de corriente a dicho proceso se le conoce como traslape.

En términos generales se puede decirse que la finalidad del método de resistividad eléctrica es la de inferir las estructuras del subsuelo, para conocer los parámetros del corte geoeléctrico es decir los espesores y resistividades.

Metodos magnéticos y gravimétricos

En este método al igual que los anteriores en cuanto a su propósito la diferencia se encuentra en el equipo, el este caso método magnético se utilizara un magnetómetro, con el cual podemos conocer el campo magnético que se encuentre en la zona que se delimita por las estaciones receptoras. En cuanto al método gravimétrico se mide el campo gravimétrico en diferentes puntos del terreno. Para poder interpretar los resultados podemos establecer que si los valores, del método que usemos, entre mas alto sea el valor registrado quiere decir que existe un estrato rocoso en el área estudiada. si no es así quiere decir que en el área existen masas ligeras o cavernas . Aun así se requiere la ayuda de un experto porque la interpretación de los resultados es muy complicada.

Véase también

• Ingeniería geotécnica
• Ingeniería civil