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Mecnica de Suelos.

1991

Luis Marn Nieto Profesor de Mecnica de Suelos de la Escuela de Ingeniera Civil, Facultad de Ciencias Matemticas y Fsicas, Universidad de Guayaquil

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Mecnica de Suelos

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio o sistema sin previo

consentimiento del autor. Derechos Reservados. Queda hecho el depsito que manda la ley. Quinta Edicin

corregida y aumentada.

Portada Jos Enrquez Jos Loor

Ilustraciones Fernando Nez Sandra Villao

Diagramacin: Catalina Ochoa

Diseo Grfico Leonardo Tapia

Lev. de Texto Lcda. Celeste Ruiz

Arte Final Csar Ocampo Edison Parrales

Editado por UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL VICERRECTORADO ACADEMICO

Ab. Alba Chvez de Alvarado VICERRECTORA

ISBN - 9978-59-001-3

RESPONSABLE DE LA EDICION Lcda. Mara Coloma Montenegro

Copyright 1991. Luis Marn Nieto

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PROLOGO A LA QUINTA EDICION

Desde la Primera Edicin del Libro de MECANICA DE SUELOS a fines de 1969, la Ingeniera Civil ha sufrido un impulso gracias a nuevos materiales, equipos de construccin e investigacin aplicada, as como por la simplificacin de complejos problemas tericos que se van resolviendo con las nuevas generaciones de ordenadores electrnicos. Los requerimientos de divisas para el pago de la deuda externa ha extendido las reas de explotacin de los recursos naturales, lo que ha demandado transferencia tecnolgica localizada a ciertas reas. Como consecuencia de aquello, se ha agravado el impacto sobre los ecosistemas, complicando las condiciones de vida de la poblacin. En este mundo de avances y frustraciones para el progreso nacional, la enseanza de la Mecnica de Suelos, la Geologa Aplicada y los diversos campos de la Ingeniera Civil como Hidrulica, Cimentaciones, Estructura, Ingeniera Vial y Sanitaria, deben contribuir al ordenamiento y mejor utilizacin de los recursos en beneficio del hombre y su entorno natural. Por esa razn hemos mejorado el material de MECANICA DE SUELOS, reiterando la advertencia original de que la obra solamente pretende ser una ayuda para el alumno y el profesional, debiendo consultarse otras obras especializadas para los problemas complejos e interdisciplinarios.

En este contexto, se han introducido algunas clasificaciones geomecnicas de varios autores aplicables a las rocas, de mucha utilidad para el diseo y construccin de tneles y obras hidrulicas, criterios para la mejor comprensin de la estabilidad de taludes, as como mayores definiciones en la caracterizacin de suelos especiales, como los llamara Terzaghi, que cubren nuestro pas y el resto de los territorios tropicales y subtropicales del mundo. Se incluyen nuevos criterios para diseos de cimentaciones, sobre terrenos expansivos, as como mayor informacin sobre la caracterizacin de aquellos.

No quisiera terminar sin agradecer, en primer lugar a la Universidad de Guayaquil y a mi Facultad que hicieron posible esta V Edicin, en forma particular al Vice-Rectorado Acadmico y su Coordinacin de Publicaciones, y, en especial, a mis alumnos quienes me motivaron para la revisin y ampliacin del material que contiene la V Edicin.

Guayaquil, Enero de 1991.

El Autor

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INDICE

CAPITULO I INTRODUCCION 1.- La Mecnica de Suelos en la Ingeniera Civil. 2.- Generalidades sobre la Geologa del Occidente Ecuatoriano. 2.1.- Breve Glosario Geomecnico: 2.1.1.- Tipos de Rocas de acuerdo a sus propiedades Fsicas y Mecnicas: Coeficiente de Protodjakonov; 2.1.2. ndice de calidad de las Rocas (R.Q.D); 2.1.3.- Clasificacin de Barton; 2.1.4. Clasificacin de Terzaghi; 2.1.5.- Parmetros Geofsicos. 3.- Geologa del rea Metropolitana de Guayaquil.

Pg. 7

CAPITULO II PROPIEDADES DE LOS SUELOS 1.- Origen de los suelos. 2.- Granulometra y Plasticidad. 3.- Caractersticas Especiales de los Suelos: Sensibilidad, Expansin, Suelos Colapsivos, Dispersin, Suelos Laterticos, Suelos Tubificables, Licuacin, Erosividad.

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CAPITULO III RELACIONES VOLUMETRICAS y GRAVIMETRICAS 1.- Peso Especfico. 2.- Porosidad, Relacin de Vacios y Saturacin. 3.- Diferentes expresiones.

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CAPITULO IV CLASIFICACION DE LOS SUELOS 1.- Diferentes Sistemas de Clasificacin. 2.- Importancia de los Sistemas de Clasificacin. 3.- Clasificacin AASHO Modificado (AASHTO). 4.- Sistema Unificado de Clasificacin de Suelos de Casagrande (SUCS). 5.- Uso de los Sistemas de Clasificacin en diversos problemas de Ingeniera.

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CAPITULO V ESFUERZOS DEBIDOS A LA MASA DEL SUELO 1.- Interaccin entre las fases del Suelo. 2.- Esfuerzos Geostticos: Esfuerzo Total, Vertical y Horizontal. 3.- Concepto de la Presin Hidrosttica de Poros y del Esfuerzo Efectivo. 4.-Representacin y aplicacin del concepto de Esfuerzos en la solucin de problemas de Ingeniera. 5.- Clculo y dibujo del Diagrama de Esfuerzo Horizontal y Vertical Efectivos y Totales.

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CAPITULO VI PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS SUELOS 1.- Capilaridad. 2.- Ley de Darcy. 3.- Aplicacin de la Ecuacin de Conservacin de la Energa en los Suelos: Carga Total, Carga de Elevacin, Carga de Presin. 4.- Determinacin de los Esfuerzos Efectivos en el Suelo con el agua en movimiento. 5.- Fuerza de Filtracin y Gradiente Crtico. 6.- Permeabilidad en el Campo.

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CAPITULO VII FLUJO DE AGUA EN LOS SUELOS 1.- Ecuacin General. 2.- Redes de Flujo Bidimensionales, con condiciones de Fronteras Simples. 3.- Redes de Flujo Bidimensionales en un medio no Homogneo. 4.- Aplicacin a Estructuras Hidrulicas. 5.- Tubificacin. 6.- Flujo en las Presas Homogneas. 7.- Filtros y Drenes.

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CAPITULO VIII ESFUERZOS PRODUCIDOS EN EL TERRENO POR LAS CARGAS APLICADAS 1.- Esfuerzos en la Solera de la Cimentacin. 2.- Zapata sujeta a Momentos en dos direcciones. 3.- Cargas transmitidas a los Pilotes. 4.- Esfuerzos Inducidos en la Masa del Suelo: 4.1.- Introduccin; 4.2.- Teora de Boussinesq; 4.3.- Esfuerzos debidos a una superficie cargada; 4.4.- Diversas soluciones.

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CAPITULO IX ESTADO DE ESFUERZOS 1.- Generalidades. 2.- Solucin de Mohr del Estado de Esfuerzos. 3.- Teora del Polo y Esfuerzos Conjugados.

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CAPITULO X COMPRESIBILIDAD 1.- Introduccin. 2.- Relaciones Esfuerzo - Deformacin. 3.- Teora de la Consolidacin. 4.- Anlisis de los Asentamientos de acuerdo a la Teora Elstica. 5.- Clculo de Asentamientos de acuerdo a la Teora Elstica. 6.- Suelos Normalmente Consolidados y Preconsolidados.

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CAPITULO XI ESFUERZO CORTANTE EN LOS SUELOS 1.- Introduccin. 2.- Resistencia al Corte en Arenas. 3.- Resistencia al Corte Directo en Arcillas. 4.- Ensayos Triaxiales. 5.- Algunos Parmetros de Resistencia al Corte.

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CAPITULO XII EMPUJES DE TIERRA 1.- Estado de Reposo, Activos y Pasivos. 2.- Estabilidad de Pendientes. 3.- Estados de Equilibrio de Rankine. 4.- Empujes de Tierra en Muros Rugosos. 5.- Entibamientos y Tablaestacas.

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CAPITULO XIII ESTABILIDAD DE TALUDES 1.- Introduccin: Fundamentos, Modelos Geodinmicos, Descripcin de los Modelos de Movimientos de Taludes: A.- Flujo; B.- Deslizamientos; c.- Escurrmientos; D.- Derrumbes. 2.- Mtodo de Fellenius. 3.- Diversas Aplicaciones: Mtodo del Bloque Deslizante; Nmero de Estabilidad.

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CAPITULO XIV CAPACIDAD DE CARGA DE LOS SUELOS 1.- Introduccin. 2.- Falla Local y General. 3.- Asentamientos Permisibles. 4.- Capacidad de carga en Suelos Cohesivos y Friccionantes. 5.- Capacidad de Carga de Pilotes.

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CAPITULO XV FUNDACIONES 1.- Introduccin. 2.- Eleccin del Tipo de Fundacin. 3.- Fundaciones Superficiales. 4.- Fundaciones Profundas. 5.- Fundaciones Compensadas. 6.- Fundaciones Especiales: Socavacin de puentes; Fundaciones sobre terrenos expansivos.

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CAPITULO XVI TERRAPLENES 1.- Introduccin. 2.- Tipos de Compactacin de Suelos y Rocas, Terraplenes de Presas y Caminos. 3.- Prstamo, Mtodos de Exploracin.

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CAPITULO I

INTRODUCCION 1.- LA MECANICA DE SUELOS EN LA INGENIERIA CIVIL

La Mecnica de Suelos analiza las caractersticas de los diferentes tipos de suelos en funcin de otros factores como carga y tiempo y suministra al ingeniero los medios para evaluar su comportamiento que aseguren la estabilidad de las estructuras. En todos los problemas de la ingeniera prctica, el suelo es un factor que siempre ha tenido que ser tomado en cuenta, sea como soporte de fundaciones, sea como material de construccin o, en todo caso, como medio o liga entre el agua y las estructuras. Pero no solamente el conocimiento de la Mecnica de Suelos es suficiente para poder obtener los datos que resuelvan los problemas, la Mecnica de Suelos por si sola no sirve de gran ayuda al ingeniero.

Si aceptamos los conceptos intuitivos de peso, movimiento, etc. podemos a continuacin comprender la forma tan asidua en que la Mecnica de Suelos sirve en los problemas de la Ingeniera Civil.

Todas las estructuras y obras que el hombre construya, deben ser cimentadas sobre suelo o roca o a travs de unos de ellos; as, los edificios, las carreteras, los muros, las presas, los tneles, etc., son construidos en contacto con los suelos o las rocas.

Entre los diferentes tipos de fundaciones tenemos aquellas llamadas superficiales y profundas.

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Cuando el suelo donde se va a cimentar es resistente, generalmente construimos el edificio

sobre l. En el caso de la Fig. 1 a., el suelo resistente se encontr a poca profundidad, donde el costo de la excavacin es muy pequeo en relacin al del edificio. Este es el caso de las cimentaciones superficiales.

En la Fig. 1b, el suelo resistente se encontr a mucha profundidad, por lo que siendo el costo de las excavaciones muy alto en relacin al del edificio, se tom como solucin ms econmica transmitir el peso del edificio a la capa de suelo firme mediante pilotes.

En ambos casos, el problema que queda pendiente es saber cunto se hundir o se asentar el edificio, de tal forma que no produzca agrietamientos de las paredes, inclinaciones peligrosas del edificio que, no solamente obligarn a ser reparados, sino que alcancen una gravedad tal que el costo sea muy alto, sea para repararlo o para volverlo a su posicin original.

Por otro lado, en el caso de la cimentacin superficial es importante saber a qu profundidad debemos excavar para alcanzar el suelo resistente y en el otro caso, de qu longitud sern los pilotes para que la estructura sea soportada en la capa resistente. Otros problemas que el ingeniero deber resolver sern por ejemplo: qu cantidad de agua deber ser bombeada de las paredes de las excavaciones o, si este trabajo no ocasionar derrumbes de las paredes de la excavacin. As mismo en ambos casos, de cimentaciones, el ingeniero tendr que saber si la construccin del edificio no causar problemas a los edificios vecinos. En el caso de las cimentaciones profundas tambin debe decidir

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previamente sobre el dimetro, longitud y material de los pilotes, as como la manera que ellos deban ser introducidos o colocados en su sitio.

Pero no todos los suelos resistentes son confiables. Ocurre, sobre todo, en la Costa

Ecuatoriana y en algunas zonas de la Sierra y Oriente, que existen suelos resistentes y cuando se humedecen se expanden, generando durante la expansin, fuerzas muy grandes que pueden levantar, sea los edificios con fundaciones superficiales o con fundaciones profundas. Estos levantamientos no son iguales sino desiguales, los que ocasionan asimismo agrietamientos de las paredes, pisos o tumbados, que pueden llegar a ser de tal gravedad que el edificio tenga que ser necesariamente abandonado.

La Mecnica de Suelos en este caso permite no slo descubrir estos suelos peligrosos, sino

evaluar las fuerzas con que ellos se expanden, de tal manera que el ingeniero pueda tomar decisiones respecto a su cimentacin.

Pero el suelo no siempre es el soporte de la estructura sino que tambin sirve para construir

terraplenes de carreteras, presas, dique, etc. Los suelos como material de construccin pueden ser permeables o impermeables, es decir, que dejan filtrar el agua con facilidad o con mucha dificultad. Pueden ser tambin los suelos, una vez trabajados, de poca resistencia o de gran resistencia. Si por ejemplo vamos a construir una presa (Fig. 2a) para almacenar agua, debemos saber qu materiales vamos a colocar en ella y en qu sitio vamos a ubicar para que el agua de ese embalse no se nos escape o que por el exceso de filtracin se destruya la presa. Tambin debemos saber si la resistencia de esos suelos es tal que no se derrumbe la presa, o, en el caso de la carretera, por exceso de trfico o de la humedad circundante, no se produzcan hundimientos de la superficie que destruyan el pavimento.

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Pero en el caso de las presas tambin es importante saber como vamos a colocar el material y

hasta que punto lo vamos a apisonar mecnicamente para lograr una mejor resistencia. Otra pregunta que debemos hacemos es la cantidad de filtracin que deber presentarse luego de construida la obra, o si esa filtracin no va a ser perjudicial para la estabilidad de la misma.

En las construcciones civiles tambin debemos cortar cerros para el paso de carreteras o canales. Ocurre a menudo que estos cortes o taludes sufren deterioro con el tiempo o simplemente fallan, sobre todo, en conexin con la poca de lluvias. La Mecnica de Suelos permite al ingeniero establecer los ngulos de los taludes que los estabilicen relativamente, sin que ocasionen problemas o que tengan un costo de mantenimiento relativamente bajo.

Los muros son otro tipo de obras que el ingeniero construye para contener rellenos, generalmente en malecones o en zonas topogrficamente accidentadas. La Mecnica de Suelos nos permite evaluar la fuerza con que esos rellenos empujan a los muros, de acuerdo a su calidad y a su dimensin, de tal manera que el ingeniero pueda disear el espesor de estos muros, as como la calidad de sus materiales. En los malecones de ros o de puertos sin embargo, la construccin de muros de hormign es ms complicada, por lo que corrientemente se hincan planchas metlicas alargadas, llamadas tablestacas, a cierta profundidad, (fig.2 b), hasta alcanzar una longitud tal que permita su estabilidad debido al empuje de los materiales que estn del lado de la tierra; sin embargo, estas tablestacas normalmente requieren ser ancladas para no permitir movimientos peligrosos cuando los rellenos del lado de la tierra han sido construidos. El ingeniero mediante la Mecnica de Suelos, puede determinar la longitud confiable de estas tablestacas, su tipo, as como las dimensiones y calidad de los anclajes.

Hay muchos problemas ms que el ingeniero solamente pueda resolverlos con el conocimiento claro de la Mecnica de Suelos. Sin embargo, el conocimiento de la Mecnica de Suelos no es suficiente. Es necesario conocer los mtodos de exploracin, la Geologa Aplicada y sobre todo tener antecedentes de como se comportaron los suelos en contacto con otras estructuras y estudiar las diferentes alternativas o soluciones para que la obra, siendo estable, resulte econmica y construble, de acuerdo a los recursos con que se disponen en la zona. 2.- GENERALIIDADES SOBRE LA GEOLOGIA DEL OCCIDENTE ECUATORIANO.

Originalmente se supone que la Costa Occidental de Sudamrica, corresponda al borde occidental del Planalto Brasileo. Posteriormente se fueron plegando, por efecto de compresin, dichas rocas, dando lugar sucesivamente a las cordilleras de Los Andes, las cuales en el Ecuador, de Este a Oeste, se suceden las edades ms antiguas. Este fenmeno ha sido explicado modernamente por la teora de las placas, segn la cual los continentes son cuerpos que se mueven sobre la masa viscosa de la tierra. As la llamada Cordillera Oriental est constituida por pizarras paleozoicas, fundamentalmente, y la Cordillera Occidental, por rocas bsicas Cretsicas.

En la Costa del Ecuador aparece el Cretsico localizado en el ncleo sur de la Cordillera Chongn-Colonche, aunque algunos autores suponen ms antigedad a algunos afloramientos tales como los Cerros de Taura, Samborondn, etc. De todos modos las formaciones montaosas de la Costa Ecuatoriana corresponde fundamentalmente al Terciario.

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Debe suponerse entonces que al final del Cretsico, lo que es hoy, la Costa del Ecuador estaba

constituida por un mar con islas correspondientes a las rocas Cretsicas. La costa de este mar corresponda a la cordillera Occidental de los Andes.

Posteriormente, emergieron del mar los sedimentos Terciarios, los cuales por sucesivos plegamientos y levantamientos formaron una meseta peninsular paralela a la Cordillera de los Andes, y que luego por procesos orgnicos dio lugar a las Cordilleras de la Costa Ecuatoriana. Entre stas y los Andes qued un gran mar interior hacia el final del Terciario.

Hace pocos miles de aos este mar interior se fue rellenando por sendimentos originados tanto de desgaste de los Andes como de la erosin de las rocas Terciarias de la Costa.

Este mar interior, ocupa hoy principalmente una gran extensin de la denominada Cuenca del Guayas, cuyo aliviadero antiguo corresponde a los plegamientos hundidos de Guayaquil y Durn, a partir del cual hacia el Sur, en el Golfo de Guayaquil, se produce un proceso similar tendiente a rellenar el Golfo con sedimento, ganando de esta forma tierras al mar.

Al final del Terciario parece haber ocurrido un proceso volcnico que dio lugar a la aparicin de rocas extrusivas como se observa en los afloramientos de Jama, Montecristi, etc.. Consecuentemente son comunes algunas formaciones compuestas de conglomerados de gravas de origen gneo y otras rocas bsicas, asociadas con areniscas y rocas arcillosas (lutitas) del Terciario.

En la edad reciente, es decir el Cuaternario, se fueron erosionando y rellenando los valles inicindose el proceso que da lugar a las formaciones Recientes de la Costa.

Las rocas Cretcicas y Paleozoicas generalmente andesitas, pizarras, rocas porfiricas y diabsicas fueron cubiertas en el Cuaternario por una toba losica volcnica, llamada Cangahua y compuesta de arenas silicosas ligeramente cementadas, compactas y asociadas a depsitos de cenizas y otras tobas, en el Valle Interandino.

Particular importancia tiene una formacin llamada Tablazo en la Costa, la cual est constituida por un tipo de conglomerado de conchas y arenas cementadas con sales de calcio. Este horizonte, el cual se presenta a varios niveles en algunos lugares, nos da una idea del mar reciente, cuyo fondo, por levantamiento, constituye actualmente la formacin del Tablazo. Estas rocas tienen mucha importancia debido a la porosidad que le permite almacenar una gran cantidad de agua lluvia por Filtracin. El Tablazo se lo observa en la Pennsula de Santa Elena, particularmente en la Puntilla los cerros al Norte de Santa Elena, la Costa de Chanduy, Manta, etc..

Al principio del Cuaternario la Costa del Ecuador, estaba constituida por una especie de meseta con dos vertientes, una hacia el Daule y otra haca el Pacfico. Debido a la agresividad de los agentes atmosfricos y la poca resistencia de los sedimentos del Terciario, se fueron formando los Valles que siguen una direccin aproximadamente hacia el Este y hacia el Oeste. En algunos lugares al exponerse los sedimentos menos resistentes a la accin del agua, fundamentalmente, origin deslizamientos de gran extensin, los cuales an se pueden observar, teniendo muchos de ellos centenas de metros de dimetro, caso del Valle del Pajn, etc.. Estos grandes deslizamientos y la

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continua erosin provocada por fuertes precipitaciones fueron a su vez cambiando la constitucin de los valles costeos, y consecuentemente ganando tierras al mar.

El proceso de erosin de la meseta de la costa y el desgaste de las rocas Cretcicas de la

Cordillera Occidental, asimismo fue rellenado el mar Reciente ocupado hoy por el rea al Sur de las lomas de Balzar. A medida que se fue rellenando esta gran depresin se fue estableciendo el sistema hidrogrfico comprendido entre los ros Daule y Babahoyo, as como la faja costera al oriente del ro Guayas y que limita al sur con el ro Santa Rosa, en la provincia de El Oro.

Este proceso de sedimentacin reciente ha dado lugar a potentes estratos de materiales de

diferente graduacin predominando en cada caso, segn su localizacin geogrfica, los sedimentos permeables y los sedimentos impermeables. En algunos lugares la graduacin de estos materiales se alterna segn la historia hidrolgica de la zona de la Cuenca.

As se observan sedimentos recientes constituidos por gravas arenas y arcillas, solos o

mezclados hasta profundidades mayores de 50m. Otras veces los sedimentos finos y muy finos se alternan dando lugar a formaciones laminares de pocos milmetros de espesor. El proceso de sedimentacin avanza lenta pero inexorablemente hacia el Golfo de Guayaquil y hacia las pequeas bahas como la de Carquez, etc..

La serie de levantamientos y plegamientos de la faja costanera del Ecuador durante la poca

reciente ha dado lugar a una geologa compleja, la cual se agrava en muchos lugares por el proceso de erosin y movimientos de deslizamientos de las montaas.

Empero debemos de aclarar que las caractersticas de nuestras rocas de Terciario son

predominantemente las de una roca blanda, fcilmente intemperizable, de poca resistencia a la erosin y al desgaste. La matriz predominante de estos sedimentos est constituido por arcillas y arenas muy finas, lo que da una caracterstica de semimpermeable e impermeable, de lo cual se desprende su escasa capacidad de almacenamiento de agua fretica, por lo menos a profundidades econmicas.

A excepcin hecha de la formacin Tablazo, sus secuencias derivadas de algunas areniscas,

los depsitos de agua subterrnea se localizan fundamentalmente en el fondo de valles rellenados en pocas recientes.

Las caracterstica fsico-qumicas de algunas rocas del Terciario en correspondencia con su

proceso geolgico, ha hecho, que muchos depsitos de aguas freticas, estn fuertemente contaminadas de sales, particularmente de calcio y sodio, lo que da un sabor fuertemente salina del agua. Esta caracterstica se observa en el corto estiaje de algunos ros de la costa, donde se concentran las sales disueltas por infiltracin, dando lugar a pequeos riachuelos de agua salobre localizados particularmente en Manab.

Los sedimentos arcillosos del terciario se presentan con alta resistencia a la compresin, sin

embargo, se comportan muy dbiles una vez saturados debido a fuerzas Internas que por efectos del cambio de humedad tiende a destruir toda su resistencia al esfuerzo cortante. La fuerza interna tpica de estas arcillas es la expansin.

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Las areniscas y las rocas Cretsicas en cambio son ms resistente y son rocas inertes con poco

o ningn cambio de sus resistencia por los cambios en el contenido de humedad. La excepcin hecha de estas rocas son las areniscas blancas y algunas margas que afloran en ciertos lugares. De toda forma afloramientos superficiales de rocas areniscas se observan principalmente en los cerros de la pennsula de Santa Elena y en algunos valles de las montaas de Balzar y del Suroeste de Manab; en general, las areniscas afloran en forma de pequeas vetas muy plegadas o en asocio con arcillas en formaciones derivadas.

Esta es la razn por lo que en general en la costa del Ecuador se nota una ausencia de materiales de poco desgaste para construccin y explotables en forma econmica. De acuerdo con esto puede sostenerse que gran parte del desarrollo urbano de Guayaquil se debe a la distancia ptima de excelentes canteras de rocas Cretsicas y Terciarias, que con la denominacin genrica de cascajos se han rellenado los manglares y pantanos ocupados hoy por la ciudad. En contraposicin de esto podemos citar el caso de que la ausencia aparente de arenas resistentes en Manab ha obligado a llevarla en algunas ocasiones desde Yaguachi en una distancia superior a 150 Km.

Grandes depsitos de gravas y cantos rodados se encuentran, en cambio, en los ros Daule y Peripa al norte del pueblo de Pichincha. As mismo los ros que nacen en la Cordillera de los Andes son fuentes tradicionales de agregados.

2.1. BREVE GLOSARIO GEOMECANICO.

Considerando de inters para la prctica de Ingeniera, a continuacin se muestra algunas propiedades geomecnicas de las rocas y mtodos para determinar otros parmetros.

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2.1.1. TIPOS DE ROCAS DE ACUERDO A SUS PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS.

En la siguiente tabla, debida a Hobst y Zajic (Anchoring in Rock, Elsevier, 1957) se establecen los principales parmetros geomecnicos para las rocas duras y blandas que puede servir de referencia, en la que se incluye el coeficiente de Protodjakonov (1907).

TABLA I ROCAS DURAS Y BLANDAS

I Valores de M.M. Protodjakonov CLASE TIPO q E

fp 0p

ROCAS DURAS a) Metamrficas e gneas

sanas 1 b) Sedimentaria sana y potente

ms de 600 5.000 a 50.000 20 al 10 90 a 82

a) Metamrfica e gnea parcialmente meteorizada

b) Sedimentaria potente parcialmente meteorizada.

2

c) Sedimentaria sana y lajeada.

ms de 150

1.000 a 20.000 8 a 6 80 a 75

a) Metamrfica parcialmente meteorizada.

b) Sedimentaria potente meteorizada.

c) Sedimentaria parcialmente meteorizado lajeada.

3

d) Sedimentaria sana poco potente

ms de 100 500 a 5.000 5 a 4 70

a) Sedimentaria, Meteorizada, lajeada.

4 b) Parcialmente meteorizada poco potente.

ms de 100 300 a 1.000 2 65

ROCAS BLANDAS 5 Solidificada Sana 20 a 100 500 a 1000 3 a 2 60 a55

6 Parcialmente Meteorizada medio Solidificada 10 a 20 300 a 500 3 a 2 60 a 55

7 Meteorizada poco solidificada 3 a 10 200 a 300 3 a 2 60 a 55 q = Resistencia a la compresin simple Kg./cm2 E = Mdulo de Young Kg./cm2 FP = /100 Coeficiente de Protodjakanov adimensional. Se obtiene de la resistencia cbica de la roca

(Kg./cm2). Se reduce por el grado de fisuracin y meteorizacin. P = Angulo de friccin interna de la roca.

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2.1.2. INDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS R.Q.D. (ROCK QUALITY DESIGNATION)

Entre otros ndices para determinar la calidad de la roca, existe el R.Q.D. que se basa en la recuperacin modificado del testigo de roca obtenido durante la perforacin en un tramo dado. La recuperacin como se sabe es la longitud total del testigo obtenido durante una perforacin: Por ejemplo si se ha perforado un tramo de 1.5 m. y se ha recuperado 75 cm., la recuperacin sera el 50%. El R.Q.D. modifica el criterio de la recuperacin de tal manera que considera nicamente aquellos fragmentos mayores o iguales a 10 cm. de longitud para sumarlos, por lo que el R.Q.D. siempre da un porcentaje menor que el de recuperacin. Si durante el proceso de recuperacin se observa que un fragmento se ha roto, no por la debilidad de la roca o diaclasamiento, los trozos partidos se juntan y se consideran una sola pieza siempre que sea por lo menos 10 cm. de longitud.

Este ndice R.Q.D. generalmente se aplica con xito en las rocas gneas, calizas potentes, areniscas, etc., requirindose un cierto criterio en el caso de rocas metamrficas o estratificadas. El R.Q.D. es muy utilizado por consultores e Ingenieros contratistas, aunque es muy conservador y depende de una buena perforacin en dimetros no menores a 50 mm.

El mtodo del R.Q.D. se debe al profesor D.U. Deere y en la tabla 2 se correlaciona la calidad de la roca con el R.Q.D. 2.1.3. CLASIFICACIN DE BARTON (1974)

Al igual que la clasificacin de las rocas de Protodjakonov, que se utiliza en los pases europeos para la ingeniera de tneles, hay otras con similar aplicacin como la de Barton, Terzaghi (1946). Bieniawski (1976)

Barton y otros investigadores establecen una clasificacin geomecnicas de las rocas. a partir de un ndice de calidad "Q", que obtienen de 6 parmetros procedentes de la observacin del macizo rocoso, para los que establecen la correspondiente valoracin.

Igual que en otras clasificaciones, y procedente de la experiencia y observacin de tneles construidos, se establecen unos criterios empricos para el dimensionado del sostenimiento, en funcin de Q y de las dimensiones del tnel.

TABLA 2

R.Q.D. % CALIDAD 0 - 25 Muy mala 25- 50 Mala 50- 75 Regular 75 - 90 Buena 90 - 100 Excelente

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2.1.3. 1. DETERMINACION DEL INDICE DE BARTON

El ndice Q viene dado por la expresin

Q SRFJ

JJ

JDR w

ar

n= Q (1)

donde:

R Q D: es el ndice definido en el numeral 2.1.2.

Jn: ndice de diaclasado que contempla la cuanta de la fracturacin. Jr : ndice de rugosidad que contempla la rugosidad, presencia de relleno

y continuidad de las juntas Ja : ndice de alteracin que contempla la alteracin en las juntas. Jw : coeficiente reductor por la presencia de agua. S R F : (stress reduction factor) es un coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado tensional en el macizo rocoso.

Los tres grupos formados con estos parmetros son:

:Jn

RQD representa el tamao de los bloques

:JaJr representa la resistencia al corte entre los bloques

:SRFJw representa la influencia del estado tensional

El rango de variacin de los parmetros es el siguiente:

RQD: entre 0.00 y 100 Jn: entre 0.50 y 20

Jr: entre 0.50 y 4 Ja: entre 0.75 y 20 Jw: entre 0.05 y 1

SRF: entre 0.50 y 20

El rango de variacin del ndice Q est entre 0. 00 1 y 1 000, que dan lugar a la siguiente clasificacin cualitativa: entre 0.001 y 0.01 : Roca excepcionalmente mala entre 0.01 y 0.1 : Roca extremadamente mala entre 0.1 y 1.0 : Roca muy mala entre 1.0 y 4.0 : Roca mala entre 4.0 y 10 : Roca media entre 10 y 40 : Roca buena entre 40 y 100 : Roca muy buena entre 100 y 400 : Roca Extremadamente buena entre 400 y 1000 : Roca excepcionalmente buena

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En la Tabla 3 se reflejan los criterios de valoracin de estos parmetros.

Tabla 3 Estimacin de Parmetros que intervienen en el ndice Q (Simplificado de BARTON ET AL. 1974) INDICE DE DIACLASADO Jn (.) VALOR INDICE RUGOSIDAD Jr VALOR

Roca masiva 0,5 - 1,0 Diaclasas rellenas 1 Una familia de diaclasas 2 Diaclasas limpias (.) Id. con otras diaclasa ocasionales 3 - Discontinuas 4 Dos familias de diaclasas 4 - Onduladas Rugosas 3 Id. con otras diaclasas ocasionales 6 - Onduladas Lisas 2 Tres familias de diaclasas 9 - Planas, rugosas 1,5 Id. con otras diaclasas ocasionales 12 - Planas, Lisas 1,0 Cuatro o mas familias roca muy fracturada 15 LISOS O ESPEJOS DE FALLA Roca triturada 20 - Ondulados 1,5

- Planos 0,5 ( .) En boquillas 2 x Jn

( .) O cuyas cara entran en contacto bajo la solicitacin

PARAMETRO SRF VALOR

- ZONAS DEBILES: Multitud de zonas dbiles o milonitos 10.0 Zonas dbiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura 50 m) 5.0 Id. con cobertura 50 m 2.5 Abundantes zonas dbiles en roca competente 7.5 Zonas dbiles aisladas en roca competente ( c 50 m) 5.0 Id. con c. 50 2.5 Terreno en bloques muy fracturado 5.0

- ROCA COMPETENTE Pequea cobertura 2.5 Cobertura media 1.0 Gran cobertura 0.5 2.0

- TERRENO FLUYENTE Con bajas presiones 5 - 10 Con altas presiones 10 20

-TERRENO EXPANSIVO Con presin de hinchamiento moderado 5 - 10 Con presin de hinchamiento alta 10 15

INDICE DE ALTERACION Ja VALOR COEFICIENTE REDUCTOR DE AGUA Jw VALOR PRESION DE AGUA Kg. / cm2

Diaclasas de paredes sanas 0,75-1 Excavaciones secas o con < 51/min. localmente 1 10

Milonitos de roca y arcilla 6-12 Milonitos de arcilla limosa 5 Milonitos arcillosos-gruesos 10 - 20

Id. mantenida 0,1-0,05 >10

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2.1.4. CLASIFICACION DE TERZAGHI.

Una de las ms antiguas clasificaciones de los terrenos aplicada a la ingeniera de tneles es

la de Terzaghi (1946) elaborada para el clculo y diseo de las estructuras de sostenimiento provisional o definitiva de los tneles. La clasificacin de Terzaghi ha sido ampliamente conocida en Amrica y es un buen referente en los anlisis de estabilidad de los tneles, donde el factor fundamental es la carga de roca sobre el revestimiento del tnel cuyo espesor varia de acuerdo a la calidad de terreno.

Clasifica los terrenos en 9 grupos de acuerdo al grado de fracturacin de la roca densidad del material suelto, espesor y calidad expansiva del suelo o la roca.

Considera la disposicin de la estratificacin respecto al tnel, en la previsin de

desprendimientos que se resume en 3 normas empricas:

- Con estratificacin vertical el techo ser estable en general, pero se pueden producir cadas de bloques en una altura de 0.25B (B es el ancho del tnel).

- Con estratificacin horizontal de gran potencia y con pocas juntas, la excavacin ser

estable sin roturas.

- Con estratificacin horizontal de pequea potencia y/o gran cantidad de juntas. en el techo se desarrollarn roturas, formndose un arco apuntando sobre el tnel, con anchura la de ste y altura la mitad de la dimensin anterior. Este proceso es progresivo y se detendr si se coloca rpidamente un sostenimiento.

En la tabla 4, se recoge la clasificacin con la descripcin de los 9 tipos de terreno

propuestos por el autor as como la estimacin de la carga en el techo (Hr) para cada uno de ellos, en metros de roca sobre clave.

Hay que aadir, que estos valores son de aplicacin para dimensionamiento de

sostenimientos clsicos (cerchas y hormign), que se consideran conservadores para rocas de buena calidad, que su campo de aplicacin es para tneles de tamao medio (del orden de 8 m. de anchura o menor) y que son de dudosa aplicacin en terrenos expansivos o que fluyen plsticamente.

La distribucin de cargas para el dimensionado del sostenimiento se hace suponiendo:

- Presin uniforme vertical sobre la bveda de valor Pm = Hr - Presin uniforme sobre las paredes de valor Ph 0.3 Pm - Presin uniforme sobre la solera, si la hay, de valor Ps = 0,5 Pm

= densidad de la roca Hr = se obtiene de la tabla 4

Cuando puedan desprenderse localmente bloques, el sostenimiento (entibacin) deber dimensionarse para resistir las cargas puntuales correspondientes.

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Tabla No. 4 CARGAS PARA DIMENSIONAR EL SOSTENIMIENTO (TERZAGHI) - 1.946

Carga de roca Hr (m) (2) CLASE Terreno Tipo de Terreno Inicial Final

Observaciones

1

ROCA Dura y sana - - Revestimiento solo si hay cada de bloques

2 ROCA Dura Estratficada o equistosa

- 0 a 0,5 B Depende de buzamiento. Cada de bloques probable

3 ROCA Masiva Moderadamente diaclasada

- 0 a 0,25 B Cada de bloques probable. Empuje lateral si hay estratos inclinados.

4 ROCA Moderadamente fracturada Bloques y lajas

- 0,25 B a 0,35(B + H) (1) Necesita entibacin rpida. Empuje lateral pequeo

5 ROCA Muy fracturada 0 a 0,6 (B+H)

(0,35 a 1,1) (B + H) Entibacin inmediata. Empuje lateral pequeo.

6 ROCA Completamente fracturada pero sin meteorizar

- 1,1 (B+H) Entibacin contnua. Empuje lateral considerable

6 GRAVA O ARENA Densa (0,54 a 1,2) (B + H) (0,62 a 1,38)(B + H) Los valores ms altos corresponden a grandes deformaciones que aflojan el terreno.

6 GRAVA O ARENA Suelta (0,94 a 1,2) (B + H) (1,08 a 1,38)(B + H) Empuje lateral Ph = 0,3 (Hr + 0,5 H)

7 SUELO COHESIVO Profundidad moderada (1,1 a 2,1)(B + H)

8 SUELO COHESIVO Profundidad grande (2,1 a 4,5)(B + H)

Fuerte empuje lateral. Entibacin contnua con cierre en la base.

9 SUELO O ROCA EXPANSIVOS

Expansivo Hasta 80 m. sea cual sea (B + H)

Entibacin continua y circular (y deformable en casos extremos).

OBSERVACIONES: 1. By H, ancho y alto del tnel 2. Vlido para profundidades mayores de 1,5 (B + H) 3. En las clases 4, 5, 6, 6' Y 6" reducir la carga a la mitad, por encima nivel fretico.

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2.1.5. PARAMETROS GEOFISICOS

De mucha utilidad para el Ingeniero Civil son los mtodos geofsicos para la exploracin del subsuelo, con los que se pueden determinar el contacto entre diferentes tipos de terrenos sin necesidad de recurrir a numerosas perforaciones mecnicas, que son generalmente complementarias para verificar la calidad de los estudios Geofsicos. Estos mtodos tambin son muy tiles para determinar las discontinuidades y otras anomalas en las estructuras geolgicas, particularmente las fallas. La geofsica es bsica en la Ingeniera de minas y de petrleo. De todas maneras la interpretacin de los estudios geofsicos debe ser realizada por ingenieros experimentados.

A continuacin se presenta las tablas 5 y 6 valores representativos de velocidades ssmicas de diversos terrenos que pueden ser correlacionados entre otros fines, para estimar la competencia de los suelos y rocas subyacentes.

Tabla No. 5 Velocidades Ssmicas Tpicas de Diferentes Terrenos

Material Velocidad (m/seg)

Limo seco, arena, grava suelta, cieno, roca suelta, argayos y tierra vegetal hmeda 180 -750

Morrena compacta; arcillas endurecidas; grava bajo el nivel fretico, agrava arcillosa compacta, arena cementada, y mezclas de arcilla y arena.

750 - 2300

Roca meteorizada, fracturada o parcialmente descompuesta 600 - 3000

Lutitas, sanas 750 - 3300 Areniscas, sana 1500 - 4200 Caliza y creta, sanas 1800 - 6100 Roca gnea, sana 3600 - 6100 Roca metamrfica, sana 3000 - 4800

aLa velocidad del sonido en el agua es aproximadamente de 1433 m/seg y los materiales completamente saturados deben tener velocidades iguales o mayores que sta.

Tabla No. 6 Valores Representativos de Resistividad

Material Resistividad (ohmios - cm) Arcilla y limo saturado 0-10,000 Arcilla arenosa y arena limosa hmeda 10,000 - 25,000 Arena arcillosa y arena saturada 25,000 - 50,000 Arena 50,000 - 150,000 Grava 150,000 - 500,000 Roca me teorizada 100,000 - 200,000 Roca sana 150,000 - 4,000,000FUENTE: Ingeniera de Cimentaciones, PECK, HANSON & THORNBURN, LIMUSA,

Mxico (1983).

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3.- GEOLOGIA DEL AREA METROPOLITANA DE GUAYAQUIL.

El rea metropolitana de Guayaquil, est localizada sobre la margen derecha del ro Guayas y del ro Daule. Limita hacia el occidente por el estero perimetral del Salado, dividiendo prcticamente el rea en dos grandes secciones por los cerros que van del Este, al Noroeste, llamados cerros de Santa Ana, El Carmen, etc.

El rea de Guayaquil, coincide con la abertura sur de la llamada Cuenca del Guayas, vrtice del gran sistema hidrolgico de los ros Daule y Babahoyo, y cercano al contacto entre la formacin terciaria de la costa y las Cretcicas de los Andes Ecuatorianos. La mayor parte de la ciudad ocupa los depsitos recientes acumulados por los procesos de erosin de la Cuenca Hidrogrfica del Guayas.

Al final del Terciario la zona de Guayaquil corresponda a dos canales marinos, reducidos actualmente a lo que es hoy el ro Guayas y el Estero Salado, quedando una isla de separacin entre ambos por lo que es hoy el cerro de Santa Ana.

A medida que se fue rellenando la zona de Guayaquil fueron apareciendo una serie de bancos a poca profundidad constituido fundamentalmente por arcillas acarreadas y siguiendo una localizacin diversa y desplazndose hacia el oriente en la misma medida en que se rellenaba la zona aguas arriba de los cerros de Santa Ana y El Carmen que actuaban como diques de contencin de sedimentos.

Con el transcurso del tiempo solamente una parte de las avenidas del Daule desfogaban entre los cerros del Carmen y los cerros del Salado, a manera de vertedor, tomando diferentes direcciones por los esteros cuyos restos lo constituyen el Estero Salado, El Muerto, etc.

Las condiciones hidrulicas que se formaban a medida que la sedimentacin iba teniendo lugar distribuan los sedimentos segn su dimetro en sucesivos depsitos bancos o bajos, paralelamente con el levantamiento continental de la Costa Ecuatoriana.

As estos bancos y bajos se constituan por sedimentos finos o muy finos dispuestos segn las condiciones hidrulicas y los ciclos hidrolgicos, siguiendo una estratigrafa irregular, tanto en sentido horizontal como en sentido vertical.

En pocas muy recientes se complet el relleno de las zonas que abarca la Atarazana, entre los cerros de Urdesa y los cerros del cementerio, tendiendo a concentrarse los escurrimientos de la Cuenca del Guayas por el canal ms oriental, es decir a ocupar lo que es hoy el ro Guayas y el ro Daule.

El cierre y obstruccin de lo que es el canal occidental ocurrira entonces debido fundamentalmente a las caracterstica topogrficas de l y adems por la formacin de bancos de sedimentos consolidados a aguas abajo y de poca profundidad. El aspecto de aquella poca debi ser similar al que presenta la serie de canales y manglares que se observan al sur y suroeste de la ciudad.

Quedando principalmente como desfogue de la Cuenca lo que es hoy el ro Guayas y por efecto de los fenmenos de la fuerza centrfuga del gran Meandro de la Isla Santay, se form una faja de vegas constituida por sedimentos arcillosos a lo largo de la margen derecha

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cubriendo y rellenando los sedimentos ligeramente sumergidos y predominantemente orgnicos. El proceso de las avenidas elev el borde derecho del Guayas; esta faja arcillosa fundamentalmente se fue secando por exposicin a los agentes atmosfricos y al mismo tiempo oxidando sus minerales dando lugar a una arcilla de color amarillento, tpica de la superficie de Guayaquil.

La distribucin de los sedimentos en el rea de Guayaquil como habamos dicho sigue una compleja ley con las condiciones hidrulicas e hidrolgicas predominantes en pocas pasadas. As se localizan potentes estratos arenosos hacia la Ciudad Universitaria, cuya zona sur ocupa el antiguo estrechamiento del Daule. As mismo y a poca profundidad (6 a 10 m.) se localizan en Guayaquil estratos de arcilla fuertemente consolidada y a poca distancia de ella potentes depsitos de arcillas poco consolidadas, de consistencia blanda a muy blanda. Formando una plataforma de ligera inclinacin Este-Oeste, existe un estrato arenoso debajo de arcillas limosas estratificadas con limos arenosos. A poca profundidad tambin se observa como una generalidad el ms reciente lecho del estuario caracterizado por arcillas muy blandas con alto contenido de materia orgnica y restos de manglares siendo ms notorio esto en antiguos esteros rellenados por el hombre (Fig. 4)

Es interesante sealar que los sedimentos arcillosos son una mezcla en diferentes proporciones del desgaste erosivo de las rocas del Terciarlo Costeo y las rocas Andinas. Las caractersticas fsica de estas arcillas de Guayaquil, coinciden ampliamente con los sedimentos arcillosos del Terciarlo, fenmeno debido indudablemente a la gran actividad de estos ltimos como se ha probado recientemente.

En la Fig. (4A) se reproduce el plano de Guayaquil levantado por el Dr. Teodoro Wolf en 1887, donde se puede apreciar los esteros que posteriormente fueron rellenados con material ptreo (cascajo), as como las zonas de Sabanas, Salitrales y Manglares, que es la secuencia del proceso de sedimentacin del Estuario, brillantemente descrito por Wolf.

La caracterstica blanda de los terrenos semiinundables de la antigua ciudad de Guayaquil, condicionaron los materiales de las estructuras de las viviendas y edificios, as como la necesidad de que la superficie de la ciudad deba estar sobre la cota mxima de inundacin.

Entonces las estructuras de madera incorruptible con cimentaciones de pilotes cortos y en forma de trpode (calce de Algarrobo) fue la solucin adoptada por los constructores desde hace siglos. De igual forma, la cercana de canteras de material rocoso, preferentemente de la Formacin Cayo, permiti el relleno de los Esteros y de toda la ciudad para lograr un nivel sobre la cota de inundacin.

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BIBLIOGRAFIA

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Brockhaus, Leipzig 1892

Sheppard, George THE GEOLOGY OF SOUTHWESTERN ECUADOR, Murby, London 1937

Sauer, Walter EL MAPA GEOLOGICO DEL ECUADOR

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Crdova, Francisco RECOPILACION DE ESTUDIOS DE SUELOS DE GUAYAQUIL, Universidad de Guayaquil, 1967

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Moreno Talln, Elas LAS CLASIFICACIONES GEOMECANICAS DE LAS ROCAS, APLICADAS A LAS OBRAS SUBTERRANEAS, Eptisa, Espaa.1980?

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CAPITULO II

PROPIEDADES DE LOS SUELOS

1.- ORIGEN DE LOS SUELOS

Los suelos son producto de la descomposicin de las rocas por procesos fsico-qumicos. Entre los fenmenos fsicos podemos citar principalmente a la fatiga y el desgaste; los cambios de temperatura, la accin del agua corriente, el viento, etc. son fenmenos fsicos que dan lugar a la descomposicin de la roca por fatiga y desgaste.

La descomposicin de la roca tambin ocurre por fenmenos qumicos de los minerales

constituyentes. Las principales clases de esta descomposicin, desilicatizacin, disolucin directa en el agua, o la combinacin de estos procesos.

Las arenas, las gravas y ciertos limos inorgnicos son originados por fenmenos fsicos, y

algunos limos y, en general todos los suelos arcillosos, son originados generalmente por la meteorizacin qumica de los minerales de la roca.

Los materiales producto de la descomposicin de la roca, posteriormente son transportados,

por el agua o por el viento a lugares distantes, formando a su vez depsitos nuevos, que cubren la corteza de las rocas originarias o anteriores. Estos suelos son catalogados como suelos transportados. Los suelos transportados segn sea su mvil, el agua o el viento, se clasifican en depsitos fluviales y depsitos eolticos. Como ejemplo de depsitos fluviales

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podemos citar los sedimentos recientes localizados en el rea de la Costa Ecuatoriana (arcillas, arenas, gravas, etc). Como depsitos elicos han sido clasificadas a las formaciones llamadas "Cangahua", una arena limosa algo cementada, de origen volcnico que rellena los valles y las laderas de la regin Interandina.

No todos los suelos son transportados a distancia de su roca originaria; suelos residuales son aquellos que permanecen sobre o asociados a la misma roca que les dio origen. En toda forma debe suponerse que los suelos residuales posteriormente debern ser transportados a lugares distantes. Como ejemplo de suelos residuales podemos citar a los suelos laterticos que se observan corrientemente sobre las rocas en las estribaciones bajas de los Andes, y los que son generalmente de un color ocre o caf rojizo.

Los depsitos lacustres, como turbas, arcillas orgnicas, son producto de la descomposicin de los vegetales que cubren las orillas o los pantanos de lagunas, manglares o esteros. Los depsitos de turbas y suelos orgnicos generalmente estn asociados con depsitos fluviales, y es tpica la existencia de los suelos turbosos embutidos entre estratos arenosos.

El proceso de sedimentacin como se sabe est regulado por las caractersticas hidrolgicas, topogrficas y geolgicas de la regin; segn esto podemos encontrar depsitos con diferentes caractersticas an en distancias relativamente cortas. Asimismo podemos hablar de depsitos homogneos, heterogneos, estratificados y errticos.

Los depsitos homogneos son aquellos que tienen un solo tipo de material sea arcilla o arena, variando ciertas caractersticas locales como humedad, graduacin, pero que en general se trata de un mismo tipo de suelo. Los depsitos Heterogneos, son aquellos formados por estratos de varios tipos de suelos. Aquellos depsitos heterogneos que presentan una disposicin rtmica de los diferentes suelos, se los ha llamado depsitos estratificados. Esta estratificacin tambin puede presentarse a manera de una microestratificacin, es decir, una disposicin armnica de estratos de pocos milmetros de espesor. Depsitos errticos son aquellos que no presentan una ordenacin simple, sino que varan tanto en sentido de profundidad como en sentido de longitud. Estos depsitos son los ms tpicos en la zona baja de la Cuenca del Guayas. 2.- GRANULOMETRIA Y PLASTICIDAD

Las caractersticas fsicas, llamadas propiedades ndices de los suelos, que pueden llevarnos a localizar y diferenciar las caractersticas de un suelo en relacin a otro; y, al mismo tiempo, prever su comportamiento mecnico, son:

Granulometra Plasticidad Peso especfico

La humedad, es decir, el contenido del agua del suelo (w) expresado en % del peso seco, es

una variable. la cual una vez determinada nos permite fijar con bastante aproximacin su comportamiento mecnico en relacin a la Ingeniera.

Un ingeniero perfectamente familiarizado con estos conceptos, es decir, propiedades fsicas (constante ) y Humedad ( variable ), puede afrontar los problemas que se le presentan a diario, y

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en todo caso, a medida que el problema se complica, tener un lenguaje comn de entendimiento con los especialistas que intervengan en la solucin del problema complejo.

Las caractersticas electro-qumicas, de los suelos como son la expansin, tixotropa, sensibilidad, etc. son tambin constantes de las caractersticas de cada suelo, y que por su forma compleja de intervenir en el comportamiento de los suelos, debern ser tratados por separado. De todos modos ltimamente se ha demostrado que las propiedades expansivas del suelo, por ejemplo, pueden ser determinadas mediante las constantes fsicas, como son granulometra, plasticidad, peso especfico y el contenido de humedad.

De todo lo anterior se desprende que en los suelos hay una parte inerte y otra activa. Los suelos como se sabe son mezclas de arena, limos y arcillas como una generalidad. Aunque las arenas y las gravas y algunos limos inorgnicos pueden presentarse individualmente en la naturaleza, sin embargo las arcillas y algunos limos estn siempre mezclados principalmente con arenas; la arcilla y el limo constituye la parte activa de los suelos y las arenas y las gravas la parte inerte. Este concepto es bastante similar al de agregados y cemento en el hormign. Las arenas y las gravas aportan fundamentalmente a la resistencia de los suelos con su resistencia a la ficcin y la parte activa con su resistencia a la cohesin.

De ah que en la Mecnica de Suelos es importante saber que cantidad de parte inerte y activa hay.

El tamao de los granos nos permiten servir como ndice para diferenciar las dos partes constitutivas de los suelos.

La separacin de tamaos entre la parte gruesa y la parte fina de los suelos ha sido establecida convencionalmente en dimetros ms o menos Iguales. As la ASTM establece el tamao de 0,05 mm., mientras que la Clasificacin unificada adoptada por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos establece el dimetro de 0,074 mm. (Tamiz No. 200) para diferenciar los gruesos de los finos.

Los gruesos son pues, las arenas y las gravas o las mezclas de ellas. Los materiales gruesos segn su historia de sedimentacin puede tener una graduacin uniforme o no, es decir, puede haber la preponderancia de un solo tamao de grano, o la presencia de casi todos los tamaos, en cuyo caso los materiales gruesos pueden ser mal graduados o bien graduados.

La manera como los autores han establecido valores para determinar la buena o mala graduacin es mediante frmula deducidas de curvas estadsticas representativas de las diferentes proporciones en que entran todos los tamaos en la mezcla de un material grueso. As se conoce como coeficiente de uniformidad Cu la relacin entre el dimetro D 60 que corresponde al 60 % de las partculas menores a l y el dimetro D10 para el cual el 10% de las partculas son menores a ese dimetro.

10

60

DD

Cu = (1a) ( )

1060

30

2

DDcC

D

= (1b)

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El coeficiente CC llamado de curvatura es otro valor que generalmente se requiere para determinar numricamente la buena o mala graduacin de las arenas y gravas.

De los grficos de granulometra (Fig. 5) se obtienen estos dimetros y se cree que un

coeficiente de uniformidad mayor de 4 garantiza una buena graduacin de mezclas de gravas y arenas.

Sin embargo, establecer la uniformidad o no uniformidad de los agregados mediante valores

individuales conduce generalmente a errores, que segn el caso pueden ser importantes. De ah que la graduacin de un depsito debe analizrsele como un rango de varias curvas granulomtricas de un mismo material obtenido de diferentes muestras. Esto se hace debido a que en la naturaleza los sedimentos se presentan para un mismo estrato, en forma de rangos de tamaos en lugar de seguir una curva terica de graduacin.

Por otro lado, la forma de los granos es una caracterstica que tiene que ver con el comportamiento mecnico del conjunto. As las formas planas y alargadas de las arenas y gravas obligan a aumentar el factor de seguridad, porque se ha establecido que la forma ms o menos esfrica de las partculas hacen que el conjunto pueda tener una orientacin regular, logrando as una buena trabazn entre los granos.

La dureza de las partculas de los materiales gruesos tambin tiene que ver con la resistencia.

En la Costa del Ecuador generalmente los granos de las arenas y las gravas tienen una baja resistencia al desgaste, y por saturacin y por compresin combinada se destruyen fcilmente. Por eso la descripcin de las arenas y de las gravas debe ir siempre acompaada de la forma y dureza de los granos, debido a que en muy pocos lugares de la Costa del Ecuador se han encontrado arenas de alta resistencia al desgaste.

La parte fina de los suelos, es decir, el material menor o que pasa al tamiz No. 200 (0,074mm)

est constituido por arenas muy finas, limos, y arcillas. Para los efectos prcticos, algunas veces se considera que lo que pasa del tamiz No. 200 son los limos y las arcillas.

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La caracterstica tpica de los materiales finos es la plasticidad, aunque la plasticidad no est en relacin del dimetro de las partculas, pues se ha demostrado que el cuarzo pulverizado en tamaos menores al de los limos no presenta ninguna caracterstica plstica.

La plasticidad es ms bien un fenmeno electro qumico de los materiales finos, particularmente arcillosos. La partcula de arcilla est constituida por un ncleo slido, alrededor del cual se encuentra una capa de agua llamada adsorbida en estado viscoso; esta agua est adherida elctricamente al ncleo de arcillas, por lo que a bajas temperaturas no puede ser evaporada, es decir, su comportamiento no es al del agua normal, la que est presente rodeando a la capa de agua adsorbida. La capa adsorbida por sus caractersticas electroqumica puede atraer ms agua mediante una accin en cadena lo cual significa un aumento de volumen.

La plasticidad es pues originada por las caractersticas electro-qumicas de la partcula de arcilla. Se ha establecido tambin que la cohesin y la expansin de las arcillas son producto de las propiedades electro-qumicas de la capa adsorbida del agua. De aqu que se ha ensayado con xito el cambio de las propiedades plsticas de los suelos arcillosos, mediante el cambio de las caractersticas electro-qumicas de ellas.

Para la Ingeniera estos aspectos deben tener la importancia para ilustrar sobre las complejidades que dan origen a las propiedades de los finos constitutivos del suelo.

Los suelos segn lo anterior, pueden ser de alta, media o baja plasticidad. A medida que los suelos aumentan su porcentaje de finos (menor que el tamiz No. 200) generalmente la plasticidad tiende a aumentar, sin embargo, como habamos dicho anteriormente, la plasticidad no est precisamente en relacin directa, con el porcentaje de finos. As hay arenas con un contenido de finos (que pasa del tamiz No. 200) de un 15% por ejemplo y sin embargo, tener en conjunto ms plasticidad que otra arena que tenga, por ejemplo, un 30% de finos.

La plasticidad, como se sabe, es la capacidad de un suelo para tomar formas diversas. Convencionalmente se supone que los suelos a medida que disminuyen su contenido de humedad va pasando por diferentes estados. Si un suelo est en solucin con el agua puede disminuir por evaporacin el contenido del agua, hasta convertirse en un barro fluido que poco a poco puede adoptar una forma con ligera deformacin: en este caso, se dice que el suelo ha pasado del Estado Lquido al Estado Plstico. Casagrande demostr que el Lmite Lquido ( wL ) podra ser groseramente definido como el contenido de agua para el cual un suelo tiene una resistencia al esfuerzo cortante de aproximadamente 0,025 2/. cmKg . Estudios subsiguientes realizados por L.E.J. Norman Indicaron valores algo ms bajos, en orden de 0,02 kg./cm2.

Atterberg fue el primero que estableci un mtodo para determinar convencionalmente el lmite

entre el Estado Lquido y el Estado Plstico. Posteriormente, A. Casagrande, introdujo un aparato sencillo mediante el cual se determina el Lmite Lquido en un suelo.

En Europa, por ejemplo, hay otros sistemas para determinar el Lmite Lquido, como el Cono de Vasliev (URSS): en toda forma el Lmite Lquido por diferentes mtodos generalmente da un mismo valor.

A medida que un suelo en cuestin, en el Estado Plstico, disminuye su contenido de humedad, aumenta su resistencia, y consecuentemente presenta dificultades para ser amasado, por ejemplo, en cilindros de pequeo dimetro. As el Lmite Plstico (wp) se define como el contenido de humedad para el cual cilindritos menores de 3mm. de dimetro no pueden ser

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moldeados sin que se rompan. Esta convencin sobre el Lmite Plstico ha sido universalmente aceptado.

Si el suelo sigue perdiendo humedad llegar un momento en que cualquiera que sea sta no se

contrae por efecto del secado. Entonces la humedad mxima para la cual el secado ya no produce cambios en volumen de un suelo, se ha llamado Lmite de Contraccin ( )Sw . Indice de plasticidad (IP), es la diferencia entre el valor del Lmite Lquido, y el valor del Lmite Plstico. El Indice Plstico es una medida segn el cual un suelo puede presentar, para cambios de humedad, un amplio rango de resistencia cohesiva. As hay arcillas cuya humedad es cercana al Lmite Lquido y que tienen tanta resistencia cohesiva como otra menos plstica y con una humedad tambin cercana al Lmite Lquido. A medida que la humedad se acerca al valor del Limite Plstico, en todos los suelos arcillosos, la resistencia al cortante aumenta en forma rpida. As cuando la humedad ya es menor que el Lmite Plstico las resistencias son tan altas, que el suelo resiste en la misma forma que una roca blanda y es incompresible prcticamente.

Por tal razn algunos autores utilizan el trmino llamado consistencia relativa.

IpwwC Lr

= (2)

Los valores de consistencia relativa tambin pueden correlacionarse con otros empleados en el campo; as una arcilla muy blanda ser aquella en que la consistencia relativa est cercana a cero o menor de cero; una arcilla blanda sera aquella cuya consistencia relativa seria menor de 0,5; una arcilla de consistencia media cuando la consistencia relativa est entre 0,5 y 0,8 y arcilla de consistencia dura a muy dura aquella cuya consistencia relativa es mayor de 1.

En la prctica tambin se puede correlacionar la consistencia relativa con la resistencia a la compresin simple; as las arcillas muy blandas a blandas tienen resistencias menores de 0,7

2/ cmKg , las arcillas de consistencias media entre 1 y 2 2/ cmKg , y las arcillas de consistencia dura a muy dura de 2 a 10 2/ cmKg . En las arcillas de Guayaquil, sin embargo, para Cr cercano o cero, las resistencias son notoriamente mayores.

Investigaciones de V. Moreno & L. Marn en arcillas saturadas blandas de Guayaquil encontraron que:

549,2747,10 CES = Donde:

2

2

T/mCohesincT/mSecantedElsticidaMduloEs

==

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A. Casagrande en 1945 propuso un lmite entre los suelos arcillosos y los suelos limosos: grficamente este lmite se representa en la Carta de Plasticidad, segn la cual los suelos arcillosos y los suelos limosos (y arcillas orgnicas) quedan arriba o abajo de una lnea denominada A expresada en funcin de Lmite Lquido y del ndice Plstico. Esta lnea representa a la siguiente ecuacin:

I P = 0,73 (wL - 20) (3)

La determinacin emprica de la lnea A se bas en los resultados de ensayos de plasticidad con miles de muestras de diferentes lugares del mundo. Posteriormente estudios realizados por Seed Woodward y Lundgren, estudiando los resultados de mezclas de minerales arcillosos (Bentonita, Illita y Caolinita) con arena lavada, demostraron que la validez de la lnea A era razonablemente prctica, aunque en rigor el lmite era muy alto para suelos arcillosos de media a baja plasticidad.

Estudios de L. Marn, sobre la plasticidad de arcillas de diferentes lugares de la Costa del Ecuador, han determinado el lugar geomtrico en la Carta de Plasticidad segn una ecuacin similar a la de la lnea "A".

I P = 0,825 ( wL - 17,4) (4)

Esa ecuacin representa a suelos arcillosos de raz Bentontica. Los suelos residuales arcillosos de raz Illtica se ubican bajo la lnea "A".

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En la figura 5A se ubican en la Carta de Plasticidad, algunos de los suelos especiales del Ecuador como son la serie expansivo de las provincias del Guayas y Manab, la volcnica meteorizada (tobas laterticas de la cuenca del Guayas), la colapsible denominada Azcar, que se encuentra en las terrazas de la vertiente del Pacfico de las provincias del Guayas y Manab y, las Guarumales que es un suelo residual producto de la meteorizacin de los equistos metamrficos del valle del ro Paute en la provincia del Azuay.

Comnmente se presentan errores en los resultados de ensayos de plasticidad los cuales son originados por el grado de experiencia del operador, por los mtodos simplificativos de ensayo, o por procedimientos fuera de especificacin. Como ndice comparativo de la veracidad del ensayo se hace una prueba llamada dureza al secado, la cual consiste en romper con los dedos un pedazo no mayor de 1 cm. de dimetro, luego de haber sido secado completamente. Si ofrece mucha resistencia para ser roto en fragmentos menores, se dice que la dureza al secado es alta, si mediante la presin de los dedos se fracciona, sin llegar a pulverizarse en conjunto, se dice que la dureza es media, y si se pulveriza por una ligera presin de los dedos, la dureza es baja.

Como se sabe las arcillas y los suelos arcillosos son los nicos que aumentan su resistencia al esfuerzo cortante por disminucin de humedad; esta es la razn por la que los ladrillos se fabrican de arcilla. Los limos en cambio, cuando estn secos no presentan resistencia y tienden, a medida que disminuye la humedad, a transformarse en una masa de polvo.

As mismo la arcilla y los suelos arcillosos retienen la humedad, como se sabe, por efecto de atraccin elctrica, por lo que cuando un pedazo arcilloso saturado se agita en la mano, no cambia su aspecto de humedad superficial. Los limos en cambio, cuando estn saturados y se los agita, expulsan el agua de sus poros. 3.- CARACTERISTICAS ESPECIALES DE LOS SUELOS

En general, todos los suelos arcillosos cuando son remoldeados a humedad constante, recobran con el tiempo gran parte de su resistencia inalterada, luego de perder parte de ella por efecto del remoldeo. Esta caracterstica se denomina TIXOTROPIA.

SENSIBILIDAD

Algunas arcillas, sin embargo, pierden una gran cantidad de resistencia por efecto de amasado. Como el uso de los limos volcnicos. Terzaghi defini la sensibilidad (o susceptibilidad) S de una arcilla por la relacin de la resistencia a compresin simple del suelo inalterado (qu ) y la misma resistencia despus de amasado ( qur ), a humedad constante.

ur

u

qqS = ( 5 )

El mismo autor seala los grados de sensibilidad siguientes: S= de 2 a 4 normal de 4 a 6 sensitiva mayor de 5 extra sensitiva

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La prdida de resistencia por efecto del amasado se atribuye generalmente en primer lugar a su estructura de esqueleto y a la plasticidad. De todos modos las arcillas susceptibles han reaccionado como tales cuando la humedad es igual o mayor al Lmite Lquido y el Lmite Lquido mayor de 100%. Sin embargo, as como existen arcillas de este tipo, Tschebotarioff cita el caso de arcillas que no se debilitan sino que ms bien aumentan su resistencia con el amasado.

La sensibilidad, parece ser un fenmeno cierto en cuanto a sufrir alteracin por efecto de amasado, como en el caso observado en algunas hincas de pilotes, o fallas rpidas en excavaciones. La falta de publicaciones concretas al respecto, los errores involucrados en los ensayos de sensibilidad, as como el efecto ya conocido de prdida de resistencia por amasado, al presente, no permiten precisar las posibilidades de fallas no previstas en arcillas llamadas sensitivas.

EXPANSION Otra propiedad de los suelos es la expansin como propiedad en algunas arcillas. En general,

todas las arcillas sufren cambios de volumen por efecto de cambios de humedad; esto se explica debido a la cualidad electro-qumica de la arcilla de atraer agua y aumentar por tanto el espesor de la capa adsorbida.

Sin embargo, existen arcillas de ciertas caractersticas fsico qumicas, en las cuales el Fenmeno de expansin sobrepasa lo normal. Estas arcillas pueden llegar a generar cambios de volmenes de ms de 20%. El cambio de volumen trae aparejada una fuerza de expansin que, como se ha registrado en la Costa del Ecuador, puede alcanzar valores tan altos como 30 2/ mT , o ms.

Cuando una arcilla expansiva genera libremente su fuerza de expansin lo hace siguiendo una

curva parablica en funcin del tiempo, al cabo de cierto valor la curva se hace asinttica para un porcentaje dado de cambio de volumen. Asimismo (Fig. 6b) la fuerza intrnseca de expansin decrece con los grados de libertad que tenga, desde un valor mximo (tericamente confinado), hasta cero (condicin libre superficial). Como se puede observar en el grfico 6a para los primeros momentos de la expansin su resistencia al esfuerzo cortante, prcticamente es el mismo valor, pero a medida que pasa el tiempo la resistencia comienza a decrecer hasta que al final del proceso se hace prcticamente nula.

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Se han registrado varios desastres ocasionados por el fenmeno de expansin, as como daos menores a estructuras relativamente livianas. Generalmente los desastres se han producido en taludes cortados en arcillas de este tipo, en estructuras cimentadas y sujetas a cambio de humedad, tneles, muros de compresin, edificios livianos, etc.

Muchos autores han tratado de establecer el grado de expansin de las arcillas a partir de su clasificacin. Sin embargo, mayor xito ha tenido la identificacin mineralgica y las correlaciones entre las propiedades ndices y los resultados de ensayos de expansin.

Entre las causas que desarrollan el fenmeno de expansin de un suelo arcilloso pueden citarse las siguientes:

1. Bajo contenido inicial de humedad. En zonas sin dficit de humedad anual, prcticamente es imposible que se presente el fenmeno de expansin.

2. Caractersticas mineralgicas. Por ejemplo, las arcillas montmorillonticas son ms

expansivas que las de otro origen.

3. Confinamiento y o sobre compactacin de la capa arcillosa.

Ensayos de rayos X con arcillas de la Formacin Zapotal en la Costa del Ecuador, determinaron, Santiago de Chile (1968) que el mineral predominante era la Esmctica (montmorillonita) bastante pura y con trazas de illita y caolinita.

Holtz, quien estudi las caractersticas expansivas de las arcillas Denver (Colorado U..S.A.),

dice que la cantidad de cambio de volumen en un material arcilloso expansivo remoldeado o natural, depende de seis factores:

1.- La cantidad o tipo de mineral arcilloso

2.- Densidad inicial.

3.- Cambios de humedad.

4.- Condiciones de carga.

5.- Estructura del suelo. 6.- Tiempo.

Investigaciones realizadas por el autor (1990) demostraron que el grado de expansin de un

terreno arcilloso es inversamente proporcional a la relacin p

L

Iw , tal como se muestra en la figura

6A.

Como se podr observar la expansividad intrnseca no es dependientemente slo de su rango de plasticidad o de su rango granulomtrico. Esta es la razn por que la determinacin del grado de expansin no se logra fcilmente por los medios convencionales de clasificacin.

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Sowers, suministra un elemento para el diagnstico que puede ser de gran utilidad. De acuerdo

a los resultados obtenidos, preliminarmente, las arcillas estudiadas en la Provincia del Guayas se localizan en una zona tal como el que muestra el dibujo No. 7 de acuerdo con la sugerencia de Sowers:

100=p

PI

R www ( 6 )

Lo que nos lleva a suponer que es aceptable por el momento admitir que para valores wR > 10% la expansin es despreciable. Es necesario aclarar que el valor w, es % de humedad inicial, preferentemente en la poca seca.

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SUELOS COLAPSIVOS

Otros suelos raros merecen ser citados, son los llamados suelos colapsivos, localizados

generalmente en las zonas ridas del mundo y corresponden a sedimentos de poca plasticidad. En el Ecuador se han localizado los suelos colapsivos principalmente en la Provincia de Manab, Guayas y en algunas terrazas del Valle Interandino con dficit de humedad anual. Estos suelos tienen la caracterstica de falla a carga constante una vez que se saturan. Esta falla es brusca y ocurre en poco tiempo. El autor recomienda mediante sencillos anlisis de laboratorio establecer el coeficiente de colapso el que rpidamente permite medir la peligrosidad de esos suelos. (Fig. 7A)

( )%1001 1

21 +=

eeeKC (7)

En donde:

e1 = razn de vacos antes de la saturacin

e2 = razn de vacos despus de la saturacin, a carga constante

CK = coeficiente de colapso.

Parece ser que ciertos suelos colapsivos se sedimentaron en corrientes de poca velocidad en un medio salino, que origin una floculacin previa, y luego por efecto climtico del secado progresivo, le dio al suelo una caracterstica porosa. (Azcar). Otros suelos colapsivos en los Andes corresponden a depsitos elicos de origen volcnico.

Valores del coeficiente de Colapso mayores al 2% para la carga de trabajo merecen un

estudio especial.

DISPERSION

En 1960 en Australia se reconoci oficialmente la existencia de arcillas dispersivas, debido a fallas de tubificacin en estructuras hidrulicas. Estas arcillas dispersivas son altamente erosivas por un proceso en los cuales las partculas arcillosas de una masa inmersa en agua son repelidas de ella y entran en suspensin con un gradiente prcticamente despreciable. Las arcillas dispersivas tienen generalmente sales de Sodio en solucin en el agua de los poros.

Existen muchos mtodos para establecer el grado de dispersin de esas arcillas entre los que

se puede citar el de la aguja (Pinhole) debido a J.L. Sherard, el ensayo granulomtrico con el picnmetro del S.C.S. (Soil Conservation Service); el ensayo de dispersin rpido que consiste en colocar un terrn de la muestra de 1 a 2 gramos en agua destilada en un recipiente de 150 cm3, observando durante una hora la tendencia de la coloracin del agua. En este mtodo las arcillas altamente dispersivas, toda el agua, junto o en el fondo del recipiente, se vuelve del color del suelo y en algunos casos toda el agua del recipiente se colorea (Fig. 7B).

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SUELOS LATERITICOS

Entre los suelos residuales existen los denominados vulgarmente laterticos (de ladrillo) que son suelos que se presentan con un color caf rojizo amarillento. En el Ecuador la ms grande extensin observada de estos Suelos Tropicales corresponden a tobas volcnicas meteorizadas que cubren la parte alta de la Cuenca del Guayas desde Palestina hasta Santo Domingo y Quinind. Otros depsitos se observan en los flancos de la Cordillera de los Andes y merecen particular inters los llamados Suelos Guarumales (Ro Paute), producto de la meteorizacin de los esquistos, encontrados en la vertiente Sur Este de Los Andes.

Los suelos laterticos no siguen la distribucin de la Carta de Plasticidad de Casagrande, generalmente caen bajo la lnea A, y de acuerdo a su raz mineralgica y a sus caractersticas fsicas, se clasificaran como arcillas de mediana a alta plasticidad. Por otro lado, son de difcil compactacin, como es el caso de los suelos Guarumales, los que tienen una relacin de vacos muy alta, en estado natural, que probablemente sea uno de las ms elevadas del mundo. Sin embargo, en estado natural, su capacidad de carga es relativamente alta y, los taludes naturales son curiosamente ms empinados que los correspondientes a otras arcillas de igual porosidad y contenido de humedad.

SUELOS TUBIFICABLES

Merece citar los sedimentos finos que presentan muy baja resistencia hidrulica, es decir que para pequeos gradientes fallan por tubificacin. Estos suelos fueron observados en pequeas obras hidrulicas que fallaron.

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En las figuras 7C, y 7D se representan las caractersticas de los suelos de los estribos de pequeas presas que fallaron por tubificacin (L. Marn, Universidad de Guayaquil, 1964).

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LICUACION

Existen arenas finas mal graduadas, de cierta caracterstica granulomtrica, bajo el nivel

fretico, que cuando son afectadas por impulsos dinmicos como los causados por sismos, fallan bruscamente, puesto que se produce una elevacin de la presin de poros que lica la arena. Estos suelos se llaman arenas licuables que en el Ecuador han sido observadas al Norte de la provincia de El Oro y en algunos sitios de los Pramos y valles Interandinos.

En la figura 7E se muestran los rangos granulomtricos de arenas propensas a licuacin, segn el PWRI del Japn.

EROSIVIDAD

Finalmente, se ha observado que los suelos de cobertura de las cuencas hidrogrficas de acuerdo a sus caractersticas propias, tienen mayor o menor resistencia a la erosin causada por la lluvia y/o el viento. Este fenmeno se acenta en territorio de baja precipitacin, en terrenos de mediana a baja plasticidad y de textura fina, y, particularmente, donde ha habido depredacin de la cubierta vegetal que ha afectado a los ecosistemas.

En la Fig. 8 se muestra un plano con las Isoyetas medias anuales del Ecuador en mm, para un ao normal.

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BIBLIOGRAFIA

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CAPITULO III

RELACIONES VOLUMETRICAS Y GRAVIMETRICAS

1.- PESO ESPECIFICO.

El concepto de peso especfico en la Mecnica de Suelos se aplica generalmente a la relacin de peso respecto al volumen. El uso acostumbrado de trminos ha llevado a denominaciones que generalmente se prestan a confusiones. As por ejemplo, al peso especifico se lo llama peso unitario y en algunas ocasiones, densidad.

En este texto al peso especfico lo denominamos peso unitario. Entre los pesos unitarios podemos tener: w = Peso unitario del agua Relacin entre el peso y el volumen del agua = Peso unitario del suelo, incluyendo la parte slida, liquida y gaseosa.

Relacin entre el peso y el volumen total del suelo. Eventualmente lo llamaremos peso unitario total o hmedo. = t

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2.- POROSIDAD, RELACION DE VACIOS Y SATURACION

Una masa de suelo se considera constituida por partculas slidas, agua y vacos o espacios huecos generalmente con aire o gas. De aqu que podramos hablar de volumen de slidos, volumen de agua y volumen de aire; asimismo, peso del slido, peso del agua y peso del aire comprimido.

En la Mecnica de Suelos y en general en la Ingeniera estos conceptos se presentan por

valores, los cuales Indican el grado de densidad que tiene el suelo considerado. Para poder representar esquemticamente estos volmenes inmaginmonos una masa de suelo representada por la Fig. No 8A en la cual estn diferenciadas esquemticamente los volmenes de gas, agua y slidos.

El volumen total de la muestra se la designa como V, compuesta las dos partes, el volumen de slidos Vs y el volumen de vacos, Vv. El volumen de vacos es la suma de volumen del agua Vw y del aire Vg que contiene el suelo. Es obvio que en el suelo completamente seco el volumen Vv = Vg y cuando el suelo est completamente saturado Vv = Vw. Se supone que cual quiera que sea el contenido, el peso de las partculas slidas es invariable, mientras no ocurra calcinacin de ellas; es decir, que el volumen de los slidos Vs es una constante para cada suelo.

Las relaciones de volmenes que son usadas frecuentemente en la Mecnica de Suelos son: la

Porosidad, la Relacin de vacos y el Grado de saturacin. La porosidad n de la masa slida se define como la relacin entre el volumen de vacos y el

volumen total de la muestra. La relacin de vacos e se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de

slidos. El grado de saturacin S se define como la relacin entre el volumen de agua y el volumen de

vacos. Estas relaciones se representan por:

VVn v= (8)

SVVe v= (9)

vwV

100VS = (10)

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El peso especfico de la masa de suelo o peso volumtrico, peso unitario o densidad como vulgarmente se lo llama, es la relacin entre el peso total del suelo y su volumen V y se lo designa de la manera siguiente:

VW

t == (11) El peso especfico relativo de slidos G, es la relacin entre el peso de los slidos y el volumen

de los slidos divididos para el peso unitario w del agua y, se la define como:

( ) 1:siVW

VsWG w12s

s

w

s ===

Humedad en la relacin entre el peso del agua y el peso de los slidos expresada en %:

100WWw

s

w = (13)

Generalmente la humedad o contenido de humedad del suelo en % es uno de los datos fundamentales del suelo que puede variar segn vara el estado de l. Por otro lado, como se supone que el peso de las partculas slidas o peso seco Ws es constante para cualquier estado de suelos (Lquidos, Plsticos, Semislidos), los pesos especficos generalmente se expresan en trminos de peso volumtrico seco o peso unitario seco:

VWSd = (14)

De acuerdo con esto el peso unitario seco tambin puede ser expresado de la siguiente forma:

1001

wd += (15)

Siendo el peso unitario hmedo de la masa del suelo.

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3.- DIFERENTES EXPRESIONES

En la misma forma se pueden expresar todas estas relaciones en diferentes formas siguiendo procedimiento similar de deduccin.

Suponiendo 1=w e1

en += (16)

n1ne = (17)

1Ge =d (18)

ewGS = (19)

e1G+=d (20)

( )eG ++= 1 w/1001 (21)

Si el suelo est saturado S ser igual a 100% y por lo tanto todos los vacos estarn llenos de agua, entonces el peso unitario hmedo saturado ser:

100wG1

100w1

w1s

+

+==++ G

e

eG

(22)

Si la masa del suelo se sumerge en el agua, esta perder peso, y de acuerdo a la Ley de Arqumedes:

( ) 1:231

1' =+

== wws sieG

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En las arenas se requiere siempre expresar su densidad en relacin a otras fijadas como lmite, esto es, hay una densidad que representa mnima relacin de vacos posibles, esta relacin de vacos mnima se la puede lograr por vibracin de la arena saturada, por golpes, etc. Hay otra densidad que representa la mxima relacin de vacos posibles, y que interpretan como una distribucin de los granos de arena en que se produce, por efecto de una fuerza, la mayor compresin. Densidad relativa entonces de una arena es la relacin entre su relacin de vacos actual y las relaciones de vacos mximos y mnimos posibles de la misma arena:

( )24mnmx

mxrD 100ee

ee =

Por razones prcticas la densidad relativa se la expresa en funcin de sus pesos unitarios

mximos y mnimos que corresponden a la mnima y mxima relacin de vacos, respectivamente:

( )( ) ( )

100

mxd

1

mnd

1d

1

mnd

1

rD

=

La densidad relativa de las arenas es un trmino similar a la consistencia relativa en los suelos

finos, as se habla de una arena densa o compacta, una arena de densidad media o de una arena suelta. La arena densa generalmente se acepta que tiene una densidad relativa mayor del 70%, una arena de densidad media de 30 a 60% y una arena suelta de 0 a 30% de densidad relativa. Los trminos de densidad tambin se relacionan con el nmero de golpes al muestreador Standard, as una arena densa tiene ms de 30 golpes, una arena de densidad media de 15 a 30 golpes y una arena suelta menos de 15 golpes por cada 30 cm. de penetracin.

Los suelos no cohesivos como las arenas y las gravas son muy difciles de muestrear durante las perforaciones, por lo que se ha tenido que obtener sus parmetros de resistencia en el sitio donde se lleva a cabo la perforacin. Un mtodo muy usado en el mundo es el llamado Ensayo de Penetracin Standard (SPT), el que suministra un nmero de golpes llamado N con el que se correlaciona su Resistencia al Corte. Tambin ha sido aplicado para otros suelos duros cohesivos.

El ensayo (ASTM , D1586 - 64T), consiste en hincar en el terreno un tubo de 5 cm y 3,5 cm de dimetros exterior e interior respectivamente y 61 cm de longitud. Se cuenta el nmero de golpes N que se requiere para hincar en el suelo el tubo golpeando con un martillo de 63 Kg de peso que se deja caer libremente 76 cm. Este ensayo, muy usual en la ingeniera, debe ser utilizado con mucha cautela puesto que en el nmero de golpes interfieren: la prctica del operador, los mecanismos del martillo y la gua, gravas o fragmentos de rocas aislados en el terreno, etc..

A continuacin se presenta las tablas 7 y 8 donde se correlaciona el nmero de golpes N con la Densidad Relativa (Dr) de las arenas y con la Consistencia de las arcillas saturadas, debidas a Terzaghi & Peck (El Ateneo, Barcelona, 1975)

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Tabla No. 7 ARENAS

Nmero de golpes N (SPT) Densidad Relativa (Dr)

0-4 Muy suelta 4-10 Suelta10 - 30 Medianamente densa 30 - 50 Densa mayor de 50 Muy densa

Tabla No. 8 ARCILLAS SATURADAS

RESISTENCIA A LA COMPRESION SIMPLE (Kg/cm2)

Nmero de Consistencia

N (SPT) qu <