Fundamentos De Ingeniería Geotécnica - Braja M. Das (4ta Edición).pdf

FUNDAMENTOS DE INGENIERA GEOTCNICA

BRAJA M. DAS

cuarta edicin

Fundamentos de ingeniera geotcnicaCuarta edicin

BRAJA M. DAS

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Fundamentos de ingeniera geotcnicaCuarta edicin

BRAJA M. DAS

Traduccin:

Javier Len CrdenasProfesor de Ciencias Bsicas

Escuela Superior de Ingeniera Qumica e Industrias ExtractivasInstituto Politcnico Nacional

Revisin tcnica:

Ing. Leticia Garca MaraverEscuela Superior de Ingeniera y Arquitectura

Instituto Politcnico Nacional

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D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. deC.V., una Compaa de Cengage Learning, Inc.Corporativo Santa FeAv. Santa Fe nm. 505, piso 12Col. Cruz Manca, Santa FeC.P. 05349, Mxico, D.F.Cengage Learning es una marca registradausada bajo permiso.

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Traducido del libroFundamentals of Geotechnical Engineering,4th EditionBraja M. DasPublicado en ingls por Cengage Learning 2013ISBN: 978-1-111-57675-2

Datos para catalogacin bibliogr ca:Das, Braja M.Fundamentos de ingeniera geotcnicaCuarta edicin

ISBN: 978-607-519-373-1

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Fundamentos de ingeniera geotcnicaCuarta edicinBraja M. Das.

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Composicin tipogr ca:Ediciones OVA

Impreso en Mxico1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14

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Para nuestra nieta, Elizabeth Madison

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1 Ingeniera geotcnica: desde el principio 1

1.1 Introduccin 11.2 La ingeniera geotcnica antes del siglo XVIII 11.3 Periodo Preclsico de la mecnica de suelos (1700-1776) 51.4 Mecnica de suelos Clsica-Fase I (1776-1856) 51.5 Mecnica de suelos Clsica-Fase II (1856-1910) 61.6 Mecnica de suelos moderna (1910-1927) 71.7 La ingeniera geotcnica despus de 1927 71.8 Fin de una era 12Referencias 14

2 Origen de los depsitos del suelo, tamao de grano y forma 16

2.1 Introduccin 16 2.2 Ciclo de las rocas y origen del suelo 16 2.3 Depsitos de suelo en general 22 2.4 Suelos residuales 22 2.5 Depsitos transportados por gravedad 23 2.6 Depsitos aluviales 23 2.7 Depsitos lacustres 25 2.8 Depsitos glaciares 25 2.9 Depsitos de suelo elicos 262.10 Suelo orgnico 272.11 Tamao de partcula de suelo 282.12 Minerales de arcilla 29

Contenido

vii

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Contenidoviii

2.13 Gravedad especfi ca (Ge) 332.14 Anlisis mecnico de suelo 332.15 Tamao efectivo, coefi ciente de uniformidad y coefi ciente de gradacin 402.16 Forma de la partcula 452.17 Resumen 46Problemas 46Referencias 48

3 Relaciones peso-volumen y plasticidad 49

3.1 Introduccin 49 3.2 Relaciones peso-volumen 49 3.3 Relaciones entre peso unitario, relacin de vacos, contenido de humedad

y gravedad especfi ca 52 3.4 Relaciones entre peso unitario, porosidad y contenido de humedad 55 3.5 Densidad relativa 62 3.6 Consistencia del suelo 64 3.7 Actividad 71 3.8 ndice de liquidez 73 3.9 Carta de plasticidad 733.10 Resumen 74Problemas 74Referencias 76

4 Clasi cacin de suelos 78

4.1 Introduccin 784.2 Sistema de clasifi cacin AASHTO 784.3 Sistema unifi cado de clasifi cacin de suelo 824.4 Resumen 89Problemas 90Referencias 90

5 Compactacin de suelos 91

5.1 Introduccin 91 5.2 Principios generales de compactacin 91 5.3 Prueba Proctor estndar 92 5.4 Factores que afectan la compactacin 96

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Contenido ix

5.5 Prueba Proctor modifi cada 98 5.6 Relaciones empricas 102 5.7 Compactacin en campo 105 5.8 Especifi caciones para la compactacin en campo 107 5.9 Determinacin del peso unitario de campo despus de la compactacin 1085.10 Efecto de la compactacin en las propiedades cohesivas del suelo 1115.11 Resumen 113Problemas 114Referencias 116

6 Conductividad hidrulica 117

6.1 Introduccin 117 6.2 Ecuacin de Bernoulli 117 6.3 Ley de Darcy 120 6.4 Conductividad hidrulica 121 6.5 Determinacin de la conductividad hidrulica en laboratorio 123 6.6 Relaciones empricas para la conductividad hidrulica 128 6.7 Conductividad hidrulica equivalente en suelos estratifi cados 133 6.8 Pruebas de permeabilidad en campo por bombeo de pozos 135 6.9 Resumen 138 Problemas 138 Referencias 141

7 Filtracin 142

7.1 Introduccin 142 7.2 Ecuacin de continuidad de Laplace 142 7.3 Redes de fl ujo 144 7.4 Clculo de la fi ltracin a partir de una red de fl ujo 146 7.5 Redes de fl ujo en un suelo anisotrpico 150 7.6 Resumen 153 Problemas 153

8 Esfuerzos en una masa de suelo 155

8.1 Introduccin 155

Concepto de esfuerzo efectivo 155

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Contenidox

8.2 Esfuerzos en suelos saturados sin fi ltracin 155 8.3 Esfuerzos en suelos saturados con fi ltracin 159 8.4 Fuerza de fi ltracin 164 8.5 Oscilaciones en suelos debidas al fl ujo en torno a pilotes 166

Aumento vertical del esfuerzo debido a distintos tipos de carga 168 8.6 Esfuerzo causado por una carga puntual 168 8.7 Esfuerzo vertical causado por una carga lineal 170 8.8 Esfuerzo vertical bajo un rea circular uniformemente cargada 171 8.9 Esfuerzo vertical causado por un rea rectangular cargada 1738.10 Resumen 178Problemas 178Referencias 182

9 Consolidacin 183

9.1 Introduccin 183 9.2 Principios de consolidacin 183 9.3 Prueba de consolidacin de laboratorio unidimensional 187 9.4 ndice de vacos-puntos de presin 189 9.5 Arcillas normalmente consolidadas y sobreconsolidadas 191 9.6 Efecto de las perturbaciones en la relacin ndice de vacos-presin 193 9.7 Clculo de asentamiento a partir de una consolidacin primaria en una dimensin 194 9.8 ndice de compresin (Cc) e ndice de abultamiento (Cs) 196 9.9 Asentamiento a partir de la consolidacin secundaria 2019.10 Tasa de consolidacin 2049.11 Coefi ciente de consolidacin 2099.12 Clculo de la consolidacin primaria de un asentamiento bajo una cimentacin 2159.13 Modifi cacin Skempton-Bjerrum para asentamientos de consolidacin 2189.14 Resumen 222Problemas 223Referencias 226

10 Resistencia cortante del suelo 228

10.1 Introduccin 22810.2 Criterio de falla de Mohr-Coulomb 22810.3 Inclinacin del plano de falla causado por cortante 231

Determinacin en laboratorio de los parmetros de resistencia cortante 23210.4 Prueba de corte directo 233

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Contenido xi

10.5 Prueba triaxial de corte 23910.6 Prueba consolidada-drenada 24110.7 Prueba consolidada-no drenada 24910.8 Prueba no consolidada-no drenada 25410.9 Prueba de compresin no confi nada en arcilla saturada 256

10.10 Sensitividad y tixotropa de las arcillas 25910.11 Anisotropa en el esfuerzo cortante no drenado 26010.12 Resumen 262Problemas 262Referencias 265

11 Mejoramiento del suelo 266

11.1 Introduccin 266

Estabilizacin qumica 26711.2 Estabilizacin con cal 26711.3 Estabilizacin con cemento 26911.4 Estabilizacin con ceniza volante 270

Estabilizacin mecnica 27011.5 Vibrofl otacin 27011.6 Compactacin dinmica 27411.7 Blasting 27411.8 Pre-compresin 27411.9 Drenes de arena 279

11.10 Resumen 285Problemas 285Referencias 286

12 Exploracin del subsuelo 287

12.1 Introduccin 28712.2 Programa de exploracin del subsuelo 28812.3 Perforaciones exploratorias en campo 29012.4 Procedimientos para muestrear el suelo 29312.5 Muestreo con tubo muestreador de media caa 29312.6 Muestreo con tubo de pared delgada 29912.7 Observacin de los niveles de agua 30012.8 Prueba de corte con veleta 30012.9 Prueba de penetracin de cono 306

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Contenidoxii

12.10 Prueba del presurmetro (PMT) 31212.11 Prueba del dilatmetro 31412.12 Extraccin de ncleos de roca 31612.13 Preparacin de los registros de perforacin 31812.14 Exploracin geofsica 31812.15 Informe de la exploracin del suelo 32612.16 Resumen 327Problemas 328Referencias 331

13 Estabilidad de taludes 334

13.1 Introduccin 33413.2 Factor de seguridad 33513.3 Estabilidad de taludes infi nitos 33613.4 Taludes fi nitos 34013.5 Anlisis de un talud fi nito con una superfi cie cilndrica de falla general 34413.6 Procedimiento de masa del anlisis de estabilidad (superfi cie circular de

falla cilndrica) 34513.7 Mtodo de las dovelas o rebanadas 36213.8 Mtodo de dovelas simplifi cado de Bishop 36513.9 Anlisis de taludes simples con fi ltracin estacionaria 369

13.10 Procedimiento de masa de estabilidad de taludes arcillosos con fuerzas ssmicas (suelo c-f) 373

13.11 Resumen 373Problemas 375Referencias 378

14 Presin lateral de tierra 379

14.1 Introduccin 37914.2 Presin de tierra en reposo 37914.3 Teora de Rankine de las presiones activa y pasiva de la tierra 38314.4 Diagramas para la distribucin de la presin lateral de tierra en funcin

de los muros de contencin 39014.5 Presin activa Rankine con relleno granular inclinado 40314.6 Teora de Coulomb de la presin de tierra sobre muros de contencin con friccin 40514.7 Presin pasiva suponiendo una superfi cie curva de falla en suelos 41214.8 Resumen 414

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Contenido xiii

Problemas 415Referencias 417

15 Muros de contencin y cortes apuntalados 418

15.1 Introduccin 418

Muros de contencin 41815.2 Muros de contencin en general 41815.3 Dosifi cacin de los muros de contencin 42015.4 Aplicacin de las teoras de presin lateral de tierra al diseo 42115.5 Comprobacin de vuelco 42315.6 Comprobacin de deslizamiento a lo largo de la base 42615.7 Comprobacin de la falla de capacidad de carga 428

Muros de contencin de tierra mecnicamente estabilizados 43615.8 Tierra mecnicamente estabilizada 43615.9 Consideraciones generales de diseo 437

15.10 Muros de contencin reforzados con varilla 43715.11 Procedimiento de diseo paso a paso utilizando tiras metlicas de refuerzo 44015.12 Muros de contencin con refuerzo geotextil 44515.13 Muros de contencin reforzados con geomalla 451

Cortes apuntalados 45515.14 Cortes apuntalados en general 45515.15 Presin lateral de tierra sobre cortes apuntalados 46015.16 Parmetros del suelo para cortes en suelos estratifi cados 46215.17 Diseo de varios componentes de un corte apuntalado 46915.18 Levantamiento del fondo de un corte en arcilla 46915.19 Flexibilidad lateral de los pilotes y asentamiento del terreno 47115.20 Resumen 473Problemas 473Referencias 477

16 Cimentaciones poco profundas: capacidad de carga 478

16.1 Introduccin 47816.2 Capacidad ltima de carga de cimentaciones poco profundas: conceptos generales 47916.3 Teora de Terzaghi de la capacidad ltima de carga 48116.4 Modifi cacin de la ecuacin de capacidad de carga de Terzaghi 48216.5 Modifi cacin de las ecuaciones de capacidad de carga para el nivel fretico 486

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Contenidoxiv

16.6 El factor de seguridad 48716.7 Cimentaciones cargadas excntricamente 49016.8 Mtodo del factor de reduccin de la excentricidad de carga sobre

cimentaciones continuas en un suelo granular 49316.9 Cimentaciones con excentricidad bidireccional 495

16.10 Losas de cimentacin: tipos comunes 50316.11 Capacidad de carga de una malla de cimentacin 50416.12 Cimentaciones compensadas 50616.13 Resumen 508Problemas 509Referencias 510

17 Asentamiento de cimentaciones poco profundas 512

17.1 Introduccin 51217.2 Asentamiento elstico de cimentaciones en suelo de arcilla saturada (ms 0.5) 51217.3 Asentamiento elstico basado en la teora de la elasticidad 51517.4 Rango de parmetros de los materiales para el clculo del asentamiento elstico 52217.5 Asentamiento de suelo arenoso: uso del factor de infl uencia de la deformacin

unitaria 52317.6 Carga admisible para zapatas continuas en arena considerando el asentamiento 52817.7 Presin de carga admisible de una losa de cimentacin en arena 52917.8 Resumen 530Problemas 530Referencias 532

18 Pilotes de cimentacin 533

18.1 Introduccin 53318.2 Necesidad de los pilotes de cimentacin 53318.3 Tipos de pilotes y sus caractersticas estructurales 53518.4 Estimacin de la longitud de un pilote 54218.5 Instalacin de pilotes 54418.6 Mecanismo de transferencia de carga 54618.7 Ecuaciones para la estimacin de la capacidad del pilote 54718.8 Mtodo de Meyerhof para el clculo de qp 54918.9 Resistencia a la friccin, Qs 551

18.10 Capacidad admisible del pilote 55618.11 Capacidad de carga de la punta de un pilote apoyado sobre roca 55718.12 Asentamiento elstico de pilotes 566

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Contenido xv

18.13 Pruebas de carga de pilote 56918.14 Frmulas para la colocacin de pilotes 57218.15 Friccin superfi cial negativa 57618.16 Pilotes agrupados: efi ciencia 57818.17 Asentamiento elstico de un grupo de pilotes 58218.18 Asentamiento de consolidacin de un grupo de pilotes 58318.19 Resumen 586Problemas 587Referencias 591

19 Pozos perforados 592

19.1 Introduccin 59219.2 Tipos de pozos perforados 59319.3 Procedimientos de construccin 59319.4 Estimacin de la capacidad de soporte de carga 59619.5 Pozos perforados en arena: carga ltima neta 59919.6 Pozos perforados en arcilla: carga ltima neta 60319.7 Asentamiento de pozos perforados 60719.8 Capacidad de soporte de carga basada en el asentamiento 60719.9 Resumen 615Problemas 615Referencias 617

Apndice: Geosintticos 619Respuestas a problemas seleccionados 624ndice 630

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Fundamentos de ingeniera de cimentaciones y Fundamentos de ingeniera geotcnica se pu-blicaron originalmente en 1984 y 1985, respectivamente. Estos textos fueron bien recibidos por los instructores, estudiantes y profesionales por igual. Dependiendo de las necesidades de los usuarios, los textos fueron revisados y se encuentran actualmente en su sptima edicin. Estos textos han sido traducidos a varios idiomas.

Hacia fi nales de 1998 hubo varias peticiones para preparar un solo volumen que fuera de la naturaleza concisa pero que combinara los componentes esenciales de los Fundamentos de ingeniera en cimentaciones y los Fundamentos de ingeniera geotcnica. En respuesta a esas peticiones, la primera edicin de Fundamentos de ingeniera geotcnica se public en 2000, seguida por la segunda y tercera ediciones de 2005 y 2008, respectivamente. Estas ediciones incluyen los conceptos fundamentales de la mecnica de suelos, as como tcnicas de cimenta-cin, incluida la capacidad de carga y asentamiento de cimentaciones superfi ciales (zapatas y mallas extendidas), muros de contencin, cortes apuntalados, pilotes y pozos perforados.

Esta cuarta edicin se ha revisado y elaborado con base en los comentarios recibidos de varios revisores y usuarios sin necesidad de cambiar la fi losofa en la que el texto se redact ori-ginalmente. Al igual que en las ediciones anteriores, las unidades SI se utilizan en todo el texto. Esta edicin consiste de 19 captulos y un apndice. Entre los principales cambios respecto a la tercera edicin se incluyen los siguientes:

En el captulo 2 sobre Origen de los depsitos del suelo, tamao de grano y forma, se ha aadido el proceso de la formacin de diversos tipos de rocas (es decir, el ciclo de las rocas).

Relaciones peso-volumen y plasticidad es ahora el captulo 3. Clasifi cacin de suelos se presenta por separado en el captulo 4.

En el Captulo 5 sobre Compactacin de suelos se han aadido varias relaciones empricas desarrolladas recientemente para estimar el peso especfi co seco mximo y el contenido ptimo de humedad.

Conductividad hidrulica y Filtracin se presentan ahora en dos captulos separados (captulos 6 y 7). La construccin neta de fl ujo anisotrpico en suelos es un tema aadido en el captulo 7 sobre Filtracin.

El captulo 11 sobre Mejoramiento del suelo es un captulo nuevo y brevemente trata temas relacionados con estabilizaciones qumicas y mecnicas. Los temas cubiertos por la estabilizacin mecnica como vibrofl otacin, compactacin dinmica, voladura,

Prefacio

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Prefacioxviii

precompresin y drenes de arena han sido recopilados de captulos sobre la compactacin y consolidacin que aparecieron en las ediciones anteriores.

Exploracin del subsuelo (captulo 12) se ha colocado antes del captulo sobre Estabilidad de taludes (captulo 13). Se ha aadido una seccin sobre exploracin geofsica al captulo 12.

El captulo 15 sobre Muros de contencin y cortes apuntalados se presenta ahora antes del captulo sobre Cimentaciones poco profundas: capacidad de carga (captulo 16).

El captulo de cimentaciones poco profundas presentadas en el captulo 12 de la tercera edicin ya ha sido tratado en sendos captulos: Capacidad de carga, en el captulo 16, y Asentamiento en el captulo 17. El captulo 17 sobre Asentamiento de cimentaciones poco profundas se ha dedicado a la estimacin del asentamiento elstico slo a partir del asentamiento de consolidacin discutido en el captulo 9.

Pilotes de cimentacin y Pozos perforados se presentan ahora en dos captulos separados (captulos 18 y 19).

Se ha aadido un nuevo apndice sobre Geosintticos, introduciendo en primer lugar a los lectores al geotextil y la geomalla en su relacin con la construccin de muros de contencin de tierra estabilizada mecnicamente (MSE).

La mayora de los problemas de ejemplo y problemas de tarea son nuevos. Se ha aadido una serie de nuevas fotografas.

En el aula es importante hacer hincapi en la diferencia entre la mecnica de suelos y las cimentaciones. La mecnica de suelos es la rama de la ingeniera que implica el estudio de las propiedades de los suelos y su comportamiento bajo esfuerzos y las deformaciones en condi-ciones idealizadas. La cimentacin aplica los principios de la mecnica de suelos y la geologa en la planeacin, el diseo y construccin de cimentaciones de edifi cios, carreteras, presas, etc. A partir de las condiciones idealizadas de la mecnica de suelos se hacen necesarias aproxima-ciones y deducciones para el diseo adecuado de cimientos, ya que, en la mayora de los casos, los depsitos naturales del suelo no son homogneos. Sin embargo, para que una estructura funcione correctamente, estas aproximaciones pueden ser realizadas slo por un ingeniero que tenga una buena formacin en mecnica de suelos. Este libro proporciona ese respaldo.

Fundamentos de ingeniera geotcnica est abundantemente ilustrado para ayudar a los estudiantes a entender el material. En cada captulo se incluyen varios ejemplos. Al fi nal de cada uno de los captulos se proporcionan problemas para la asignacin de tarea y todos ellos estn en unidades del SI .

Materiales y recursos para el instructor (en ingls)Un Manual de soluciones del instructor y diapositivas de PowerPoint detalladas de fi guras y tablas, as como ecuaciones y ejemplos del libro, estn disponibles para los instructores a travs de un sitio web protegido por contrasea.

Materiales y recursos para el estudiante (en ingls)Preguntas de autoevaluacin de opcin mltiple con respuestas para cada captulo estn dispo-nibles para los estudiantes en el sitio web del libro. Los estudiantes tambin pueden benefi ciarse de estas preguntas como una herramienta prctica en la preparacin para exmenes de licencias profesionales de ingeniera.

Para acceder a los materiales adicionales del curso, visite por favor www.cengagebrain.com. En la pgina de inicio de cengagebrain.com busque el ISBN del ttulo en ingls, utilizando el cuadro de bsqueda en la parte superior de la pgina. Esto le llevar a la pgina del producto en

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Prefacio xix

donde se pueden encontrar estos recursos. Si necesita una contrasea, vaya a www.cengage.com/engineering y siga las indicaciones para los Recursos del instructor.

Deseo reconocer a las siguientes personas por sus tiles revisiones y comentarios sobre el manuscrito:

Fred Boadu, Duke UniversityAntonio Carraro, Colorado State UniversityAshraf S. Elsayed, Arkansas State UniversityDavid Elton, Auburn UniversitySyed Waqar Haider, Michigan State UniversityAndrew Heydinger, University of ToledoJonathan Istok, Oregon State UniversitySanjay K. Shukla, Edith Cowan University, Australia

Mi esposa, Janice, ha sido una fuente constante de inspiracin y ayuda en la realizacin del proyecto. Tambin me gustara agradecer a Christopher Shortt, Editor; Randall Adams, Editor Senior de Adquisiciones; Hilda Gowans, Editor Senior de Desarrollo; Lauren Betsos, Gerente de Marketing, todos de Cengage Learning, y a Rose Keman, de Servicios Editoriales RPK, por su inters y paciencia durante la revisin y elaboracin del manuscrito.

Braja M. DasHenderson, Nevada

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1.2 La ingeniera geotcnica antes del siglo XVIII 1

1.1 Introduccin

Para propsitos de ingeniera, el suelo se defi ne como el agregado no cementado de granos mi-nerales y materia orgnica descompuesta (partculas slidas) con lquido y gas en los espacios vacos entre las partculas slidas. El suelo se utiliza como material de construccin en diver-sos proyectos de ingeniera civil y con cimientos estructurales. Por lo tanto, los ingenieros ci-viles deben estudiar las propiedades del suelo, tales como el origen, la distribucin de tamao de grano, la capacidad de drenar el agua, compresin, resistencia al corte y la capacidad de soporte de carga. La mecnica de suelos es la aplicacin de la ciencia fsica que se ocupa del estudio de las propiedades fsicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelos sometidos a diferentes tipos de fuerzas. La ingeniera de suelos es la aplicacin de los princi-pios de la mecnica de suelos a problemas prcticos. La ingeniera geotcnica es la rama de la ingeniera civil que enfoca su estudio en las propiedades mecnicas e hidrulicas de suelos y rocas, tanto en superfi cie como en el subsuelo, incluyendo la aplicacin de los principios de la mecnica de suelos y mecnica de rocas en el diseo de los cimientos, estructuras de con-tencin y las estructuras de tierra.

1.2 La ingeniera geotcnica antes del siglo XVIII

El registro de la primera persona que utiliz el suelo como material de construccin se pierde en la antigedad. En trminos de ingeniera civil, la comprensin de la ingeniera geotcnica, como se conoce hoy en da, comenz a principios del siglo XVIII (Skempton, 1985). Durante aos, el arte de la ingeniera geotcnica se bas slo en las experiencias del pasado a travs de una sucesin de experimentos sin ningn carcter cientfi co real. En base a estos experimentos, muchas estructuras fueron construidas, algunas de las cuales se han derrumbado, mientras otras se mantienen en pie.

La historia escrita nos dice que las civilizaciones antiguas fl orecieron a lo largo de las orillas de los ros, como el Nilo (Egipto), el Tigris y el ufrates (Mesopotamia), el Huang Ho (ro Amarillo, China) y el Indo (India). Hay diques que datan de alrededor del ao 2000 a.C. y fueron construidos en la cuenca del Indo para proteger la ciudad de Mohenjo Dara (que se convirti en Pakistn despus de 1947). Durante la dinasta Chan en China (1120 a.C. a 249 a.C.), muchos diques fueron construidos para el riego. No hay evidencia de que se hayan toma-do medidas para estabilizar los cimientos o comprobar la erosin causada por las inundaciones

C A P T U L O 1Ingeniera geotcnica: desde el principio

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Captulo 1: Ingeniera geotcnica: desde el principio2

(Kerisel, 1985). La antigua civilizacin griega utiliz zapatas aisladas y cimientos de madera para la construccin de estructuras. Alrededor del ao 2700 a.C. se construyeron varias pirmi-des en Egipto, la mayora de las cuales fueron construidas como tumbas para los faraones del pas y sus consortes durante los periodos del Imperio Antiguo y Medio. La tabla 1.1 enumera algunas de las principales pirmides identifi cadas por el faran que orden su construccin. A partir de 2008 se han descubierto un total de 138 pirmides en Egipto. La fi gura 1.1 muestra una vista de las pirmides de Giza. La construccin de las pirmides plantea desafos formidables sobre cimentaciones, estabilidad de taludes y la construccin de cmaras subterrneas. Con la llegada del budismo a China durante la dinasta Han del Este en el 68 d.C. se construyeron miles de pagodas. Muchas de estas estructuras fueron construidas con limo y blandas capas de arcilla. En algunos casos la presin de base excede la capacidad de soporte de carga del suelo y con ello caus grandes daos estructurales.

Uno de los ejemplos ms famosos de los problemas relacionados con la capacidad de soporte del suelo en la construccin de estructuras anteriores al siglo XVIII es la Torre de Pisa

Las pirmides ms grandes de Egipto

Reinado del faranLocalizacinPirmide/Faran

Tabla 1.1

21620362araqqaSresojD a.C. 98522162)etroN( ruhsaDurefenS a.C. 98522162)ruS( ruhsaDurefenS a.C. 98522162mudieMurefenS a.C. 66529852aziGufuhK a.C. 85526652hsawaR ubAerfedejD a.C. 23528552aziGerfahK a.C. 40522352aziGeruakneM a.C.

Figura 1.1 Vista de las pirmides de Giza (Cortesa de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

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1.2 La ingeniera geotcnica antes del siglo XVIII 3

en Italia (fi gura 1.2). La construccin de la torre comenz en 1173 d.C., cuando la Repblica de Pisa era prspera, y continu en varias etapas durante ms de 200 aos. La estructura pesa alrededor de 15 700 toneladas mtricas y est soportada por una base circular que tiene un dimetro de 20 m. La torre se ha inclinado en el pasado hacia el este, norte, oeste y, por ltimo, hacia el sur. Investigaciones recientes mostraron que existe una capa de arcilla dbil a una pro-fundidad de aproximadamente 11 m, la compresin ha provocado que la torre se incline. Se ha desviado ms de 5 m de la alineacin con la altura de 54 m. La torre fue cerrada en 1990 porque se tema que iba a caer o colapsar. Recientemente se ha estabilizado mediante la excavacin del suelo de la parte norte de la torre. Se retiraron alrededor de 70 toneladas mtricas de tierra en 41 extracciones por separado que extendieron el ancho de la torre. A medida que el suelo se asent gradualmente para llenar el espacio resultante, la inclinacin de la torre disminuy. La torre ahora est inclinada 5 grados. El cambio en medio grado no es perceptible, pero hace a la estructura considerablemente ms estable. La fi gura 1.3 es un ejemplo de un problema similar. Las torres mostradas en la fi gura 1.3 se encuentran en Bolonia, Italia, y fueron construidas en el

Figura 1.2 Torre inclinada de Pisa, Italia (Cortesa de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

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siglo XII. La torre de la izquierda es la Torre Garisenda. Tiene 48 m de altura y pesa alrededor de 4210 toneladas mtricas. Se ha inclinado aproximadamente 4 grados. La torre de la derecha es la torre Asinelli, que es de 97 m de altura y pesa 7300 toneladas. Se ha inclinado aproxima-damente 1.3 grados.

Despus de encontrarse con varios problemas relacionados con la cimentacin durante la construccin en los siglos pasados , los ingenieros y cientfi cos comenzaron a estudiar las propiedades y el comportamiento de los suelos de una manera ms metdica comenzando en la primera parte del siglo XVIII. Basado en el nfasis y la naturaleza del estudio en el rea de la in-geniera geotcnica, el lapso de tiempo que se extiende desde 1700 hasta 1927 se puede dividir en cuatro periodos principales (Skempton, 1985):

1. Periodo Preclsico (1700 a 1776) 2. Mecnica de suelos: periodo Clsico-Fase I (1776 a 1856)

Figura 1.3 Inclinacin de la Torre de Garisenda (izquierda) y la Torre Asinelli, en Bolonia, Italia (Cortesa de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

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1.4 Mecnica de suelos Clsica-Fase I (1776-1856) 5

3. Mecnica de suelos: periodo Clsico-Fase II (1856 a 1910) 4. Mecnica de suelos moderna (1910 a 1927)

A continuacin se analizan descripciones breves de algunos desarrollos importantes du-rante cada uno de estos periodos.

1.3 Periodo Preclsico de la mecnica de suelos (1700-1776)

Este periodo se concentr en los estudios relativos a la pendiente natural y pesos unitarios de diversos tipos de suelos, as como las teoras de empuje semiempricas. En 1717, un ingeniero real francs, Henri Gautier (1660-1737), estudi la pendiente natural de los suelos cuando se inclin sobre una pila para formular los procedimientos de diseo de muros de contencin. La pendiente natural es lo que hoy conocemos como el ngulo de reposo. Segn este estudio, la pendiente natural de la arena seca limpia y la tierra comn fueron de 31 y 45, respectiva-mente. Adems, los pesos unitarios de la arena seca limpia y la tierra comn fueron recomen-dados para ser 18.1 kN/m3 y 13.4 kN/m3, respectivamente. No se inform de los resultados de pruebas en arcilla. En 1729, Bernard Forest de Belidor (1694-1761) public un libro de texto para los ingenieros militares y civiles en Francia. En el libro propuso una teora para la presin lateral de la tierra sobre los muros de contencin que fue un seguimiento al estudio original de Gautier (1717). Tambin especifi ca un sistema de clasifi cacin de suelos de la manera mostrada en la siguiente tabla.

Peso unitario

m/NkClasificacin 3

Rocaa 7.61Arena firme o dura

4.8113.4

Arena compresibleTierra comn (como la que se encuentra en lugares secos)

0.61Tierra suave (limo primario)9.81Arcilla

Turba

Los primeros resultados de las pruebas de un modelo de laboratorio sobre un muro de contencin de 76 mm de altura construido con relleno de arena fueron reportados en 1746 por un ingeniero francs, Francois Gadroy (1705-1759), quien observ la existencia de planos de deslizamiento en el suelo como una falla. El estudio de Gadroy fue resumido ms tarde por J. J. Mayniel en 1808. Otra contribucin notable durante este periodo fue la del ingeniero fran-cs Jean Rodolphe Perronet (1708-1794), quien estudi la estabilidad de taludes alrededor del ao 1769 y distingui entre la tierra intacta y saturada.

1.4 Mecnica de suelos Clsica-Fase I (1776-1856)

Durante este periodo, la mayor parte de los desarrollos en el rea de la ingeniera geotcnica vino de ingenieros y cientfi cos en Francia. En el periodo Preclsico prcticamente todas las consideraciones tericas utilizadas en el clculo de la presin lateral de la tierra sobre los muros de contencin se basaban en una superfi cie de falla apoyada arbitrariamente en el suelo. En su

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famoso trabajo presentado en 1776, el cientfi co francs Charles Augustin de Coulomb (1736- 1806) utiliz los principios de clculo de mximos y mnimos para determinar la verdadera posicin de la superfi cie de deslizamiento en el suelo detrs de un muro de contencin. En este anlisis Coulomb utiliza las leyes de la friccin y la cohesin de los cuerpos slidos. En 1790, el distinguido ingeniero civil francs Gaspard Marie Claire Riche de Brony (1755-1839) incluye la teora de Coulomb en su libro de texto ms importante, Nouvelle Arquitectura Hydraulique (vol. 1). En 1820, los casos especiales de trabajo de Coulomb fueron estudiados por el ingeniero francs Jacques Frederic Francais (1775-1833) y por el profesor de mecnica aplicada francs Claude Louis Marie Henri Navier (1785-1836); estos casos especiales relacionados con relle-nos y rellenos de apoyo con recargo inclinados. En 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867), un ingeniero del ejrcito y profesor de mecnica, extendi la teora de Coulomb, proporcionando un mtodo grfi co para determinar la magnitud de la presin lateral de la tierra en las paredes de retencin verticales e inclinadas con superfi cies poligonales de tierra arbitrariamente rotas. Poncelet fue tambin el primero en utilizar el smbolo f para el ngulo de friccin del suelo. l tambin proporcion la primera teora sobre cojinetes de capacidad extrema en cimentaciones superfi ciales. En 1846, el ingeniero Alexandre Collin (1808-1890) proporcion los detalles de deslizamientos profundos en las laderas de arcilla, cortes y terraplenes. Collin teorizaba que, en todos los casos, la falla se lleva a cabo cuando la cohesin movilizada excede la cohesin existente del suelo. Tambin observ que las superfi cies reales de fallo pueden ser aproximadas como arcos de cicloides.

El fi nal de la primera fase del periodo Clsico de la mecnica de suelos est generalmen-te marcada por el ao (1857) de la primera publicacin de William John Macquorn Rankine (1820-1872), profesor de ingeniera civil en la Universidad de Glasgow. Este estudio proporcio-na una teora notable sobre el empuje y el equilibrio de las masas de tierra. La teora de Rankine es una simplifi cacin de la teora de Coulomb.

1.5 Mecnica de suelos Clsica-Fase II (1856-1910)

Varios resultados experimentales de las pruebas de laboratorio en la arena aparecieron en la literatura en esta fase. Una de las publicaciones iniciales y ms importante es la del ingeniero francs Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858). En 1856 public un estudio sobre la per-meabilidad de los fi ltros de arena. En base a dichas pruebas Darcy defi ne el trmino de coefi -ciente de permeabilidad (o conductividad hidrulica) del suelo, un parmetro muy til en la ingeniera geotcnica hasta hoy da.

Sir George Howard Darwin (1845-1912), profesor de astronoma, llev a cabo pruebas de laboratorio para determinar el momento de vuelco en una pared de arena con bisagras de retencin en los estados suelto y denso de la compactacin. Otra contribucin notable, que fue publicada en 1885 por Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), fue el desarrollo de la teora de la distribucin de tensiones bajo las reas de rodamientos cargados en un medio homogneo, semiinfi nito, elstico e istropo. En 1887, Osborne Reynolds (1842-1912) demostr el fenme-no de dilatancia en la arena. Otros estudios notables durante este periodo son aquellos hechos por John Clibborn (1847-1938) y John Stuart Beresford (1845-1925) en relacin con el fl ujo de agua a travs del lecho de arena y la presin de elevacin. El estudio de Clibborn se public en el Tratado de ingeniera civil, vol. 2: Trabajo de riego en la India, Roorkee, 1901, y tambin en el Documento Tcnico nm. 97 del Gobierno de la India, 1902. El estudio de Beresford de 1898 sobre la elevacin de la presin en el Narora Weir en el ro Ganges se ha documentado en el Documento Tcnico nm. 97 del Gobierno de la India, 1902.

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1.7 La ingeniera geotcnica despus de 1927 7

1.6 Mecnica de suelos moderna (1910-1927)

En este periodo, los resultados de la investigacin llevada a cabo en arcillas se publicaron y se establecieron las propiedades y los parmetros fundamentales de la arcilla. Las publicaciones ms relevantes se describen a continuacin.

Alrededor de 1908, Albert Mauritz Atterberg (1846-1916), un qumico y cientfi co sueco del suelo, defi ne las fracciones de arcilla de tamao natural como el porcentaje en peso de par-tculas menores de 2 micras de tamao. Se dio cuenta de la importancia del papel de las partcu-las de arcilla en un suelo y la plasticidad de los mismos. En 1911 explic la consistencia de los suelos cohesivos mediante la defi nicin de lquido, plstico y los lmites de contraccin. Tambin defi ni el ndice de plasticidad como la diferencia entre el lmite lquido y lmite plstico (ver Atterberg, 1911).

En octubre de 1909 la presa de tierra de 17 m de altura en Charmes, Francia, fall. Haba sido construida entre 1902 y 1906. Un ingeniero francs, Jean Fontard (1884-1962), llev a cabo investigaciones para determinar la causa del fallo. En ese contexto se realizaron pruebas de doble corte en muestras de arcilla sin ser drenadas (0.77 m2 de superfi cie y 200 mm de espesor) bajo tensin vertical constante para determinar sus parmetros de resistencia al corte (ver Frontard, 1914). Los tiempos para la falla de estos especmenes fueron de entre 10 y 20 minutos.

Arthur Langley Bell (1874-1956), un ingeniero civil ingls, trabaj en el diseo y la construccin del dique exterior en el Rosyth Dockyard. Basndose en su trabajo desarroll re-laciones de presin lateral y resistencia en la arcilla, as como de capacidad de carga en cimen-taciones superfi ciales en arcilla (ver Bell, 1915). Tambin utiliz las pruebas de caja de cizalla para medir la resistencia al corte sin drenaje de las muestras de arcilla inalteradas.

Wolmar Fellenius (1876-1957), un ingeniero sueco, desarroll el anlisis de la estabilidad de las pistas de arcilla saturadas (es decir, condicin f = 0) con el supuesto de que la superfi cie de deslizamiento crtico es el arco de una circunferencia. stos fueron elaborados sobre sus artculos publicados en 1918 y 1926. El artculo publicado en 1926 dio soluciones numricas correctas para los nmeros de estabilidad de las superfi cies de deslizamiento circulares que pasan por el pie del talud.

Karl Terzaghi (1883-1963), de Austria (fi gura 1.4), desarroll la teora de la consolida-cin de las arcillas como la conocemos hoy en da. La teora fue desarrollada cuando Terzaghi fue profesor en el American Robert College de Estambul, Turqua. Su estudio abarc un periodo de cinco aos (1919-1924) y se utilizaron cinco diferentes suelos arcillosos. El lmite lquido de los suelos oscil entre 36 y 67, y el ndice de plasticidad estaba en el rango de 18 a 38. La teora de la consolidacin se public en el clebre libro Erdbaumechanik Terzaghi en 1925.

1.7 La ingeniera geotcnica despus de 1927

La publicacin de Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage por Karl Terzaghi en 1925 dio luz a una nueva era en el desarrollo de la mecnica de suelos. Karl Terzaghi es conocido como el padre de la mecnica de suelos moderna. Terzaghi (fi gura 1.4) naci el 2 de octubre de 1883 en Praga, que era entonces la capital de la provincia austriaca de Bohemia. En 1904 se gra-du en la Technische Hochschule de Graz, Austria, con una licenciatura en ingeniera mecnica. Despus de su graduacin trabaj un ao en el ejrcito austriaco. Al concluir su servicio militar Terzaghi estudi un ao ms, concentrndose en temas geolgicos. En enero de 1912 recibi

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el grado de Doctor en Ciencias Tcnicas de su alma mater en Graz. En 1916 acept un puesto de profesor en la Escuela Imperial de Ingenieros en Estambul. Despus de concluir la Primera Guerra Mundial imparti ctedra en el American Robert College de Estambul (1918-1925). All comenz su trabajo de investigacin sobre el comportamiento de los suelos y la compactacin de las arcillas y la falla debidos a los ductos en la arena bajo las presas. La publicacin Erdbau-mechanik es principalmente el resultado de esta investigacin.

En 1925, Terzaghi acept una ctedra visitante en el Massachusetts Institute of Techno-logy, donde trabaj hasta 1929. Durante ese tiempo fue reconocido como el lder de la nueva rama de la ingeniera civil denominada mecnica de suelos. En octubre de 1929 regres a Eu-ropa para aceptar una ctedra en la Universidad Tcnica de Viena, que pronto se convirti en el ncleo de ingenieros civiles interesados en la mecnica de suelos. En 1939 regres a Estados Unidos para convertirse en profesor de la Universidad de Harvard.

Figura 1.4 Karl Terzaghi (1883-1963) (SSPL, va Getty Images)

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La primera conferencia de la Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos e Ingeniera de Cimentaciones (ISSMFE) se celebr en la Universidad de Harvard en 1936, presidida por Karl Terzaghi. Dicha conferencia fue posible gracias a la conviccin y el esfuerzo del profesor Arthur Casagrande, de la Universidad de Harvard. Alrededor de 200 personas de 21 pases asistieron a esta conferencia. Fue a travs de la inspiracin y gua de Terzaghi durante el cuarto de siglo anterior, que los documentos fueron llevados a esa conferencia que cubre una amplia gama de temas, como:

Esfuerzos efectivos Resistencia al corte Prueba con el penetrmetro de cono holands Consolidacin Pruebas de centrifugado Teora elstica y distribucin de los esfuerzos Precarga para el control de asentamiento Expansin de las arcillas Accin del hielo Terremoto y licuefaccin del suelo Vibraciones de mquinas Teora de arco de presin de tierras

Para el siguiente cuarto de siglo Terzaghi fue el espritu que gui el desarrollo de la me-cnica de suelos e ingeniera geotcnica en todo el mundo. A tal efecto, en 1985, Ralph Peck (fi gura 1.5) escribi que algunas personas durante toda la vida de Terzaghi se han puesto de acuerdo en que no era slo el espritu rector de la mecnica de suelos, sino que era el centro de coordinacin de la investigacin y la aplicacin en todo el mundo. En los prximos aos se dedicar a proyectos en todos los continentes, principalmente en Australia y la Antrtida. Peck continu: Por lo tanto, an hoy casi no se pueden mejorar sus evaluaciones actuales del estado de la mecnica de suelos, expresada en sus documentos de resumen y discursos presidenciales. En 1939, Terzaghi dict la conferencia James Forrest 45 en el Instituto de Ingenieros Civiles de Londres; su conferencia se titul Mecnica de suelos: Una nueva etapa en ciencias de la ingeniera. En ella afi rmaba que la mayora de las fallas de cimentacin que se produjeron no fueron actos de Dios.

A continuacin se presentan algunos aspectos destacados en el desarrollo de la mecnica de suelos e ingeniera geotcnica que se desarroll despus de la primera conferencia de la ISSMFE en 1936:

Publicacin del libro terico Mecnica de suelos de Karl Terzaghi en 1943 (Wiley, Nueva York);

Publicacin de Mecnica de suelos en la prctica de ingeniera de Karl Terzaghi y Peck Ralph en 1948 (Wiley, Nueva York);

Publicacin de Fundamentos de mecnica de suelos, de Donald W. Taylor, en 1948 (Wiley, Nueva York), e

Inicio de la publicacin en 1948 de Geotechnique, la revista internacional de la mecnica de suelos, en Inglaterra.

Despus de una breve interrupcin durante la Segunda Guerra Mundial, en 1948 se ce-lebr la segunda conferencia de la ISSMFE en Rotterdam, Holanda. Asistieron cerca de 600 participantes y se publicaron siete volmenes de actas. En esta conferencia, A. W. Skempton present el documento de referencia sobre concepto f = 0 para arcillas. Despus de Rotterdam

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se han organizado conferencias de la ISSMFE cada cuatro aos en diferentes partes del mundo. En consecuencia, las conferencias de Rotterdam incrementaron las conferencias regionales so-bre el tema de la ingeniera geotcnica, destacando las siguientes:

Conferencia Regional Europea de Estabilidad de Taludes, Estocolmo (1954) Primera Conferencia de Australia y Nueva Zelandia sobre las Caractersticas de Corte de

Suelos (1952) Primera Conferencia Panamericana, Ciudad de Mxico (1960) Conferencia de Investigacin de Resistencia al Corte de los Suelos Cohesivos, Boulder,

Colorado (1960)

Otros dos hitos importantes entre 1948 y 1960 son: (l) la publicacin del artculo de A. W. Skempton sobre los coefi cientes de presin para diversas obras de ingeniera y (2) la publica-

Figura 1.5 Ralph B. Peck (Foto cortesa de Ralph P. Beck)

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cin del libro titulado The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Text, por A. W. Bishop y B. J. Henkel (Arnold, Londres) en 1957.

A principios de la dcada de 1950, las soluciones a diferencias fi nitas y de elementos fi nitos con ayuda de computadoras se aplicaban a varios tipos de problemas de ingeniera geo-tcnica. stos siguen siendo una herramienta de clculo importante y til en nuestra profesin. Desde los primeros das la profesin de la ingeniera geotcnica ha recorrido un largo camino y ha madurado. Ahora es una rama establecida de la ingeniera civil y miles de ingenieros civiles declaran a la ingeniera geotcnica como su rea preferida de especialidad.

En 1997 la ISSMFE fue cambiado a ISSMGE (Sociedad Internacional de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica) para refl ejar su verdadero alcance. Estas conferencias interna-cionales han sido fundamentales para el intercambio de informacin sobre nuevos desarrollos y actividades de investigacin en curso en ingeniera geotcnica. La tabla 1.2 proporciona la ubicacin y el ao en que se realiz cada conferencia de la ISSMFE/ISSMGE.

En 1960, Bishop, Alpan, Tizn y Donald proporcionan pautas tempranas y resultados experimentales de los factores que controlan la resistencia de los suelos cohesivos parcialmente saturados. Desde ese momento se han hecho avances en el estudio del comportamiento de los suelos insaturados en relacin con la fuerza y la compresibilidad, y otros factores que afectan a la construccin de apoyos y estructuras de retencin de tierra.

La ISSMGE tiene varios comits tcnicos y estos comits organizan o copatrocinan va-rias conferencias en todo el mundo. Una lista de estos comits tcnicos (2010-2013) se pro-porciona en la tabla 1.3. La ISSMGE tambin lleva a cabo seminarios internacionales (antes conocidos como Touring Lectures) que han demostrado ser una actividad importante que rene a los profesionales, contratistas y acadmicos, tanto en el medio como entre el pblico, para su propio benefi cio, independientemente de la regin, el tamao o la riqueza de la sociedad de miembros, fomentando as el sentimiento de pertenencia a la Sociedad Internacional de Mec-nica de Suelos e Ingeniera Geotcnica.

Detalle de las conferencias de la ISSMFE (1936-1997) y la ISSMGE (1997-2013)AoLugarConferencia

I Harvard University, Boston, E.U. 1936II Rotterdam, Pases bajos 1948

3591Suiza,hciruZIII7591Londres, InglaterraVI1691Francia,sraPV5691danaC,laertnoMIV9691Ciudad de Mxico, MxicoIIV3791Mosc, URSSIIIV7791npaJ,oykoTXI1891Estocolmo, SueciaX5891E.U.,ocsicnarF naSIX9891lisarB,orienaJ ed oiRIIX4991Nueva Delhi, IndiaIIIX7991Hamburgo, AlemaniaVIX1002Estambul, TurquaVX5002npaJ,akasOIVX9002Egipto,airdnaxelAIIVX

3102Francia,sraPIIIVX

Tabla 1.2

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1.8 Fin de una era

En la seccin 1.7 se present un breve resumen de las aportaciones realizadas a la mecnica de suelos moderna por pioneros como Karl Terzaghi, Arthur Casagrande, Donald W. Taylor y Ralph B. Peck. El ltimo de los primeros gigantes de la profesin, Ralph B. Peck, falleci el 18 de febrero de 2008, a la edad de 95 aos.

El profesor Ralph B. Peck naci en Winnipeg, Canad, de padres estadounidenses, Orwin K. Peck y Ethel H., el 23 de junio de 1912. Recibi sus ttulos B.S. y doctorado en 1934 y 1937, respectivamente, del Instituto Politcnico Rensselaer, Troy, Nueva York. Du-rante el periodo 1938-1939 tom cursos de Arthur Casagrande en la Universidad de Harvard sobre un nuevo tema llamado Mecnica de suelos. De 1939 a 1943 el Dr. Peck trabaj como asistente de Karl Terzaghi, el padre de la mecnica de suelos moderna, en el proyecto del metro de Chicago. En 1943 se uni a la Universidad de Illinois en Champaign-Urbana y fue profesor de ingeniera de cimentaciones desde 1948 hasta su jubilacin en 1974. Despus de

Lista de los comits de la ISSMGE (2010-2013)

Nombre del comit tcnico

Nmerode comittcnicoCategora

Fundamentos

Aplicaciones

TC101 Laboratorio de pruebas de esfuerzo de geomateriales

Impacto en la sociedad

Aspectos geotcnicos de los diques y bordos, proteccin de

Preservacin de sitios histricos

TC102 Caracterizacin de ensayos in situ sobre propiedades del suelo

TC104 Modelado fsico en ingeniera geotcnicaTC103 Mtodos numricos en geomecnica

TC105 Geomecnica de micro a macroTC106 Suelos no saturadosTC201

la costa y recuperacin de tierras

de suelo blando

TC202 Ingeniera geotcnica de transporte

TC204 Construccin subterrnea en suelo blandoTC203 Ingeniera geotcnica de terremotos y problemas asociados

TC205 Diseo de lmites estatales en ingeniera geotcnicaTC206 Diseo geotcnico interactivoTC207 Interaccin suelo-estructura y muros de contencinTC208 Estabilidad de taludes naturalesTC209 Geotecnia en alta marTC210 Diques y embalsesTC211 Mejoramiento de suelosTC212 Cimentaciones profundasTC213 Geotecnia de la erosin del sueloTC214 Ingeniera de cimentaciones para las difciles condiciones

TC215 Geotecnia ambientalTC216 Geotecnia en hieloTC301TC302 Ingeniera geotcnica forenseTC303 Mitigacin de catstrofes y rehabilitacin costera y de rosTC304 Prcticas en ingeniera de evaluacin y gestin de riesgosTC305 Infraestructura geotcnica para megaciudades y nuevas capitales

Tabla 1.3

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1.8 Fin de una era 13

su jubilacin estuvo activo en la consultora, que incluy grandes proyectos geotcnicos en 44 estados en Estados Unidos y otros 28 pases de los cinco continentes. Algunos ejemplos de sus principales proyectos de consultora incluyen:

Los sistemas de trnsito rpido en Chicago, San Francisco y Washington, DC El sistema de oleoducto de Alaska Proyecto de James Bay en Quebec, Canad Proyecto de tren expreso de Heathrow (Reino Unido) Diques del Mar Muerto

Su ltimo proyecto fue el puente Rio-Antirio en Grecia. El 13 de marzo de 2008, The Ti-mes del Reino Unido public: Ralph B. Peck era un ingeniero civil estadounidense que invent una polmica tcnica de construccin que se utiliza en algunas de las maravillas modernas de ingeniera del mundo, incluyendo el Canal de la Mancha. Conocido como el padrino de la me-cnica de suelos, era directamente responsable de una serie de clebres proyectos de tneles y de represas de tierra que empujaron los lmites de lo que se crea que era posible.

El Dr. Peck fue autor de ms de 250 publicaciones tcnicas altamente distinguidas. l fue presidente de la ISSMGE de 1969 a 1973. En 1974 recibi la Medalla Nacional de Ciencia del presidente Gerald R. Ford. El profesor Peck era maestro, mentor, amigo y consejero de ge-neraciones de ingenieros geotcnicos en todos los pases del mundo. La Conferencia ISSMGE 16 en Osaka, Japn (2005), sera la ltima gran conferencia de este tipo a la que asistira.

La fi gura 1.6 muestra una fotografa del Dr. Peck durante una visita al Parque de Karl Ter-zaghi en la Universidad Bogazii (antes American Robert College) durante la XV Conferencia ISSMGE en Estambul.

ste es realmente el fi nal de una era.

Figura 1.6 El Dr. Ralph Peck en Karl Terzaghi Park en la Universidad Bogazii de Estambul, Turqua, durante la Conferencia ISSMGE 2001 (Cortess de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

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Captulo 2: Origen de los depsitos del suelo, tamao de grano y forma16

2.1 Introduccin

Durante la planifi cacin, diseo y construccin de cimientos, muros de contencin y estructuras de retencin de tierras, a los ingenieros les resulta til conocer el origen del depsito de suelo sobre el que se va a construir la estructura propuesta, ya que cada depsito presenta caractersticas geo-mecnicas nicas. La mayor parte de los suelos que cubren la superfi cie de la tierra estn formados por la erosin de las rocas. Las propiedades fsicas del suelo se establecen principalmente por los minerales que constituyen las partculas del suelo y, por lo tanto, la roca de la cual se deriv.

En este captulo se establece lo siguiente:

Un esquema general de los procesos por los cuales se forman los diferentes tipos de rocas (ciclo de las rocas).

La erosin de la roca y la naturaleza de la formacin de diversos tipos de depsitos de suelo (proceso sedimentario).

Anlisis granulomtrico y forma de las partculas del suelo.

2.2 Ciclo de las rocas y origen del suelo

Los granos minerales que forman la fase slida de un agregado del suelo son el producto de la intemperizacin y la erosin de la roca. El tamao de los granos individuales vara en un amplio intervalo. Muchas de las propiedades fsicas del suelo son dictadas por el tamao, la forma y la composicin qumica de los granos. Para entender mejor estos factores, uno debe estar familiariza-do con los tipos de roca que forman la corteza terrestre.

Con base en su origen, las rocas se pueden dividir en tres tipos bsicos: gneas, sedimentarias y metamrfi cas. La fi gura 2.1 muestra un diagrama del ciclo de formacin de diferentes tipos de roca y los procesos asociados con ellos. A continuacin se presentan las caractersticas/descripcin de cada proceso del ciclo de las rocas.

Rocas gneasLas rocas gneas se forman por el enfriamiento y la solidifi cacin del magma expulsado del manto de la Tierra. Despus de la expulsin por cualquier erupcin volcnica o de fi sura, una parte del magma fundido se enfra en la superfi cie de la tierra. A veces el magma cesa su movi-

C A P T U L O 2Origen de los depsitos del suelo, tamao de grano y forma

16

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2.2 Ciclo de las rocas y origen del suelo 17

lidad bajo la superfi cie terrestre y se enfra para formar rocas gneas intrusivas que se llaman-plutnicas. Las rocas intrusivas formadas en el pasado pueden estar expuestas en la superfi cie como resultado del proceso continuo de la erosin de los materiales que las cubran.

Los tipos de rocas gneas formadas por el enfriamiento del magma dependen de fac-tores tales como la composicin del magma y la velocidad de enfriamiento asociado con l. Despus de realizar varios ensayos de laboratorio, Bowen (1922) fue capaz de explicar la re-lacin de la tasa de enfriamiento del magma con la formacin de diferentes tipos de roca. Esta explicacin, conocida como la serie de reaccin de Bowen, describe la secuencia por la cual se forman nuevos minerales a medida que se enfra el magma. Los cristales de minerales cre-cen ms grandes y algunos de ellos se asientan. Los cristales que permanecen en suspensin reaccionan con el material fundido restante para formar un nuevo mineral a una temperatura inferior. Este proceso contina hasta que se solidifi ca el cuerpo entero del material fundido. Bowen clasifi c estas reacciones en dos grupos: (l) la serie de reaccin discontinua ferro-magnesiana, en la que los minerales formados son diferentes en su composicin qumica y estructura cristalina, y (2) la serie de reaccin continua plagioclasa feldespato, en la que los minerales que se forman tienen diferentes composiciones qumicas con estructuras cristalinas similares. La fi gura 2.2 muestra la serie de reaccin de Bowen. La composicin qumica de los minerales se da en la tabla 2.1.

Por lo tanto, dependiendo de las proporciones de minerales disponibles se forman dife-rentes tipos de roca gnea. Granito, gabro y basalto son algunos de los tipos comunes de roca

Sedimentos

Rocasgneas

Magma

Rocasmetamrficas

Rocassedimentarias

Met

amorfi

smo

Fusin

Transportacin, ero

sin, m

eteorizaci

n

Com

pactaci

n, cementacin, cristalizacin

Figura 2.1 Ciclo de las rocas

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gnea que se encuentran generalmente en el campo. La tabla 2.2 muestra la composicin gene-ral de las rocas gneas.

MeteorizacinLa meteorizacin o intemperismo es el proceso de descomposicin de las rocas por procesos mecnicos y qumicos en fragmentos ms pequeos. La meteorizacin mecnica puede ser causada por la expansin y contraccin de las rocas a partir de la ganancia y la prdida continua de calor, que da lugar a la desintegracin fi nal. Con frecuencia el agua se fi ltra en los poros y fi suras existentes en las rocas. A medida que la temperatura desciende, el agua se congela y se expande. La presin ejercida por el hielo debido a la expansin de volumen es lo sufi ciente-mente fuerte como para romper incluso rocas de gran tamao. Otros agentes fsicos que ayudan a desintegrar las rocas son los glaciares (de hielo), el viento, el agua de los arroyos y ros, y las olas del mar. Es importante darse cuenta que, en la meteorizacin mecnica, rocas grandes sedescomponen en partes ms pequeas sin ningn cambio en la composicin qumica. La fi gura 2.3

Baja resistencia ala meteorizacin

Cristalizacin atemperatura alta

Alta resistencia ala meteorizacin

Cristalizacin atemperatura baja

Olivino Feldespato de calcio

Augita (piroxenos)

Hornblenda (anfboles)

Biotita (mica negra)

Feldespato de sodio

Ortoclasa(feldespato de potasio)

Serie discontinua

ferromagnesianaSer

ie cont

inua

plagio

clasa

feldesp

ato

Muscovita(mica blanca)

Cuarzo

Figura 2.2 Series de reaccin de Bowen

Tabla 2.1 Composicin de los minerales mostrados en la serie de reacciones de Bowen

Mineral Composicin

OlivinoAugitaHornblenda

Biotita (mica negra) feldespato de calcioPlagioclasa e feldespato de sodioOrtoclasa (feldespato de potasio)Muscovita (mica blanca)Cuarzo

)eF,gM( 2SiO4iS,lA()lA,eF,gM(aN,aC 2O6)

Silicato ferromagnesiano complejo deCa, Na, Mg, Ti, yA1

)eF,gM(K 3AlSi3O10(OH)2Ca(Al2Si2O8)Na(AlSi3O8)K(AlSi3O8)

lAK 3Si3O10(OH)2OiS 2

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muestra un ejemplo de la meteorizacin mecnica debido a las olas del mar y el viento en Yehliu, Taiwn. Esta rea se encuentra en un largo y estrecho cabo de mar en el lado noroeste de Keelung, a unos 15 kilmetros de la costa norte de Chin Shan y Wanli.

En la meteorizacin qumica, los minerales de la roca originales se transforman en nuevos minerales por reaccin qumica. El agua y el dixido de carbono de la atmsfera forman cido carbnico, que reacciona con los minerales de la roca existentes para formar nuevos minerales y sales solubles. Las sales solubles presentes en el agua subterrnea y cidos orgnicos formados a partir de materia orgnica descompuesta tambin causan desgaste qumico. Un ejemplo de la erosin qumica de la ortoclasa para formar minerales de arcilla, slice y carbonato de potasio soluble es el siguiente:

Tabla 2.2 Composicin de algunas rocas gneas

Nombre Modo de Minerales Minerales menosde la roca ocurrencia Textura abundantes abundantes

Granito Intrusivo Gruesa Cuarzo, feldespato Biotita,Riolita Extrusivo Fina de sodio, muscovita, feldespato hornblenda de potasio

Gabro Intrusivo Gruesa Plagioclasa, Hornblenda,Basalto Extrusivo Fina piroxinos, biotita, olivino magnetita

Diorita Intrusivo Gruesa Plagioclasa, Biotita,Andesita Extrusivo Fina hornblenda piroxenos (cuarzo generalmente ausente)

Sienita Intrusivo Gruesa Feldespato FeldespatoTraquita Extrusivo Fina de potasio de sodio, biotita, hornblenda

Peridotita Intrusivo Gruesa Olivino, xidos piroxenos de hierro

La mayora de los iones de potasio liberados se dejan llevar en solucin como carbonato de potasio y es absorbido por las plantas.

H2O CO2 H2CO3 H (HCO3)cido carbnico

2K(AlSi3O8) 2H H2O 2K 4SiO2 Al2Si2O5(OH)4Caolinita

(mineral de greda)SliceOrtoclasa

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La meteorizacin qumica de feldespatos plagioclasa es similar a la de la ortoclasa en que se producen minerales de arcilla, slice y diferentes sales solubles. Los minerales ferromagnesianos forman tambin los productos de descomposicin de minerales de arcilla, slice y sales solu-bles. Adems, el hierro y el magnesio en minerales ferromagnesianos resultan en otros pro-ductos tales como hematita y limonita. El cuarzo es altamente resistente a la intemperie y slo ligeramente soluble en agua. La fi gura 2.2 muestra la susceptibilidad de las rocas metamrfi cas a la intemperie. Los minerales formados a temperaturas ms altas en la serie de reaccin de Bowen son menos resistentes a la intemperie que los formados a temperaturas ms bajas.

El proceso de meteorizacin no se limita a las rocas gneas. Como se muestra en el ciclo de las rocas (fi gura 2.1), las rocas sedimentarias y metamrfi cas tambin se meteorizan de una manera similar.

Por lo tanto, a partir de la breve discusin anterior podemos ver cmo el proceso de me-teorizacin cambia macizos rocosos slidos en fragmentos ms pequeos de diferentes tama-os que pueden ir desde los cantos rodados grandes a muy pequeas partculas de arcilla. Los agregados no cementados de estos pequeos granos en diversas proporciones forman diferentes tipos de suelo. Los minerales de arcilla, que son un producto de la meteorizacin qumica de los feldespatos, ferromagnesianos y micas, dan la propiedad plstica para suelos. Hay tres mi-nerales de arcilla importantes: (1) caolinita, (2) ilita y (3) montmorilonita. (Se discuten estos minerales arcillosos ms adelante en este captulo.)

Figura 2.3 Erosin mecnica debida al oleaje marino y al viento en Yehliu, Taiwn (Cortesa de Braja M. Das, Henderson Arizona)

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Transporte de productos de la meteorizacinLos productos de la meteorizacin pueden permanecer en el mismo lugar o pueden ser movidos a otros lugares por el hielo, el agua, el viento y la gravedad.

Los suelos formados por los productos en su lugar de origen son llamados suelos residuales. Una caracterstica importante del suelo residual es la gradacin del tamao de partcula. Los sue-los de grano fi no se encuentran en la superfi cie y el tamao de grano aumenta con la profundidad. A mayores profundidades, tambin se pueden encontrar fragmentos de rocas angulares.

Los suelos transportados se pueden clasifi car en varios grupos, dependiendo de su modo de transporte y deposicin:

1. Suelos glaciales, formados por el transporte y la deposicin de los glaciares 2. Suelos aluviales, transportados por corrientes de agua y depositados a lo largo de los arroyos 3. Suelos lacustres, formados por deposicin en los lagos 4. Suelos marinos, formados por deposicin en los mares 5. Suelos elicos, transportados y depositados por el viento

Rocas sedimentariasLos depsitos de grava, arena, limo y arcilla formados por meteorizacin pueden ser compac-tados por presin de sobrecarga y cimentada por agentes como el xido de hierro, calcita, do-lomita y cuarzo. Agentes cementantes son transportados generalmente en solucin por el agua subterrnea. Llenan los espacios entre las partculas y forman rocas sedimentarias. Las rocas formadas de esta manera se llaman rocas sedimentarias detrticas.

Todas las rocas detrticas tienen una textura clstica. Los siguientes son algunos ejemplos de rocas detrticas con textura clstica.

Tamao de partcula Roca sedimentaria

Granular o grande (tamao de grano 2 mm-4 mm o ms) ConglomeradoArena AreniscaLimo y arcilla Lutita y limolita

En el caso de los conglomerados, si las partculas son ms angulares, la roca se llama brecha. En roca arenisca, los tamaos de partcula pueden variar entre 1/16 mm y 2 mm. Cuando los granos de roca arenisca son prcticamente todos de cuarzo, la roca se conoce como cuarzoarenisca. En la lutita y la lodolita, el tamao de las partculas es por lo general menor de 1/16 mm. La limolita tiene un aspecto de bloque, mientras que, en el caso de la lutita, la piedra se divide en bloques laminares.

La roca sedimentaria tambin puede ser formada por procesos qumicos. Las rocas de este tipo son clasifi cadas como producto qumico de rocas sedimentarias. Estas rocas pueden tener tex-tura clstica o no clstica. Los siguientes son algunos ejemplos de rocas sedimentarias qumicas.

Composicin Roca

Calcita (CaCO3) CalizaHalita (NaCI) Sal de rocaDolomita [CaMg(CO3)] DolomitaYeso (CaSO4 2H2O) Yeso

La roca caliza est formada principalmente de carbonato de calcio depositado ya sea por orga-nismos o mediante un proceso inorgnico. La mayora de las calizas tienen una textura clstica;

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sin embargo, tambin se encuentran comnmente texturas no clsticas. La tiza es una roca sedi-mentaria hecha en parte de calcita de origen bioqumico, que son fragmentos seos de animales y plantas microscpicos. La dolomita se forma ya sea por deposicin qumica de los carbonatos mixtos o por la reaccin de magnesio en agua con piedra caliza. El yeso y la anhidrita resultan de la precipitacin de CaSO4 soluble debido a la evaporacin de agua del ocano. Las rocas que pertenecen a esta clase generalmente se les refi ere como evaporitas. La sal de roca (NaCl) es otro ejemplo de una evaporita que se origina a partir de los depsitos de sal del agua de mar.

La roca sedimentaria puede someterse a la meteorizacin para formar sedimentos o puede ser sometido al proceso de metamorfi smo para convertirse en roca metamrfi ca.

Rocas metamr casEl metamorfi smo es el proceso de cambiar la composicin y la textura de las rocas (sin fusin) mediante calor y presin. Durante el metamorfi smo se forman nuevos minerales y los granos minerales son sometidos a esfuerzos para dar una textura foliada de roca metamrfi ca. El gneis es una roca metamrfi ca derivada de metamorfi smo regional de alto grado de las rocas gneas, como el granito, el gabro y la diorita. El metamorfi smo de bajo grado de lutitas resulta en pi-zarra. Los minerales de arcilla en el esquisto se convierten en clorita y mica por el calor, por lo que la pizarra se compone principalmente de escamas de mica y clorita. La fi lita es una roca metamrfi ca que se deriva de lutita con ms metamorfi smo, siendo sometida a calor de ms de 250 a 300C. El esquisto es un tipo de roca metamrfi ca derivada de varias rocas metamrfi cas, gneas, sedimentarias y de baja calidad, con una textura bien foliada y escamas visibles de lmi-nas y minerales micceos. As, la roca metamrfi ca generalmente contiene grandes cantidades de cuarzo y feldespato.

El mrmol se forma a partir de calcita y dolomita por recristalizacin. Los granos mine-rales de mrmol son ms grandes que los presentes en la roca original. Los mrmoles verdes estn coloreados por hornblenda, serpentina o talco. Los mrmoles negros contienen material bituminoso y los mrmoles marrones contienen xido de hierro y limonita. La cuarcita es una roca metamrfi ca formada por areniscas ricas en cuarzo. El slice entra en los espacios vacos entre los granos de cuarzo y arena actuando como agente de cementacin. La cuarcita es una de las rocas ms duras. Bajo el calor y la presin extrema las rocas metamrfi cas pueden fundirse para formar el magma y el ciclo se repite.

2.3 Depsitos de suelo en generalEn la seccin anterior hemos discutido brevemente el proceso sedimentario de las rocas y de la formacin de los suelos. Despus de la meteorizacin el suelo formado puede permanecer en el lugar (suelo residual) o ser transportado por agentes naturales como los glaciares, el agua, las corrientes y las corrientes de aire. Adems de los suelos transportados y residuales, hay turbas y suelos orgnicos que se derivan de la descomposicin de los materiales orgnicos.

Una visin general de los distintos tipos de suelos descritos anteriormente se indica en los puntos 2.4 al 2.10.

2.4 Suelos residualesLos suelos residuales se encuentran en zonas donde la tasa de meteorizacin es mayor que la velocidad a la que los materiales intemperizados son llevados lejos por los agentes de transpor-te. La tasa de meteorizacin es mayor en las regiones clidas y hmedas en comparacin con las regiones ms fras y ms secas y, dependiendo de las condiciones climticas, el efecto de la intemperie puede variar ampliamente.

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2.6 Depsitos aluviales 23

Depsitos de suelos residuales son comunes en los trpicos. La naturaleza de un depsito de suelo residual por lo general depende de la roca madre. Cuando las rocas madre, como el granito y gneis, se someten a la intemperie, la mayora de los materiales son propensos a perma-necer en su lugar. Estos depsitos de suelo suelen tener una capa superior de material arcilloso o limoso. Estas capas, a su vez, estn generalmente sustentadas por una roca parcialmente in-temperizada y luego por la roca madre. La profundidad de esta roca puede variar ampliamente, incluso dentro de una distancia de unos pocos metros.

En contraste con las rocas detrticas, hay algunas rocas qumicas, como la roca caliza, que se compone principalmente del mineral calcita (CaCO3). La tiza y la doloma tienen grandes concentraciones de dolomita [CaMg(CO3)2]. Estas rocas tienen grandes cantidades de materia-les solubles, algunos de los cuales son removidos por las aguas subterrneas, dejando atrs la fraccin insoluble de la roca. Los suelos residuales que se derivan de rocas qumicas no poseen una zona de transicin gradual a la roca madre. Los suelos residuales derivados de la intemperi-zacin de la roca caliza son en su mayora de color rojo. Aunque uniforme en tipo, la profundi-dad de la intemperizacin puede variar en gran medida. Los suelos residuales inmediatamente por encima de la base pueden ser normalmente consolidados. Grandes cimentaciones con car-gas pesadas pueden ser susceptibles a grandes asentamientos de consolidacin en estos suelos.

2.5 Depsitos transportados por gravedadLos suelos residuales en una pendiente natural pronunciada se mueven lentamente hacia abajo, lo que se conoce generalmente como fl uencia. Cuando el movimiento descendente del suelo es repenti-no y rpido, se le llama deslizamiento de tierra. Los depsitos de suelo formados por deslizamientos de tierra son coluviales. Los fl ujos de lodo son un tipo de suelo transportado por gravedad. En este caso los suelos residuales arenosos sueltos altamente saturados, en pendientes relativamente planas se mueven hacia abajo como un lquido viscoso y vienen a descansar en una condicin ms densa. Los depsitos de suelo derivados de fl ujos de lodo son muy heterogneos en su composicin.

2.6 Depsitos aluvialesLos depsitos de suelos aluviales se derivan de la accin de los arroyos y ros, y se pueden dividir en dos categoras principales: (1) depsitos en secuencias trenzadas y (2) depsitos causados por el cinturn de meandros de los ros.

Depsitos por corrientes uvialesLas corrientes trenzadas son de alto gradiente, fl uyen rpidamente, son altamente erosivas y llevan grandes cantidades de sedimento. Debido a la alta carga de fondo, un cambio menor en la velocidad del fl ujo har que los sedimentos se depositen. Mediante este proceso estas corrientes pueden construir una maraa compleja de canales convergentes y divergentes separados por bancos de arena e islas.

Los depsitos formados a partir de corrientes fl uviales son muy irregulares en la estra-tifi cacin y tienen una amplia gama de tamaos de grano. La fi gura 2.4 muestra una seccin transversal de dicho depsito. Estos depsitos presentan varias caractersticas:

1. Los tamaos de grano por lo general van de grava a limo. Partculas de tamao de arcilla generalmente no se encuentran en depsitos de corrientes fl uviales.

2. Aunque el tamao de grano vara ampliamente, el suelo en una bolsa o lente dada es bas-tante uniforme.

3. A cualquier profundidad dada la relacin de vaco y peso de la unidad puede variar en un amplio intervalo dentro de una distancia lateral de slo unos pocos metros.

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Depsitos de canalEl trmino meandro se deriva del trabajo griego maiandros, despus del Ro Maiandros (ahora Menderes) en Asia, famoso por su curso sinuoso. Las corrientes maduras curvean el valle. El fondo del valle en el que un ro serpentea se conoce como meandro. En un ro serpentean-te, el suelo de la orilla se erosiona continuamente en los puntos del banco que son de forma cncava y se deposita en los puntos donde el banco es de forma convexa, como se muestra en la fi gura 2.5. Estos depsitos se denominan depsitos de barras de punta, y por lo general son dearena y partculas de sedimento de tamao de limo. A veces, durante el proceso de erosin y deposicin, el ro abandona un meandro y corta una ruta ms corta. El meandro abandonado cuando se llena de agua se denomina cocha o lago de meandro. (Ver fi gura 2.5.)

Figura 2.4 Seccin transversal de un depsito de corrientes fl uviales

Figura 2.5 Formacin de depsitos de punta y de una cocha en una corriente de meandro

Arena fina

Grava

Limo

Arena gruesa

Erosin

Erosin

Cocha (lago de meandro)

Deposicin(barra de punta)

Ro

Deposicin(barra de punta)

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2.8 Depsitos glaciales 25

Durante las inundaciones los ros desbordados llenan las zonas bajas. Las partculas de ta-mao de arena y limo transportadas por el ro se depositan en las orillas para formar cordilleras conocidas como diques naturales (fi gura 2.6). Las partculas de suelo ms fi nas que consisten en limos y arcillas son transportadas por el agua ms lejos en las llanuras de inundacin. Estas partculas se depositan a diferentes tasas para formar depsitos de cinagas (fi gura 2.6), a me-nudo de arcillas muy plsticas.

2.7 Depsitos lacustres

El agua de los ros y manantiales fl uye hacia los lagos. En las regiones ridas las corrientes llevan grandes cantidades de slidos en suspensin. Cuando la corriente entra en el lago las partculas granulares se depositan en la zona formando un delta. Algunas partculas ms grue-sas y las partculas ms fi nas, es decir, limo y arcilla, son llevadas al lago y se depositan en el fondo en capas alternas de partculas de grano fi no y de grano grueso. Los deltas que se forman en regiones hmedas suelen tener ms depsitos de grano fi no en comparacin con los de las regiones ridas.

2.8 Depsitos glaciares

Durante la Edad de Hielo del Pleistoceno los glaciares cubran grandes extensiones de la Tierra. Los glaciares avanzaron y se retiraron con el tiempo. Durante su avance se llevaron grandes cantidades de arena, limo, arcilla, grava y cantos rodados. Drift es un trmino general que nor-malmente se aplica a los depsitos establecidos por los glaciares. Los depsitos estratifi cados establecidos por el derretimiento de glaciares se denominan till. Las caractersticas fsicas de un till pueden variar de un glaciar a otro.

Los accidentes geogrfi cos que se desarrollaron a partir de los depsitos de till son lla-mados morrenas. Una morrena terminal (fi gura 2.7) es una cadena de tills que marca el lmite mximo del avance de un glaciar. Las morrenas recesivas son cadenas de tills desarrolladas

Figura 2.6 Dique y depsito de cinaga

Ro

Dique de depsito

Tapn de arcilla

Depsito de cinaga

Lago

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detrs de la morrena terminal con diferentes distancias de separacin. Son el resultado de la estabilizacin temporal del glaciar durante el periodo de recesin. El till depositado por el gla-ciar entre las morrenas se conoce como morrena de fondo (fi gura 2.7). Las morrenas de fondo constituyen grandes zonas del centro de Estados Unidos y se llaman planicies de tills.

La arena, limo y grava que son transportados por el glaciar se llaman aluviales. En un patrn similar al de los depsitos de corrientes fl uviales, el agua derretida deposita el aluvial, formando llanuras aluviales (fi gura 2.7), tambin llamadas depsitos glaciofl uviales. El rango de tamaos de grano que se presenta en un cajn determinado vara en gran medida.

2.9 Depsitos de suelo elicos

El viento es tambin un agente de erosin importante que conduce a la formacin de depsitos de suelo. Cuando grandes extensiones de arena se encuentran expuestas, el viento puede arrastrar la arena a gran distancia y volver a depositarla en otro lugar. Los depsitos de arena arrastrada por el viento por lo general toman la forma de dunas (fi gura 2.8). La fi gura 2.9 muestra algunas dunas de arena en el desierto del Sahara en Egipto. A medida que se forman las dunas, la arena es arrastrada por el viento sobre la cresta. Ms all de la cresta las partculas de arena ruedan por la pendiente. El proceso tiende a formar un depsito compacto de arena en el lado de bar-lovento, y un depsito suelto en el lado de sotavento de la duna. A continuacin se presentan algunas de las propiedades tpicas de la duna de arena:

1. La granulometra de la arena en un lugar en particular es sorprendentemente uniforme. Esta uniformidad se puede atribuir a la accin de clasifi cacin del viento.

2. El tamao de grano en general disminuye con la distancia desde la fuente, debido a que el viento lleva las pequeas partculas ms lejos que las grandes.

3. La densidad relativa de la arena depositada en el lado de barlovento de las dunas puede ser tan alta como 50 a 65%, disminuyendo aproximadamente de 0 a 15% en el lado de sota-vento.

Llanuraaluvial

AluvialesMorrena terminal

Morrena de fondo

Direccindel viento

Partcula de arena

Figura 2.7 Morrena terminal, morrena de fondo y llanura aluvial.

Figura 2.8 Duna de arena

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2.10 Suelo orgnico 27

El loess es un depsito elico que consta de limo. La distribucin de tamao de grano de loess es bastante uniforme y la cohesin se deriva generalmente de un revestimiento de arcilla sobre las partculas de sedimento de tamao de limo, lo que contribuye a una estructura estable del suelo en un estado insaturado. La cohesin tambin puede ser el resultado de la precipita-cin de los productos qumicos lixiviados por el agua de lluvia. El loess es un depsito delez-nable, ya que cuando se satura pierde su fuerza de unin entre las partculas. Se deben tomar precauciones especiales para la construccin de cimientos sobre los depsitos lossicos.

La ceniza volcnica (con tamaos de grano de entre 0.25 y 4 mm) y el polvo volcnico (con tamaos de grano inferior a 0.25 mm) pueden ser clasifi cados como suelo transportado por el viento. La ceniza volcnica es una arena ligera o grava arenosa. La descomposicin de las cenizas volcnicas resulta en arcillas altamente plsticas y compresibles.

2.10 Suelo orgnico

Los suelos orgnicos se encuentran generalmente en zonas bajas donde el nivel fretico est cerca o por encima de la superfi cie del suelo. La presencia de un alto nivel fretico ayuda en el crecimiento de las plantas acuticas que, al descomponerse, forman el suelo orgnico. Este tipo de depsito generalmente se encuentra en las zonas costeras y en las regiones glaciares. Los suelos orgnicos muestran las siguientes caractersticas:

1. Su contenido de humedad natural puede variar de 200 a 300%. 2. Son altamente compresibles. 3. Las pruebas de laboratorio han demostrado que, bajo cargas, se derivan grandes asenta-

mientos a partir de la consolidacin secundaria.

Figura 2.9 Dunas de arena en el Desierto de Sahara en Egipto (Cortesa de Braja M. Das, Henderson, Nevada)

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2.11 Tamao de partcula de suelo

Independientemente de su origen, los tamaos de partculas que conforman el suelo pueden variar en un amplio intervalo. Los suelos son generalmente llamados grava, arena, limo o arci-lla, dependiendo del tamao predominante de las partculas dentro del suelo. Para describir los suelos por su tamao de partcula, varias organizaciones han desarrollado lmites de separacin de tamao de suelo. La tabla 2.3 muestra los lmites de separacin de tamao de suelo desa-rrollados por el Instituto de Tecnologa de Massachusetts, el Departamento de Agricultura deE.U., la Asociacin Americana de Carreteras Estatales y Ofi ciales del Transporte, el Cuerpode Ingenieros del Ejrcito de E.U. y la Ofi cina de Reclamacin de E.U. En esta tabla el sistema delMIT se presenta slo a modo de ejemplo, ya que juega un papel importante en la historia del desarro-llo de los lmites de separacin de tamao de suelo. Sin embargo, en la actualidad el Sistema Unifi cado es casi universalmente aceptado y ha sido adoptado por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales.

Las gravas son fragmentos de rocas con partculas ocasionales de cuarzo, feldespato y otros minerales.

En las partculas de arena predominan el cuarzo y el feldespato. A veces tambin pueden estar presentes granos de otros minerales.

Los limos son las fracciones microscpicas del suelo que consisten en fragmentos de cuarzo muy fi nos y algunas partculas en forma laminar que son fragmentos de minerales micceos.

Las arcillas son en su mayora partculas en forma de lminas microscpicas y submicrosc-picas de mica, minerales de arcilla y otros minerales. Como se muestra en la tabla 2.3, las arcillas se defi nen generalmente como partculas menores de 0.002 mm. En algunos casos las partculas detamao entre 0.002 y 0.005 mm tambin. Las partculas se clasifi can como arcilla sobre la base de su tamao, ya que no pueden contener necesariamente minerales de arcilla. Las arcillas se defi nen como aquellas partculas que desarrollan plasticidad cuando se mezclan con una cantidad limitada de agua (Grim, 1953). (La plasticidad es la propiedad de las arcillas, parecida a la masilla, cuando

Lmites de separacin de tamao de sue

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