MECANICA DE SUELOS

MECANICA DE SUELOS1

INTRODUCCIN

La importancia del estudio de los SUELOS en las diversas ingenieras tales como: CIVIL, AGRICOLA, AGRONOMA, GEOLOGICA Y OTRAS, hace que se desarrolle una rama dedicada exclusivamente al estudio de esto, llamada MECANICA DE SUELOS encargada de estudiar las diferentes cargas que son impuestas a la superficie de la capa terrestre ya sea por un edificio, puente, carretera, dique entre otras obras de ingeniera.Asi como tambin el estudio y clasificacin de los suelos, determinando sus caractersticas y propiedades (fsicas y qumicas). Estudia las condiciones en las que un suelo debe de estar para soportar la carga que se le apliquen, su estabilidad del mismo y comportamiento funcional. Asi como tambin en un inicio mencionamos las fuerzas que actan sobre el suelo, tambin mencionaremos los esfuerzos y deformaciones que producen sobre estos mismos.En este trabajo veremos el comportamiento de las arcillas, un tipo de suelo muy especial, el cual tiene una estructura qumica un tanto compleja, que la explicaremos a continuacin.

MARCO TEORICO

LAS ARCILLASLasarcillasson un tipo de suelo oroca sedimentariaconstituido por agregados desilicatosdealuminiohidratados.En su aspecto primario, las partculas de arcilla se componen de la asociacin de varias lminas apiladas, las cuales forman agregados irregulares, tal como se presenta en la figura 3.

A gran escala, cada lamina posee una elevada relacin de aspecto, alrededor de 100 a 200 nm de longitud y 1am de espesor, con lo cual se logran alcanzar altos rendimientos en comparacin con otras arcillas.

ESTRUCTURA

Los filosilicatos, como todos los dems grupos de silicatos, estn constituidos por una unidad estructural Si-O que es un tetraedro de coordinacin con el Si en el centro y cuatro oxgenos en cada uno de los vrtices del tetraedro. Los tetraedros son pirmides de base triangular, con todas sus caras iguales, (cuatro tringulos equilteros).El tetraedro Si-O se encuentra elctricamente descompensado (el Si aporta cuatro cargas positivas frente a la ocho negativas de los cuatro oxgenos de los vrtices), por lo que ha de unirse a otros cationes para neutralizar las cargas. En estas estructuras cada vrtice de la cara basal pertenece a dos tetraedros vecinos (cada oxgeno se coordina a dos silicios), dando una capa de tetraedros.

Los tetraedros, en el caso de los filosilicatos, comparten su vrtice superior con un octaedro de coordinacin, con Al y/o Mg en el centro y O y/o OH en los seis vrtices. Los octaedros son bipirmides con su plano ecuatorial cuadrado y todas sus caras tringulos equilteros iguales.

Los octaedros en estas estructuras se disponen apoyados en una de sus caras.Estos octaedros se encuentran tambin descompensados elctricamente (dos cargas positivas si el catin octadrico es el Mg o tres si se trata de Al, frente a las 12 posibles cargas negativas que pueden aportar los seis vrtices). Para neutralizarse se comparten entre s sus vrtices formando una capa de octaedros (adems se unirn a los silicios de la capa tetradrica).

Las capas de tetraedros y octaedros se acoplan dando lminas que al repetirse forma la estructura cristalina.

CAPAS O LAMINASCAPA TETRAEDRICAEsta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla considerndola como un conjunto de tomos dispuestos en planos paralelos, que podemos suponer horizontales (001). En estos planos los tomos tendrn siempre simetra hexagonal, o ms precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia arriba):

Plano 1. Plano basal de los tetraedros.Est formado por un conjunto de tomos de O.

En la red hexagonal (seguiremos llamndola hexagonal, para simplificar, aunque ya sabemos que en realidad es ditrigonal) aparecern huecos (posiciones no ocupadas por O) por exceso de cargas negativas (gobernadas por los cationes que se siten en el plano inmediatamente superior).

Plano 2. Plano de los cationes de Si del centro de los tetraedros.Se colocan en el hueco que dejan cada tres O. Se disponen formando tambin una malla de anillos hexagonales.

Esta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla considerndola como un conjunto de tomos dispuestos en planos paralelos, que podemos suponer horizontales (001). En estos planos los tomos tendrn siempre simetra hexagonal, o ms precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia arriba):

Plano 3. Plano de O y de OH compartidos por tetraedros y octaedros.Los O se sitan justo encima de los Si, del plano 2, terminando de ocupar el hueco que dejan los O del plano basal (plano 1). Estos tres planos forman la capa tetradrica. Los O del plano 3 ocupan el vrtice superior de los tetraedros y se unen a un Mg y/o Al octadrico formando parte del plano inferior de los octaedros. Algunos de los vrtices de este plano basal de los octaedros no tienen debajo ningn Si tetradrico por lo que para compensar su carga se une a un H formando un grupo OH. Por tanto los iones que componen este plano se comparten entre los tetraedros y los octaedros (es a su vez el plano superior de los tetraedros y el inferior de los octaedros). Los O de este plano quedan coordinados por abajo al Si de la capa tetradrica y por arriba al Mg/Al de la capa octadrica.

En este plano se encuentran ocupados todos los nudos de la red hexagonal.Los tetraedros de este plano 3 son elctricamente neutros. Efectivamente, en el interior el Si aporta 4 cargas positivas y los oxgenos, al compartirse con otros tetraedros (plano basal) y octaedros (plano superior), aportan slo una de sus dos cargas, con lo que tendremos en los vrtices 4 cargas negativas.

CAPA OCTAEDRICAPlano 4. Plano central de los octaedros(que en estas estructuras se consideran apoyados sobre una de sus caras, con su eje principal, eje cuaternario, inclinado). Est constituido por los Mg o Al que se sitan en los huecos que dejan cada tres O y/o OH del plano 3. Si se trata de Mg se ocupan todas las posiciones, pero si el catin octadrico es el Al, por su mayor carga (+++ frente a las ++ del Mg) quedan posiciones vacas en la red. Se ocupan, concretamente dos de cada tres posibles y a esa capa se le llama dioctadrica. A la capa magnsica se le llama trioctadrica, al ocuparse tres nudos de cada tres posibles. Al igual que en el resto de los planos de estas estructuras los Mg y Al se distribuyen en redes hexagonales.

Plano 5. Plano superior de los octaedros.Constituido por O y OH formando la cara superior de los octaedros. Plano compacto, con todos los nudos de la red hexagonal ocupados.

Como ocurra con las capas tetradricas, las octadricas tambin son elctricamente neutras. De las dos cargas de los oxgenos de los vrtices slo una se comparte con el catin octadrico (Mg o Al), la otra carga se comparte con el silicio tetradrico de la capa inferior y si no se une a este catin en ese vrtice en vez de haber un oxgeno hay un grupo OH (por tanto con slo una carga negativa). Si el catin octadrico es el Mg (++) los vrtices del octaedro deben proporcionar un total de dos cargas negativas y para ello cada vrtice se comparte entre tres Mg (pertenece a tres octaedros), de esta manera cada vrtice aporta un tercio de carga y como hay seis vrtices tendremos un total de dos cargas negativas por octaedro. En el caso del Al (+++) se necesitan tres cargas negativas en el octaedro y para ello ahora los vrtices se comparten entre slo dos octaedros (cada vrtice aporta 1/2 de carga y como hay seis, pues 6 x 1/2 = 3).

CAPAS TETRAEDRICAS FRENTE A LAS OCTAEDRICASLa disposicin de los iones en tetraedros y octaedros parece algo complicado, pero en la realidad es el simple resultado de un empaquetamiento de esferas iguales en tres planos ocupando el mnimo espacio.

La distribucin de tomos en redes hexagonales es simplemente el resultado del empaquetamiento de tomos iguales para ocupar el mnimo espacio. Por tanto para obtener un plano de simetra hexagonal basta con introducir bolas iguales en un recipiente plano y apretarlas (al moverlas ellas mismas se acoplan dando una simetra hexagonal).

Para construir este apilamiento se parte de una esfera y se va repitiendo formando una hilera. Luego se acoplan hileras paralelas y equidistantes de manera que se ajusten entre los huecos (desplazadas media esfera). De este modo se forma un plano de simetra hexagonal.

Apilando planos de esferas de simetra hexagonal se origina la estructura. Al plano basal (con huecos, formando anillos hexagonales) se le acopla otro plano compacto (con todos los nudos de red ocupados). Ambos planos se encuentran ligeramente desplazados y girados 60 grados, para que los tomos se acoplen en los huecos. Estos planos estn constituidos por aniones de O y OH y se unen por los cationes coordinantes que se sitan en un plano intermedio y segn donde se coloquen aparece la coordinacin tetradrica o la octadrica.En la Naturaleza es frecuente que los dos primeros planos de aniones O y/o OH queden unidos por un catin tetradrico, como es el caso del Si, y encima se site otro plano de OH con un plano intermedio de cationes octadricos (de Mg o de Al) que los une.De lo anteriormente se deduce que los filosilicatos pueden ser considerados como un empaquetamiento de iones O que engloban a diversos cationes (Si, Al, Mg y H), concepto que puede ser aplicado a la Tierra en su conjunto.En resumen, a estructura se origina por un apilamiento de planos paralelos con simetras hexagonales, alternando los planos de aniones (O y OH) y los de cationes (Si, Al y Mg).

UNPRG FICSA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL Pgina 11