Ing. Geologica Fundamentos y metodos de analisis.

1. Ingeniería Geológica
Capítulo 1: Fundamentos y métodos de
investigación en Ingeniería Geológica
Juan Carlos Tiznado A.
Ingeniero Civil, MSc.
jctiznad@gmail.com
Sesión 1
Mecánica de Suelos

2. Agenda
• Objetivos de la sesión
• Contenido

3. Objetivos de la sesión
• Revisar aspectos fundamentales de la
mecánica de suelos que son utilizados en
ingeniería geológica
• Presentar elementos prácticos típicos de esta
disciplina en el contexto de obras civiles y
mineras

4. Contenido
• Origen y formación de suelos. Descripción y
clasificación.
• Tensiones efectivas. Asentamientos y consolidación.
• Resistencia al corte
• Geotecnia de sedimentos
• Suelos especiales

5. Origen y formación de suelos
Roca Madre
Acciones ambientales
 Físicas (térmicas, del agua)
 Químicas (hidratación, disolución, cementación)
 Biológicas (bacterias)
Perfil de meteorización
 Roca: nivel inferior
 Suelo: nivel superior
• Suelos residuales
• Suelos transportados

6. Origen y formación de suelos
Características generales de los suelos:
 Sistema particulado de sólidos “indeformables”
• Origen
• Granulometría
 Estructura y composición dependiente de:
• Minerales
• Agentes cementantes
• Procesos químicos
• Depositación
Mitchell & Soga (2005)

7. Origen y formación de suelos
Características generales de los suelos:
 Presencia de vacíos (poros, intersticios)
• Saturados
• Semi-Saturados
• Secos
Gas (aire)
Líquido (agua)
Sólido (partículas)
Vacíos
Agua libre
Zona capilar saturada
Zona capilar parcialmente saturada
Agua discontinua

8. Descripción y clasificación de suelos
Análisis granulométrico (ASTM D 2487)
Peck et al. (1974)
 Coeficiente de
Uniformidad (Cu)
 Coeficiente de
Curvatura (Cc)
 Diámetros
característicos
(D60, D30 , D10)
 Porcentaje de
finos (Tamiz N°200)

9. Descripción y clasificación de suelos
Plasticidad
 Límites de Atterberg (ASTM D 4318)
• Límite de retracción
• Límite plástico
• Límite líquido
 Carta Plasticidad
(Casagrande)
Tamiz n°40
ASTM
ASTM D 2487

10. Descripción y clasificación de suelos
Clasificación (material complementario)
 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS)
• Casagrande, U.S. Army Corps of Engs., U.S. Bureau of Reclamation
• Uso en Obras Civiles
• Suelos gruesos: Granulometría. Suelos Finos: Plasticidad.
• Finos: % que pasa n°200 > 50%
 Sistema AASHTO
• Obras Viales: terraplenes, sub-rasantes, bases y sub-bases
• 8 grupos: A-1 a A-8 (con subgrupos).
• IG: índice de grupo
• Finos: % que pasa n°200 > 35%

11. Tensiones efectivas
Principio de Terzaghi (suelos saturados)
 Exceso de presiones por sobre la presión neutra u
 Actúan sobre la fase sólida del suelo
 Responsables de los cambios de volumen, distorsiones, o
variaciones en la resistencia al corte del suelo
u


 


12. Asentamientos y consolidación
Esquemáticamente, al aplicar un incremento de carga ∆ σ
al suelo:
 Válvula de drenaje: permeabilidad / velocidad de carga
 Paulatinamente, el exceso de presión neutra se transfiere al
esqueleto sólido del suelo (resorte)
t=t0 t=t1 t=tf
0
'
0 u




 
 '
0
'
1
0
1
1
'
1
; 














u
u
u
0
'





f
f
u



13. Asentamientos y consolidación
 Asentamientos
• Deformaciones verticales en suelos (cargas aplicadas)
• Factores determinantes:
 Características y comportamiento del material
 Cargas (duración)
 Permeabilidad / Condiciones de drenaje
• Condiciones drenadas / no-drenadas
 Consolidación
• Disipación de los excesos de presiones neutras
(cargas aplicadas)
• Velocidad (tiempo) ↔ permeabilidad
• Particularmente relevante en suelos finos

14. Resistencia al corte
En general, los suelos fallan por esfuerzo de corte (tangencial)
Criterio de rotura – Estado tensional/deformacional crítico
 Ejemplo: Criterio de Mohr-Coulomb


 



 tan
)
( u
c
Terzaghi et al. (1996)
’

15. Resistencia al corte
Comportamiento de suelos sometidos a corte
 Suelos granulares
• Sueltos: Comportamiento contractivo
• Densos: Comportamiento dilatante
• A mayor densidad inicial, mayor ángulo
de fricción interno “peak”
(comportamiento rígido)

16. Resistencia al corte
Comportamiento de suelos sometidos a corte
 Suelos arcillosos – baja plasticidad
• Blandos (NC): Comportamiento contractivo
 Resistencia “Peak” disminuye poco a deformaciones elevadas
• Duros (OC): Comportamiento dilatante
 “Peak” superior al de arcillas NC (a muy baja deformación)
 Con alta deformación, “Peak” decrece aprox. al valor NC
 Suelos arcillosos – alta plasticidad
• Comportamiento análogo al caso de baja plasticidad
• Con alta deformación, resistencia disminuye a valores residuales

17. Geotecnia de sedimentos
Sedimentos
 Procesos Geomorfológicos y Climáticos
• Medio de transporte
• Perfil de Meteorización
Tipos de depósito
 Coluviales
• Transporte: gravedad, hielo-deshielo, agua
• Alteración in-situ de las rocas
• Asociados a masas inestables
 Fragmentos angulares gruesos, heterométricos
 Matriz limo-arcillosa
 Baja resistencia

18. Geotecnia de sedimentos
Tipos de depósito
 Aluviales
• Transporte y depositación: agua
• Tamaños variables
 arcillas, hasta gravas y bloques
• Propiedades geotécnicas altamente variables
• Heterogeneidad y anisotropía
• Fuente de recursos
 Construcción en general
 Áridos
 Lacustres
• Grano fino (limos y arcillas)
• Pueden tener alto contenido de M.O.
• Pueden ser muy blandos y compresibles

19. Geotecnia de sedimentos
Tipos de depósito
 Litorales
• Formados por acción de corrientes, oleaje y mareas
• Predominio de arenas finas y limos
• Consistencia blanda a muy blanda
 Materia orgánica - Carbonatos
 Glaciares
• Transporte y depositación: hielo / agua de deshielo
• Fluvio-glaciares
 Gravas gruesas a arcillas
• Lacustre-glaciar
 Arcillas y estructuras laminadas
• Susceptibles a la solifluxión e inestabilidad de laderas

20. Geotecnia de sedimentos
Tipos de depósito
 De climas áridos y desérticos
• Desecación profunda
• Acumulación de sales
• Movilidad con el viento
• Problemas Ingenieriles:
 Expansividad (arcillas) y Colapso (por densificación)
 Alta erosionabilidad y Ataques por sales, cloruros y sultafos
 Otros:
• Evaporíticos (precipitación química: sales, cloruros y sulfatos)
• Volcánicos (alteración de materiales infrayacentes / transportados
por emisiones volcánicas)
• De climas tropicales (meteorización química - suelos residuales)

21. Suelos especiales
 Suelos expansivos
• Humedad / Cambios importantes de volumen
 Expansividad: absorción de agua
 Retracción: eliminación de agua
• Contenido de arcilla, mineralogía, estructura y fábrica
Grado Expansividad Finos (%) LL
Presión de
Hinchamiento
(kPa)
Hinchamiento
libre (%)
I Baja < 30 < 35 < 25 < 1
II Baja a media 30-60 35-50 25-125 1-4
III Media a alta 60-95 50-65 125-300 4-10
IV Muy alta > 95 > 65 > 300 > 10

22. Suelos especiales
 Suelos dispersivos
• Fuerzas repulsivas exceden fuerzas de atracción (finos)
 Floculación: separación de los agregados de partículas
 Arrastre de partículas por el agua (Erosión interna)
 Fangos
• Desembocadura de ríos y zonas costeras
• Depósitos finos, saturados, blandos y orgánicos
• Susceptibilidad tixotrópica

23. Suelos especiales
 Suelos salinos y agresivos
• Alta presencia de sales solubles
• Pueden ser agresivos al hormigón de fundaciones
• Problemas por sobre 0.02 % de sulfatos (contenido SO3)
 Sometidos a heladas - Permafrost
• Penetración de las heladas en el terreno
• Acumulación de “lentejones” en el suelo
 Invierno: expansiones
 Verano: reblandecimientos

24. Suelos especiales
 Suelos colapsables
• Estructura abierta y muy suelta
• Metaestabilidad
 Cementación (sulfatos)
 Relleno de huecos con partículas finas
• Colapso por cambios de humedad
 Suelos licuables
• Suelos areno-limosos, saturados
• Sueltos y de baja permeabilidad
• Pasan de un estado sólido a uno semi-líquido
 Aumento presiones intesticiales
 Tensiones efectivas “nulas”
• Especialmente relevante durante terremotos