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TEMA 1: INTRODUCCIN A LA INGENIERA DEL TERRENO.

1.1 Introduccin. Qu es la Geotecnia? Schulze: Ciencia que estudia los esfuerzos en el terreno, y sus efectos.

Jimnez Salas: Ciencia que se ocupa de las modificaciones que en los estados de equilibrio y de tensiones de la corteza terrestre producen las construcciones humanas.

La Mecnica del Suelo estudia problemas de equilibrio y deformacin de masas de tierra. Masas de tierra conformadas por varias capas de suelos de naturaleza y espesores diferentes.

El terreno se caracteriza por ser un material no homogneo, no monofsico, compuesto de partculas de suelo (fase slida), aire, agua o hielo, e incluso gas.

Las principales conexiones de la geotecnia con otras disciplinas son con la qumica (los procesos qumicos intervienen en la formacin de suelos y condicionan su comportamiento), la geologa (que sirve de marco externo a la geotecnia, condicionando el estado de tensiones iniciales,), la hidrulica (una de las fases del suelo es el agua),...

1.2 Conceptos previos SUELO: Producto fruto de la erosin ejercida sobre las rocas preexistentes y depositadas por accin del agua o del aire.

-Parte de la corteza terrestre afectada por las actividades humanas (Jimnez Salas)

-Fase discontinua procedente de la alteracin de las rocas (Escario)

-Materiales cercanos a las infraestructuras de ingeniera civil (Caquot)

-Agregado de partculas minerales separables por el agua (Terzaghi)

-Conjunto de partculas con poros rellenos de aire y agua (Road research laboratory).

Un conjunto formado por un esqueleto de partculas slidas y poros rellenos de agua y aire, sin cementacin o poco cementado, que ocupa gran parte de la corteza terrestre donde se desarrolla la mayor parte de la actividad humana y biolgica

ROCA: agregado natural de partculas minerales (ms bien cristales) unidas por fuerzas cohesivas potentes y permanentes. Se suele considerar roca si su resistencia a la compresin simple, sin drenaje, qu (o Ru), ("u" del ingls undrained), es mayor que 5 kg/cm.

-Un agregado slido formado por uno o varios minerales que se encuentra ocupando grandes extensiones de la corteza terrestre.

MACIZO ROCOSO: Forma en la que se presentan las rocas en el medio natural. Est compuesto por una o varias rocas (litotipos) que a su vez contiene diversas discontinuidades: planos de estratificacin, fallas, juntas, pliegues y otros caracteres estructurales. Son, por tanto, discontinuos y pueden presentar propiedades heterogneas y anistropas.

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1.3 Problemas planteados por los suelos en la Ingeniera Cualquier construccin que se plantea un ingeniero supone una alteracin del entorno geogrfico en la que se enmarca, y debe adaptarse a ste (ya que se ve condicionada por l).

Las alteraciones pueden ser excavaciones, explanaciones, aplicacin de cargas al terreno, y la respuesta del terreno es una funcin de mltiples factores, su constitucin primaria, de los condicionantes geolgicos del entorno, del tipo de obra, el tipo de solicitacin, cmo se ejecuta,

La respuesta del terreno, por lo tanto, es compleja y, depende, en primer lugar, del material o materiales preexistentes en la zona y del tipo de acciones a que se someta.

-Macizo rocoso esa respuesta vendr condicionada por la dureza de la roca, sus zonas alteradas, diaclasas, etc.

-Suelos la respuesta depende del tamao y la forma de las partculas, de su organizacin interna, de la posible cementacin, de la presencia de agua y la facilidad para evacuarla,

Los suelos:

-Estn formados por partculas pequeas (desde unos centmetros a micras) e individualizadas, que, a efectos prcticos pueden considerarse indeformables.

-Entre esas partculas no cementadas, o ligeramente cementadas, quedan huecos con un volumen total de orden de magnitud del ocupado por ellas (desde la mitad hasta varias veces superior).

-Los huecos, poros o intersticios pueden estar llenos de agua (suelos saturados) o con aire y agua (semisaturados), lo que condiciona la respuesta del conjunto de material.

-Son, siempre, un sistema multifase.

Debe tenerse en cuenta, que se plantean as las primeras hiptesis de la mecnica de suelos, considerar las partculas del suelo indeformables y que el agua es incompresible, que en las condiciones habituales de presin y temperatura es una hiptesis vlida.

La respuesta del suelo frente a las acciones que introducen las obras de ingeniera supone un movimiento de las partculas, a travs del deslizamiento y giros entre ellas.

Depende de:

-la proporcin de materia slida que exista en un volumen unitario de suelo de referencia

-el tamao y distribucin de partculas

-el volumen relativo de huecos

-el tamao medio de los huecos

Si el suelo est saturado al aplicar esfuerzos sobre el suelo, las partculas tendern a moverse entre s para responder al esfuerzo aplicado (en general, disminuyendo el volumen aparente que ocupan).

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Pero ello slo ser posible expulsando parte del agua que lleva en los poros y eso requerir un tiempo que ser funcin de la facilidad para expulsar esa agua y de las condiciones de drenaje.

Todo ello hace que en los suelos haya que analizar:

-Los problemas de deformabilidad que introducen las cargas y las acciones exteriores. Situacin de rotura: un estado definido por gran deformabilidad y no por rotura de las partculas.

-Los problemas de flujo del agua en el interior del suelo, que condicionan la respuesta del suelo, ya que las deformaciones inducidas necesitan un tiempo (el de expulsin de agua) para poder producirse. Este proceso necesario, con la accin exterior constante, para estabilizar la situacin suele llamarse consolidacin.

Problemas de defomabilidad Problemas de flujo

1.4 Suelos con una problemtica especial Existen algunos tipos de suelos que plantean una problemtica especial, ya que por su propia naturaleza o bien por las alteraciones que el hombre puede introducir con sus obras (tanto directamente, como variando el modo en que acta la accin climtica) desencadenan con mucha frecuencia colapsos, inestabilidades o situaciones con movimientos elevados. En ese sentido cabe distinguir los problemas propios de:

-Las arcillas expansivas

-Los suelos dispersivos

-Los suelos salinos y agresivos

-Los suelos colapsables

-El permafrost

-Los fangos y suelos muy blandos y sensitivos

-Los suelos licuefactables

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Los principales factores que condicionan el comportamiento de algunos de estos suelos son: su constitucin, las variaciones climticas y tambin los procesos geolgicos como los terremotos o la meteorizacin qumica.

Arcillas expansivas:

Bajo este nombre se incluyen aquellos suelos arcillosos cuya estructura mineralgica y fbrica les permite absorber agua con un cambio de volumen importante. Las molculas de agua penetran en la red cristalina, entre las cadenas de silicatos que estn unidas por enlaces dbiles, disminuyendo o eliminando los mismos, pasando la red cristalina a ocupar un mayor volumen aparente o expansin, sin que se produzcan reacciones qumicas. Si despus cambian las condiciones (por ejemplo, por desecacin continuada o por drenaje) esas molculas de agua pueden salir de la red y producirse una disminucin de volumen o retraccin.

El cambio de volumen (expansividad y retraccin) est condicionado por los siguientes factores (adems de los geolgicos):

-Variaciones climticas, ya que de stas depende la presencia del agua necesaria para producir la expansin o la evaporacin del agua para inducir la retraccin.

-La vegetacin, que puede cambiar localmente el contenido de humedad del terreno y dar lugar a los cambios de volumen consiguientes. La vegetacin y la accin de las races pueden ser agentes desencadenantes del fenmeno.

-Los cambios hidrolgicos generales producidos tanto por acciones climatolgicas, como por las variaciones de nivel fretico debidas a explotacin de acuferos, construccin de embalses, etc.

La expansividad, por tanto, tiene un carcter potencial:

-Por un lado debe existir una arcilla con la mineraloga y la fbrica adecuadas.

-Debe producirse una variacin en la humedad del suelo, por cualquier causa, que induzca a la expansividad o a la retraccin.

Los suelos potencialmente expansivos y problemticos se sitan en zonas de climas ridos y semiridos, como la franja mediterrnea (sur de Espaa e Italia, Turqua, Israel, Marruecos, Tnez, etc.), Sudfrica, sur de Norteamrica (Nuevo Mxico, Arizona, Texas, Norte de Mxico), norte de Sudamrica (Colombia, Ecuador, Per), etc.

En Espaa existen este tipo de suelos en la Meseta Norte (Palencia, Valladolid), en el sur de Madrid y en todo el valle del Guadalquivir.

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Existen otros suelos que tambin dan problemas de expansividad, como los derivados de la congelacin del agua en el terreno, y los problemas de hinchamiento por existencia de cal libre o de xido de magnesio al absorber agua. O los fenmenos de hinchamiento por hidratacin de anhidrita (sulfato clcico deshidratado) al pasar a dihidrato (yeso comn) por absorcin de agua.

En ocasiones, la expansividad de una arcilla puede incrementarse por el paso de agua a travs del terreno con iones sodio, que aumentan la separacin de la red cristalina de los minerales.

Suelos dispersivos:

Los suelos dispersivos son aquellos cuya constitucin mineralgica y fbrica es tal, que las fuerzas repulsivas entre las partculas finas (arcillas) exceden a las fuerzas de atraccin de esas partculas. Debido a ello, en presencia de agua, los suelos floculan, es decir, se separan los agregados de partculas y quedan partculas de menor tamao que son ms fcilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, producindose la erosin interna de estos suelos.

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Los agregados de partculas o flculos estn constituidos por partculas arcillosas, y adems suelen tener una proporcin elevada de sales disueltas (por encima del 12% en el agua que est ocluida en los poros del suelo).

Suelos salinos y agresivos:

Suelen contener ms del 15% de su capacidad inica de cambio saturada de iones de sodio, adems de contener cantidades apreciables de sales solubles. Su pH en solucin saturada es del orden de 85 o menor.

En suelos salinos asociados a altos grados de evaporacin y, por lo tanto, de concentracin de sales, como los que existen en Irn e Irak, se pueden dar tambin caractersticas de expansin, pero pequeos cambios en la constitucin salina pueden cambiar el riesgo de expansividad al riesgo de colapso, en funcin de la densidad inicial de las arcillas que contienen.

Muchos de estos suelos salinos son agresivos al hormign de las cimentaciones, sobre todo si hay agua de circulacin en el subsuelo, que se lleva el producto del ataque del suelo al cimiento y permite que ste siga progresando. Normalmente se considera que por debajo de un 002% de sulfatos (medido en contenido de SO3) no existen problemas de este tipo.

Suelos colapsables:

Estos suelos, caracterizados por tener una estructura muy abierta y floja, mantienen su estabilidad por el estado de sequedad de la atmsfera. Inicialmente, al ser depositados (por va acuosa o elica, lo que ayuda a formar su estructura) no tienen ninguna cohesin, pero acaban cementndose ligeramente por cristales de sulfatos o por rellenarse sus huecos con partculas ms finas, lo que les da, en seco, una resistencia apreciable.

Estos suelos tienen un comportamiento que vara segn el contenido de humedad. Al aumentar sta, la estructura inicial puede ser destruida,

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producindose una importante disminucin de volumen aparente (colapso) y el consiguiente asiento (adems de un posible arrastre de partculas por agua con cierta velocidad). A veces, si las zonas superficiales se han encostrado (por depsitos de carbonatos, por ejemplo, o por colapsos antiguos), el colapso y arrastre, y disolucin de iones sulfatos, se dan por debajo de la superficie, formndose cuevas o simas que acaban cediendo al romperse las costras superficiales. Esto ocurre, por ejemplo, en las zonas endorreicas en que se encuentran los limos yesferos del valle del Ebro y en limos arenosos de abanicos aluviales prximos a Alicante.

Otros posibles casos de suelos colapsables en Espaa son los siguientes:

a) En Canarias, las tobas blandas y los aglomerados piroclsticos, con estructuras muy abiertas y dbiles contactos entre partculas, y con densidades muy bajas, pueden colapsar bajo cargas moderadas y/o por inundacin, (Uriel y Serrano, 1971).

b) Los rellenos antrpicos no compactados, en los que se origina una estructura floja en la que el agua queda en los contactos entre partculas (formando meniscos, gracias a la succin que se crea por la diferencia de presin entre el aire y el agua de los poros). Estos meniscos introducen fuerzas intergranulares que comprimen las partculas y dan una resistencia considerable en condiciones normales de humedad. La saturacin en agua elimina los meniscos, disminuye las fuerzas intergranulares y provoca fuertes colapsos o disminuciones de volumen

Muy conocidos a nivel internacional como suelos colapsables son los loess sedimentados elicamente y que aparecen entre los paralelos 30 y 55 de cada hemisferio (Siberia, Ucrania, Rumania, Australia, Argentina, Uruguay, Medio Oeste norteamericano, etc.).

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La accin del hielo y el permafrost:

La penetracin de la helada en el terreno va acompaada de diversos fenmenos fsicos, entre los que destaca el aumento de volumen del agua del suelo o de la roca. El efecto ms significativo suele ser la acumulacin de lentejones de hielo, que da lugar a expansiones en invierno y a reblandecimientos en verano.

En reas muy grandes de Canad, Alaska y Siberia existen suelos permanentemente congelados (permafrost) que alcanzan profundidades que dependen de la conductividad trmica del terreno y del clima. Por debajo de la superficie, generalmente muy dura, el suelo puede tener una estructura floja, ya que el agua congelada, al aumentar el volumen, destruye la unin y cementacin entre partculas. Mientras exista el hielo, el conjunto es resistente; pero si por algn motivo sube la temperatura en el terreno (por ejemplo, al construir un edificio con calefaccin) se licua el hielo de los poros y el terreno, flojo, se convierte en un barro poco resistente, con los consiguientes problemas de apoyo para el edificio.

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Fangos blandos y sensitivos:

La desembocadura de los ros y algunas zonas costeras con rocas blandas estn cubiertas por depsitos finos, saturados y muy blandos, que suelen contener materia orgnica y se denominan fangos. Estos materiales son muy deformables y con poca resistencia al esfuerzo cortante sin drenaje; aunque en superficie (por deposicin de sales, efectos cclicos de variacin de mareas, etc.) pueden estar algo encostrados (los 3-4 metros superficiales) con lo que la resistencia al corte puede duplicarse.

Suelos licuefactables:

Se denominan as aquellos suelos que con un contenido predominante areno-limoso, en estado saturado, al experimentar esfuerzos cortantes anmalos y rpidos, permiten un aumento de la presin del agua. En este caso, los granos dejan de estar en contacto, la resistencia al corte desaparece y el material se comporta como un lquido, dando lugar a movimientos verticales y horizontales de su masa, que se traducen en deslizamientos (en caso de taludes) o grandes asientos.

Este fenmeno ha dado lugar durante terremotos (que con la repeticin cclica y rpida de esfuerzos tangenciales llegan a anular las presiones efectivas), a grandes desastres: en Niigata (Japn), en el terremoto de 1964, se produjo el hundimiento de docenas de edificios bien preparados para la respuesta estructural (cajones rgidos), pero apoyados en depsitos flojos licuables, lo que llev a asientos de metros y al vuelco y giro de los edificios.

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1.5 Breve Historia de la Mecnica de Suelos La Mecnica del Suelo es una ciencia relativamente joven; su nombre actual existe desde 1925, ao en el que el profesor checo Karl Terzaghi public en Viena su tratado Erdbaumechanik.

Los habitantes prehistricos construyeron ciudades lacustres, en lo que ahora es Suiza e Italia. Erigieron habitculos sobre pilotes, los palafitos.

Los pueblos de la Antigedad, persas, griegos y romanos, construyeron puentes, templos monumentales, grandes obras hidrulicas como los acueductos, etc.

En la Edad Media, la construccin de las catedrales, con su gran peso, implica que ya tenan conocimientos importantes sobre el comportamiento de los suelos.

Pero es a partir del siglo XVIII cuando los estudios de las tierras tienen un desarrollo ms tcnico, se precisan las nociones de equilibrio, empuje de tierras sobre muros, etc.

En 1704 el mariscal Vauban public el Tratado de ataque a las plazas, y en 1706 el Tratado de la defensa de las plazas.

Coulomb, en 1773, present una memoria de los principios de su teora sobre el empuje de tierras. Se titulaba Ensayo sobre una aplicacin de mximo y mnimo a algunos problemas de esttica relativos a la arquitectura.

En el siglo XIX se desarroll la Teora de Elasticidad (mltiples autores, pero en geotecnia las principales aportaciones se deben a Boussinesq (1885)) y la representacin grfica de tensiones mediante los crculos de Mohr. As como gran cantidad de mtodos grficos para la resolucin de problemas sencillos, como el mtodo grfico de Culman (1876) que aplica la teora de Coulomb a la resolucin de muros.

En los primeros aos del siglo XX, se produce de nuevo un fuerte avance de la Mecnica de Suelos, con estudios sobre la granulometra y plasticidad (Atterberg, 1911), hasta que las aportaciones de Terzaghi la convierten en una rama propia dentro de la Ingeniera.

Se produce un enorme progreso a nivel mundial en la poca tras la segunda guerra mundial (Casagrande, Proctor, Bjerrum y ms tarde Peck, Kerisel, Skempton,).

En Espaa, la creacin de la ctedra de Geotecnia y Cimientos en la escuela de Ingenieros en el ao 1960, siendo el primer catedrtico Jimnez Salas, que centra sus esfuerzos en la compresin del comportamiento del terreno y en establecer mtodos analticos para el clculo.

Un nuevo salto en el conocimiento se produce con la aparicin de los mtodos numricos (MEF, Zienkiewicz, 1964) y el aumento de la capacidad de clculo de los ordenadores, que permiten abordar cada da problemas ms extensos y complejos; sin embargo, no debe olvidarse que no son ms que una herramienta de clculo que necesita que los conceptos de la mecnica de suelos estn claros, que se comprendan los fenmenos que se quieren estudiar y que debe conocerse el orden de magnitud que deben tener cada una de las propiedades que intervengan.

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1.6 Normativa y Referencias En la actualidad, en el aspecto normativo, existen mltiples textos que regulan o afectan a la Ingeniera del Terreno:

-Ministerio de Fomento: Gua de cimentacin en obras de carreteras, Gua para el proyecto y ejecucin de muros de escollera en obras de carreteras, Normas UNE, Cdigo Tcnico de Edificacin (Documento Bsico SE-C Seguridad estructural Cimientos),

http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/CARRETERAS/_INFORMACION/NORMATIVA_TECNICA/

http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/CARRETERAS/_INFORMACION/NORMATIVA_TECNICA/GEOLGEOTEC/

-Eurocdigo 7

Y otros muchos organismos, asociaciones y empresas publican documentos interesantes:

-Sociedad Espaola de Mecnica del Suelo dependiente del CEDEX (centro de estudios y de experimentacin de Obras Pblicas).

http://www.ecsmge2007.org/

-Sociedad Espaola de Mecnica de Rocas www.semr.es

-Asociacin de Empresas de la Tecnologa del Suelo y el Subsuelo www.aetess.com

-Asociacin Espaola de Tneles y Obras Subterrneas www.asoc-aetos.es

-Asociacin Espaola de Empresas de Ingeniera (TECNIBERIA/ASINCE) http://www.tecniberia.es/

-Comit Espaol de Grandes Presas http://www.spancold.org/

-International Society of Rock Mechanics (ISRM) http://www.isrm.net

-International Society for Soil Mechanics and Geotecnical Enineering (ISSMGE) http://www.issmge.org

-International Association for Engineering Geology (IAEG) http://www.iaeg.info/

-International Tunnelling Association http://www.ita-aites.org/index.html

-ASCE - American Society of Civil Engineers http://www.asce.org/

-International Journal of Geoengineering Case Histories http://casehistories.org

-Resources and educational information in Geotechnical Engineering and related fields http://www.geoengineer.org

-World Wide Web Virtual Server of Geotechnical Engineering http://www.ejge.com

-Association of Soil and Foundation Engineers http://www.asfe.org

-Geoconsult Ingenieros consultores (publicaciones) http://www.geoconsult.es/