Materiales Térreos Andrés Felipe Bernal Villate Ediciones USTA Tunja, 2022 107 páginas: tamaño 21,5 x 24 cm La identificación y conocimiento de los materiales térreos en proyectos de ingeniería resulta de vital importancia, esto debido a que son el componente principal en los procesos de interacción suelo-estructura, en donde, de acuerdo al tipo de material presente en el sitio, se va a tener un comportamiento determinado de la edificación.

Facultad de Ingeniería Civil Especialización en Geotecnia Vial y Pavimentos Materiales Térreos

Autor: Andrés Felipe Bernal Villate Ediciones USTA Tunja SANTO TOMÁS SECCIONAL TUNJA

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Joel Darío Vega Cruz Director Posgrados División de Ingenierías y Arquitectura Mónica Helena Rodríguez Mesa Decana de Facultad de Ingeniería Civil Liliana Mendivelso Melo Directora Campus Virtual Primera edición, 2022 ISBN 978-628-7603-00-4 (digital)

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CONTENIDO

CAPÍTULO GENERALIDADES Introducción al espacio académico.........................................................................................................................................7 Presentación de los capítulos..................................................................................................................................................8 CAPÍTULO 1: ORIGEN DE SUELOS Y ROCAS 1.1 Introducción.........................................................................................................................................................................11 1.2 Resumen..............................................................................................................................................................................12 1.3 Componentes de la geosfera.............................................................................................................................................13 1.4 Origen y formación de los suelos......................................................................................................................................17 1.5 El ciclo rocas – suelos........................................................................................................................................................19 1.5.1 Rocas ígneas............................................................................................................................................................20 1.5.2 Rocas sedimentarias..............................................................................................................................................21 1.5.3 Rocas metamórficas..............................................................................................................................................22 1.5.4 Meteorización........................................................................................................................................................23 1.6 Factores Necesarios para la formación de suelos............................................................................................................26 1.7 Tipos de suelos.....................................................................................................................................................................26 1.7.1 Suelos residuales.....................................................................................................................................................28 1.7.2 Suelos transportados.............................................................................................................................................30

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CAPÍTULO 2: CARACTERIZACIÓN DE SUELOS Y ROCAS 2.1 Introducción........................................................................................................................................................................33 2.2 Resumen.............................................................................................................................................................................34 2.3 Afirmados...........................................................................................................................................................................35 2.4 Subbase granular................................................................................................................................................................37 2.5 Base granular......................................................................................................................................................................41 2.6 Determinación de características de agregados.............................................................................................................46

2.6.1 Dureza....................................................................................................................................................................47



2.6.2 Durabilidad............................................................................................................................................................52



2.6.3 Limpieza.................................................................................................................................................................55



2.6.4 Geometría.............................................................................................................................................................61



2.6.5 Resistencia............................................................................................................................................................62

CAPÍTULO 3: DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE ESTADO. EVALUACIÓN DE COMPACIDAD Y CAPACIDAD PORTANTE EN CAPAS GRANULARES 3.1 Introducción........................................................................................................................................................................65 3.2 Resumen.............................................................................................................................................................................66 3.3 Clasificación de suelos.......................................................................................................................................................66

3.3.1 Clasificación primaria de suelos...........................................................................................................................66

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3.3.2 Clasificación unificada de suelos.........................................................................................................................68



3.3.3 Clasificación de suelos método de la Aashto.....................................................................................................74

3.4 Relaciones gravimétricas y volumétricas.........................................................................................................................78

3.4.1 Relaciones de fase.................................................................................................................................................78



3.4.2 Relaciones gravimetricas.....................................................................................................................................80

3.5 Ejemplo de aplicación (caso de estudio)..........................................................................................................................87 3.6 Compactación....................................................................................................................................................................90 CAPÍTULO 4: COMPORTAMIENTO MECÁNICO. ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES 4.1 Introducción........................................................................................................................................................................93 4.2 Resumen.............................................................................................................................................................................94 4.3 Esfuerzos y Deformaciones .............................................................................................................................................95 4.4 Flujo....................................................................................................................................................................................97 4.5 Ensayos de Laboratorio Compresión Simple, Corte Directo y Consolidación...........................................................98 Lecturas complementarias...................................................................................................................................................... 100 Glosario.....................................................................................................................................................................................102 Bibliografía.........................................................................................................................................................................................104

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CAPÍTULO

GENERALIDADES

CAPÍTULO GENERALIDADES Introducción al espacio académico La identificación y conocimiento de los materiales térreos en proyectos de ingeniería resulta de vital importancia, esto debido a que son el componente principal en los procesos de interacción suelo-estructura, en donde, de acuerdo al tipo de material presente en el sitio, se va a tener un comportamiento determinado de la edificación. Se debe partir del hecho que un material térreo que puede llegar a ser tanto suelo como roca, lo cual hace referencia a la acumulación de partículas minerales que en contacto con más elementos pueden presentar comportamientos variables, como los cambios volumétricos, modificaciones en la resistencia, durabilidad, deformabilidad, y demás características que solo estos materiales pueden llegar a modificar ya sea ante la presencia de un ambiente agresivo, o la presencia de un flujo de agua a través de su estructura. Un factor importante dentro del conocimiento y evaluación del comportamiento de un material térreo, es su identificación; partiendo del origen de las partículas formadoras de este elemento, hasta su composición interna, su estructura y características que lo hacen un material particular, pues, resulta muy complejo encontrar en la naturaleza dos materiales de características totalmente iguales en sectores relativamente cercanos. Así se tenga un material cuya denominación sea la misma, dependiendo del sector de localización, condiciones medioambientales y origen de formación, la estructura no va a comportarse de la misma forma.

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Presentación de los capítulos El presente libro muestra las etapas de caracterización geomecánica de un material térreo, en el cual, las características se hacen importantes a un nivel de detalle muy pequeño, pues dependiendo de su forma de origen, método de depositación, sedimentación y demás, puede llegar a dejar marcado un comportamiento específico en los geo materiales que sigan depositándose en las partes superiores a estas partículas analizadas. Como primero, se analiza el origen y formación de los suelos y rocas, identificando cuál es el proceso geológico que tiene que ocurrir para que se de origen a los tres diferentes tipos de rocas, y de las cuales, a partir de diferentes procesos de “meteorización”, se originan partículas que pueden llegar a transportarse, y depositarse en diferentes sectores, dando origen a los “suelos”, que son los encargados, en gran parte, de soportar las cargas que genera el hombre por la construcción de una estructura o ejecución de un proyecto. Una vez identificados los materiales térreos, se hace relevante la identificación de sus características físicas, con las cuales se puede predecir de forma general el comportamiento que estos geo materiales pueden llegar a tener a nivel de aplicativos. Además de evaluar cuál es el método para identificar parámetros mecánicos, como es el caso del CBR, y establecer sí el suelo que se tiene en un sector, cumple con los criterios y especificaciones necesarios, para poder ser utilizado o empleado en la ejecución de un proyecto. Establecidos los parámetros físicos e índice, se presenta la forma de establecer el tipo de material con base a diferentes técnicas, pues a pesar de que la gran mayoría de materiales térreos comparten elementos a nivel químico, la adición y reducción de un elemento en su estructura modifica completamente su composición, generando la aparición de diferentes tipos de suelos, entre los que se destacan los granulares y los finos. Finalmente, una vez caracterizado y clasificados los diferentes tipos de materiales existentes a nivel de suelo o rocas, se identifican los parámetros mecánicos, que corresponden al esfuerzo máximo que puede llegar a soportar un suelo o roca antes de presentar un estado de falla, como también la forma de determinación de estos parámetros y las condiciones especiales que un material puede llegar a experimentar ante el cambio en su condición natural de esfuerzos.

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CAPÍTULO 1

ORIGEN DE SUELOS Y ROCAS

CAPÍTULO 1: ORIGEN DE SUELOS Y ROCAS 1.1 Introducción En el desarrollo de diferentes proyectos de tipo civil, la relación suelo–estructura, juega un papel fundamental en la estabilidad de la obra, pues, tanto el suelo como las rocas son las encargadas de generar un nivel de equilibrio favorable, el cual depende de sus características y propiedades, además de las condiciones medioambientales; pues al contar con sitios en donde se tengan condiciones climáticas desfavorables, los materiales pueden presentar comportamientos no adecuados o aptos para desarrollar un tipo específico de construcción; o por el contrario, se pueden requerir de diseños mucho más elaborados, o robustos para poder llevar a cabo el proyecto de una forma adecuada, garantizando un nivel de equilibrio o estabilidad óptimo. Ante esta situación se vuelve relevante el conocimiento de los diferentes tipos de materiales que conforman la superficie de la corteza terrestre, identificando los procesos de origen, de formación de diversos tipos de rocas, y las etapas que deben pasar para dar origen a los tipos de suelos que existen que en la gran mayoría de las veces, son los elementos que se encuentran en la superficie del terreno, y sobre los cuales se van a llevar a cabo la ejecución de diferentes estructuras como carreteras, obras de arte, puentes, viaductos, entre otras obras de tipo civil encaminadas a la rama de la infraestructura vial.

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1.2 Resumen Los materiales térreos que conforman la corteza terrestre, cuentan con un origen que coincide con el del universo, y en si del planeta tierra, pues según diferentes teorías validadas científicamente, esta se formó hace aproximadamente 4.500 millones de años a partir de la acumulación de gases y residuos cósmicos; para posteriormente, dar origen a diferentes capas conocidas como la atmósfera, hidrosfera y la litosfera. Con el pasar del tiempo diferentes procesos fueron sucediendo en el planeta, los cuales fueron dando origen a los materiales dentro de la litosfera los cuales fueron catalogados como rocas, debido a diferentes procesos medioambientales dieron como resultado a los suelos, en donde el conjunto de estos dos elementos, corresponden a la parte sólida de esta capa, la cual debido a que no es del todo masiva sino que presenta vacíos o espacios, cuenta con un tercer componente que es el agua, generando así un esquema trifásico que puede llegar a presentar diferentes estados ante el cambio en sus condiciones naturales, pues pueden llegar a ser alterados con facilidad, ante la realización de cortes, rellenos, mejoramientos y diversos procesos de tipo ingenieril, durante la construcción o ejecución de un proyecto; es por tal razón, que se vuelve importante poder establecer con un gran nivel de detalle el comportamiento de los materiales, especialmente el de los suelos, ya que estos últimos, debido a su composición, pueden experimentar cambios significativos, ante solamente la presencia de agua, sin la generación de un cambio mecánico, siendo esto conocido como la caracterización geotécnica del material térreo En el presente capítulo, se da a conocer los diferentes procesos de creación de las rocas, identificando el origen de los diferentes tipos, esto debido a que no todas son creadas con los mismos procesos, sino que por condiciones tectónicas, propias de la corteza terrestre y factores medioambientales, se cuentan con diversos elementos que pueden conformar diferentes tipos de rocas; además de esto, producto de procesos de meteorización, y cambios físico–mecánicos que se presentan bajo la corteza terrestre, se pueden dar origen a diversas partículas o elementos que conforman los suelos, en los cuales, se establecen las características generales, y los diferencias que estos pueden llegar a presentar a nivel de su estado de formación, pues al igual que existen diferentes tipos de rocas, también se cuentan con gran número de materiales blandos o en procesos de consolidación conocidos como suelos.

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1.3 Componentes de la geosfera Los materiales térreos, en donde se encuentran los denominados suelos y rocas cuentan con un inicio que data desde el periodo de origen del universo y en si del planeta tierra, pues de acuerdo a diversas teorías, esta se formó hace aproximadamente 4.500 millones de años a partir de la acumulación de gases y polvo estelar, como también residuos cósmicos, los cuales, al agruparse, cambiaron su composición, estado y características, dando origen al proceso conocido como el Bing Bang. En un esquema simplista de forma esférica (Figura 1, se tiene que el globo terráqueo, se encuentra conformado por un núcleo compuesto por la fusión de elementos como el hierro, níquel, luego de esto, se tiene la presencia del manto, y finalmente la corteza terrestre. En la actualidad, se conoce que la densidad del núcleo central, es mayor a la densidad de las dos capas restantes, aunque a pesar de ser más denso, debido a altas temperaturas y su estado de fusión, carece de rigidez. Envolviendo este manto se encuentra la corteza terrestre, capa que presenta una densidad decreciente hacia la superficie, y está formada esencialmente por silicatos llamado Discontinuidad de Mohorovich. Figura 1. Espesores de capas que componen el planeta tierra

3000Km 1300 1700 1000

a. Forma aproximada

b. Forma simple

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p12)por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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La corteza terrestre, en donde se hallan la gran mayoría de materiales térreos, se encuentra conformada tanto por suelo, como por rocas, siendo las primeras partículas no consolidadas, en ocasiones con contenidos de material o capas vegetales, los cuales cumplen un papel vital, no solo para proyectos de tipo ingenieril, sino para la conservación natural del planeta. Los principales elementos que componen la corteza exterior de la tierra se presentan a continuación, teniendo como elementos principales el oxígeno y silicio, los cuales, al combinarse, generan cambios en el comportamiento de los materiales, como cambios volumétricos ante la unión de estos con el hidrogeno molecular. Tabla 1. Elementos que componen la capa terrestre ELEMENTO

SÍMBOLO

% EN PESO

% EN VOLUMEN

Oxígeno

O

46.6

93.8

Silicio

Si

27.7

0.9

Aluminio

Al

8.1

0.5

Hierro

Fe

5.0

0.4

Magnesio

Mg

2.1

0.3

Calcio

Ca

3.6

1.0

Sodio

Na

2.8

1.3

Potasio

K

2.6

1.8

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p13)por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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Tanto el origen como el proceso de formación de los mantos o depósitos de suelo y de roca, forman parte de un ciclo geológico, en donde se cuentan con etapas de “destrucción” del material debido a procesos de fusión, por altas temperaturas y creación en zonas de alta actividad tectónica y volcánica. Estos procesos se han generado durante periodos muy superiores a los que se consideran en el diseño y construcción de obras de ingeniería, por lo que resulta importante considerar estos cambios, pues gracias a estos, se da origen a diversos materiales con diferentes características y comportamientos, pues en la mayoría de las veces se asumen parámetros tanto de suelos como de rocas en el desarrollo de proyectos, conllevando a imprecisiones en los diferentes procesos constructivos. Una simplificación de estos grandes procesos de transformación de los elementos que conforman la corteza exterior o terrestre, se presenta en la figura 2, esta propuesta por A. González, en donde se muestran los diferentes procesos y condiciones a las cuales se someten los materiales para dar origen a los diferentes tipos de rocas, y a los diferentes tipos de suelos. En el esquema presentado, se muestra en la parte izquierda el proceso que ocurre en una zona de subducción de placa, en donde se produce el choque de estas, generando que una de ellas descienda y la otra se deforme tanto horizontal, como verticalmente, dando con esto a cadenas montañosas; la placa que desciende, debido a las altas temperaturas modifica su estado, y se convierte en magma, combinándose de esta forma en el manto, para luego de un proceso de circulación en esta capa, aflorar nuevamente en las denominadas zonas volcánicas, dando origen a una nueva capa de corteza terrestre u oceánica, dependiendo del punto de afloramiento.

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Figura 2. Ciclo geológico. Álvaro González

Fuente: Propia.

Sobre esta capa creada, y expuesta a condiciones medioambientales, se presentan alteraciones de las rocas, más conocidos como procesos de meteorización, en donde el material es degradado en formas de partículas, las cuales, debido a su tamaño, peso y densidad, son transportadas por corrientes de aire a otros lugares, para posteriormente ser depositadas en zonas distantes de donde se originaron. Una vez depositadas, se da inicio a un proceso de sedimentación, el cual ocurre en conjunto con más partículas que pueden variar su composición, en donde, de acuerdo al lugar de disposición, factores climatológicos, y profundidades de sedimentación se dan origen a nuevas rocas; además de esto, debido a que en ocasiones estos elementos se depositan a altas profundidades, alcanzando también altas temperaturas y presiones, se dan origen a otros tipos de rocas. En el extremo derecho del esquema y por la acción continua de la tectónica de placas, se reinicia el proceso de subducción de la placa más superficial que corresponde a las rocas de la corteza y se transforma en el magma, reiniciando el ciclo geológico, propuesto.

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1.4 Origen y formación de los suelos En el estudio de los materiales se denomina suelo a partículas y sedimentos que no cuentan con un alto nivel de consolidación sino que aun ese encuentran en este proceso, producidas por diferentes procesos de meteorización de las rocas que pueden ser químicas o físicas, en donde además de estos componentes, se puede llegar a contar o no con la presencia de material orgánico; por otro lado, la roca corresponde a un material de tipo mineral natural en estado sólido que se encuentra en grandes masas denominadas “macizos rocosos”, o en fragmentos de tamaños importantes. Estas pueden ser vistas e identificadas en superficie a través de “afloramientos”, los cuales dejan expuesta la roca a condiciones medioambientales, además de los componentes, puede apreciarse el grado de alteración a la cual ha sido sometida natural o tectónicamente. Según Ramírez Oscar “La mecánica de suelos y la mecánica de rocas se pueden definir como la aplicación de las leyes y los principios de la mecánica y la hidráulica, al modelamiento de estos depósitos para predecir su comportamiento ante el cambio en la condición de esfuerzos, generación de flujos o aplicación de una deformación y plantear soluciones en ingeniería para las obras que utilizan el suelo o las rocas como material estructural, como elemento de construcción o como elementos de sustentación”. Para poder establecer el comportamiento tanto de suelos como rocas en la aplicación de proyectos ingenieriles, es importante identificar y analizar sus propiedades y características, pues estas pueden llegar a variar ante la ejecución de un proyecto o construcción de diferentes elementos estructurales. Las propiedades y características más importantes desde el punto de vista ingenieril son: Propiedades Físicas: Corresponden a aquellas que pueden ser identificadas de forma visual, y varían de acuerdo a la gradación de las partículas presentes en el suelo o la roca. Porosidad: Corresponde a la cantidad de vacíos o espacios que se encuentran en la estructura interna de los suelos o rocas.

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Densidad: Hace referencia a la parte sólida del material en el caso de no contar con otro elemento, el conjunto sólido incluyendo los poros. Humedad: Hace referencia a la cantidad de agua que se encuentra almacenada en los poros o espacios del material. Permeabilidad: Corresponde a la capacidad que tiene un material para permitir el paso de un fluido a través de sus espacios. Deformabilidad: El cambio tanto de forma como en volumen que puede experimentar un material ya sea suelo o roca ante la modificación en su condición de esfuerzos. Estos pueden ser elásticos, plásticos o viscoelásticos. Resistencia: Corresponde a la máxima carga o esfuerzo de tracción que puede llegar a soportar un material. Tamaño: Dimensiones a nivel de forma y disposición de los granos de los que está compuesto el suelo o roca.

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1.5 El ciclo rocas – suelos En la corteza terrestre, tanto las rocas como los suelos se encuentran en un cambio permanente, esto debido a modificaciones en las condiciones climatológicas, hidrológicas y geotectónicas, por lo cual, resulta importante establecer cómo se encuentran confirmados estos materiales. A nivel general, se tiene que las rocas se encuentran clasificadas en tres grandes grupos de acuerdo a su origen: las rocas sedimentarias, ígneas y metamórficas. Estos tres materiales térreos son conformados por mezclas de varios minerales y partículas que varían en su composición, razón por la cual son agrupadas de forma diferente. Por otra parte, los suelos se derivan del proceso de meteorización de las rocas, lo cual generan partículas que, debido a corrientes de aire y condiciones gravitacionales, se transportas a otros sectores depositándose gradualmente y adquiriendo un nivel determinado de equilibrio. Teniendo en cuenta estos procesos, se conoce que la corteza terrestre se encuentra conformada aproximadamente de un 95% de rocas ígneas, y de solo un 5% entre rocas sedimentarias y metamórficas. Figura 3. Origen de los diferentes tipos de rocas

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Fuente: Propia

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COSTOS PREDETERMINADOS Corresponden a rocas que fueron formadas en la corteza terrestre por procesos de salida del magma a superficie y enfriamiento de este. Gran parte del magma se EN encuentraLOS localizado aPROCESOS grandes profundidades bajo la DE superficie del terreno, a excepción de las zonas volcánicas, en donde este se encuentra en la superficie y a una baja profundidad, el cual, debido a erupciones volcánicas puede salir a grandes TRANSFORMACIÓN velocidades por el cráter, o algunas fisuras que conecten el interior con la superficie de la corteza. Al salir el magma y exponerse a corrientes de viento, precipitaciones INDUSTRIAL y demás condiciones climatológicas, se dan origen a rocas ígneas de tipo extrusivas 1.5.1 Rocas ígneas

o volcánicas, y en ocasiones, debido al ascenso del magma por el volcán se produce el enfriamiento, generando una solidificación más lenta sin tener exposición alguna a superficie, se encuentran las rocas intrusivas o plutónicas.

La velocidad a la cual se enfría el magma, no solo determina el mineral que va solidificándose, sino también el tamaño y resistencia de la estructura cristalina; las estructuras gruesas corresponden a un enfriamiento lento, y las estructuras finas a un enfriamiento rápido; algunas rocas intrusivas que se encuentran en la corteza terrestre y presentan una alta resistencia debido a que han sufrido un largo tiempo de enfriamiento y cristalización son el granito, monzonita, granodiorita. Y algunas rocas extrusivas, las cuales sufrieron un proceso de enfriamiento y cristalización rápida, son la riolita, la traquita, andesita, entre otras.

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1.5.2 Rocas sedimentarias Las rocas que son expuestas en superficie a condiciones medioambientales, como cambios de temperaturas, precipitaciones, vientos, entre otros, se vuelven vulnerables a procesos de meteorización, tanto química, biológica o física, con las cuales se reduce la masa de roca a partículas de diferentes composiciones y con diferentes tamaños; de acuerdo a su tamaño y peso, estas son transportadas por gravedad, ambientes eólicos, marinos o hielo. Una vez transportados y depositadas, reciben el nombre de sedimentos, los cuales a través del tiempo van conformando capas denominados estratos. Una vez conformados los estratos, estos al recibir más carga de sedimentos en la parte superior van siendo compactados y cementados, procesos que puede denominarse como “litificación” y puede durar cientos de años; finalizando en la creación de rocas de tipo sedimentario. Estas rocas al ser originadas por el “ciclo de las partículas”, son las más comunes en la superficie terrestre, existiendo gran número de exposiciones de estas en diversos afloramientos. De acuerdo a la composición de sus partículas, se encuentran divididas en dos grandes grupos: las rocas sedimentarias químicas, y las rocas sedimentarias detríticas. Sabías que... ¿Las rocas químicas se caracterizan por provenir de materiales que pueden poseer comportamientos especiales? Como por ejemplo rocas cuyos componentes principales pueden poseer características especiales como dispersión por efectos químicos, expansión entre otros. Entre las rocas químicas se encuentran las calizas, el carbón, pedernal; y entre las rocas detríticas se hallan las areniscas, conglomerados, brechas, limolita, arcillolita.

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1.5.3 Rocas metamórficas Este grupo de rocas son producidas por procesos de metamorfismo, en donde se tiene la convergencia de diferentes factores: altas presiones, altas temperaturas y presencia de fluidos. Estas se originan a partir de los dos grupos existentes, las ígneas y sedimentarias, las cuales son expuestas a los factores antes mencionados, en donde se experimentan alteraciones químicas y físicas, pues debido a las presiones y temperaturas se presenta una modificación en su estructura, como disposición de los minerales, textura, color y demás características originales. La reorganización de los minerales y componentes de la roca debido a los agentes de metamorfismo, dan origen a dos texturas representativas de las rocas metamórficas: la textura foliada, y la textura no foliada. Esta foliación hace referencia a una organización planar o laminada de los minerales, además de que cuentan con una disposición en bandas a forma de capas. Entre las rocas de tipo metamórfico y textura foliada se encuentran la pizarra, Esquistos, Gneis, Filita. Y entre las rocas metamórficas de textura no foliada se encuentran el Mármol, la Cuarcita, la Corneana, la Antracita, entre otras.

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1.5.4 Meteorización La meteorización es el proceso por el cual, se presenta una degradación de los materiales, principalmente rocas, debido a la acción de agentes atmosféricos, ocasionando la desintegración de la masa rocosa en partículas de diversos componentes y tamaños distintos, de acuerdo a la severidad del agente que esté actuando, para convertirse posteriormente en partículas de suelos. De acuerdo a los cambios que se estén generando en la roca, la meteorización puede ser de tipo química o física, generando con esto una alteración en la parte basal del material descomponiéndola en pequeños fragmentos.

1.5.4.1 Procesos químicos de la meteorización

En este fenómeno se produce una alteración química en los minerales o partículas que compone la roca, dando origen a nuevos compuestos.

Oxidación: Es el proceso por el cual, los compuestos de un material presentan una reacción poco favorable ante la presencia de oxígeno, ocasionando con esto la desintegración de la roca. Este proceso se presenta de forma muy agresiva en materiales con altos contenidos de mineral de hierro, siendo aumentada por la presencia de agua. Debido a este fenómeno, se tiene una coloración característica en las rocas, en donde predominan colores rojizos o amarillos. Sabias que… En Boyacá, se encuentra el municipio de Paz de rio, en donde se tiene la presencia de materiales con altos contenidos de mineral de hierro, los cuales en superficie presentan procesos de meteorización por oxidación.

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Disolución: Es el proceso de degradación de las rocas con altos contenidos de carbonatos de calcio, debido a su exposición a grandes cantidades de agua en estado de flujo. El Carbonato de calcio en estado natural resulta poco soluble, pero debido a que las rocas cuentan con más componentes, además de los que posee el agua, como es el caso del anhidrido carbónico, ocasiona la disolución lenta de estos carbonatos, alterando químicamente el material. CO3Ca + CO2 + H2O

(CO3H)2 Ca

Lixiviación: Es el proceso que se genera debido al paso del agua a través de los poros de las rocas, arrastrando de esta forma el material cementante y menos consolidado, ocasionando una modificación en la estructura interna de la roca. Los materiales cementantes que corresponden en gran cantidad a sulfatos y carbonatos son almacenados en las partes bajas de las rocas, modificando químicamente la composición original de los niveles en los que se encuentran. Hidrólisis: Corresponde al proceso químico por el cual se produce la formación de iones de hidrogeno (H+), esto debido a intercambios iónicos entre el agua y diferentes minerales; debido a este fenómeno, se producen altos grados de acidez, los cuales aceleran el proceso de desintegración de la roca, generando compuestos altamente inestables. Carbonatación: Consiste en la acción del agua, la cual, junto al anhídrido carbónico, reacciona formando ácido carbónico, que reacciona con minerales de hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio; como resultado de esta unión se producen carbonatos (solubles) y bicarbonatos (menos solubles) de estos elementos.

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1.5.4.2 Procesos físicos de la meteorización

Este fenómeno se produce por la acción mecánica de agentes medioambientales y mecánicos que favorecen la degradación de las rocas. Algunos de estos factores son: Erosión: Corresponde a un proceso de degradación ocasionado por el choque de corrientes de vientos, precipitaciones sobre la roca totalmente expuesta. Se produce de acuerdo a las características topográficas, climatológicas e hidrográficas de la zona. Durante este proceso el agente golpea la roca ocasionando un desgaste mecánico, y, por lo tanto, dando origen a partículas que son arrastradas a otro sector, en donde son depositadas para el proceso de sedimentación. Abrasión: Es el fenómeno producido cuando dos materiales chocan o impactan entre si existiendo un movimiento relativo entre estos. Al generarse el contacto se produce un efecto de fricción; como consecuencia, el material más duro desgasta el de menor dureza, generando fragmentos formadores de suelo. Exfoliación: Debido a la presencia de fuerzas físicas internas en la roca, se presenta una separación de sus capas o láminas, dejando expuesta parte de su estructura. Producto de esta actividad se da origen a dos características muy notorias en el relieve, colinas abovedadas y cantos redondeados. Actividad Orgánica: Debido al crecimiento de vegetación en algunos sectores, se va produciendo un crecimiento progresivo de las raíces, las cuales, al alcanzar los niveles rocosos, pueden empezar a fracturar el material ejerciendo una presión lo suficientemente fuerte para generar fragmentos que van quedando sueltos; estas partículas, debido a movimientos del material son transportadas y depositadas para la formación de capas de suelo.

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1.6 Factores necesarios para la formación de suelos Una vez generado los procesos de meteorización, ya sea de forma química o física, es necesaria la ocurrencia de diferentes factores para favorecer la formación de suelos, pues de acuerdo al ambiente de depositación, se pueden generar diversos comportamientos de las partículas ante la variación de sus estados de equilibrio. Estos factores en general de derivan de condiciones medioambientales, entre los cuales se encuentran las condiciones climáticas, topográficas, biológicas, entre otras. » El clima » El material » La topografía » La vida de las plantas » El tiempo transcurrido

1.7 Tipos de suelos A partir de los ambientes de sedimentación, condiciones de meteorización y transporte de las partículas, se cuentan con diferentes tipos de materiales blandos que no han alcanzado un estado de roca conocidos como suelos, los cuales son clasificados en dos grupos debido al proceso que han sufrido para su creación, pues de acuerdo al agente de intemperismo, las partículas pueden quedan en el lugar, o en zonas muy cercanas a donde se produjo el fenómeno, dando origen a los suelos conocidos como “in situ”, o suelos residuales, como también, al generarse la meteorización, las partículas pueden trasportarse grandes distancias, dando origen a suelos transportados.

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Figura 4. Tipos de suelos existentes

Fuente: Propia.

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1.7.1 Suelos residuales Son aquellos que no han presentado ningún tipo de transporte, y se encuentran en el sitio en donde se produjo su formación, su espesor va a depender del nivel de meteorización que presente la roca alterada, y la velocidad con la que este fenómeno ocurra. Este tipo de suelo se caracteriza por presentar horizontes, los cuales según Deer y Patton se denominan horizontes A y B. De acuerdo al perfil de meteorización establecido, por Deer y Patton, se tiene un horizonte superficial el cual es conformado por una capa de material orgánico, el cual cuenta con unas características no adecuadas para procesos constructivos debido a la presencia de material vegetal, elementos altamente orgánicos que poseen unos altos niveles de deformación. El horizonte A, corresponden a material que ha sido depositado en el periodo más reciente, es un suelo rico en materia orgánica, razón por la cual cuenta con un color oscuro, característico para actividades agrícolas o agro génicas, este nivel al igual que el anterior, no resulta recomendable para actividades ingenieriles, debido a su alto contenido de agua, y su alta deformabilidad. Luego de este, se tiene la presencia del horizonte B, el cual corresponde a material sedimentado, en donde ya se tiene la presencia de algunos fragmentos de roca meteorizada, los cuales se mezclan con los granos de diferentes tamaños, adquiriendo una continuidad importante; este nivel que es el denominado como suelo en estado natural, resulta adecuado para el desarrollo de proyectos de ingeniería. Luego de este, se encuentra el horizonte C, el cual corresponde a la roca intacta o roca sana, en este nivel se da el inicio a la desintegración del material para el origen del suelo, por lo que se pueden llegar a distinguir en algunas ocasiones dos capas: una superior en la cual se presentan algunas hendiduras que desaparecen con la profundidad debido a que los agentes meteorizantes no son capaces de penetrar grandes profundidades; la segunda capa es en donde se presentan fracturas y la roca cuenta con un alto nivel de degradación dividiéndose en pequeños fragmentos.

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Figura 5. Perfil de Meteorización de la roca de Deer y Patton.

HORIZONTE M.O. HORIZONTE A Zona de transición A-B

HORIZONTE B Zona de transición B-C

HORIZONTE C Zona de transición C-Roca sana

ROCA SANA INALTERADA Fuente: Propia.

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1.7.2 Suelos transportados Este tipo de suelos se caracteriza por que la roca de origen se encuentra en un lugar completamente diferentes al sitio en donde se encuentra el depósito de suelo, esto debido al transporte de partículas por medios ambientes como el agua, el viento, el hielo o gravedad. Los suelos formados por corrientes hídricas o por acción del agua, corresponden a depósitos de partículas arrastradas y depositadas gracias al movimiento del agua en ríos, mares o quebradas; los cuales, de acuerdo a su dinámica fluvial, van depositando de forma inicial partículas de mayor tamaño y finalizan con las de menor tamaño en zonas en donde se produce estancamiento debido a una baja pendiente del relieve. A partir de estas condiciones hidrológicas se tiene suelos de tipo aluvial, llanuras de inundación, valles de inundación, meandros, depósitos de terrazas, depósitos lacustres, abanicos aluviales, entre otros. Figura 6. Suelos formados por acción del agua

a. Terrazas aluviales

Fuente: Propia

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b. Abanicos aluviales

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Los suelos formados por la gravedad, corresponden a depósitos de los cuales, las partículas formadoras o sedimentos presentan una gradación de mayor tamaño, y unas formas más angulares; debido a esto, adquieren un nivel de estabilidad más elevado, pues la interacción de las partes angulares de cada uno de los granos genera mayor fricción aumentando de esta forma el grado de equilibrio. Entre los suelos formados por la gravedad, se destacan los coluviones, los cuales son los depositados en las bases de las laderas, que se caracterizan por presentar una gradación muy heterogénea, y en la mayoría de las veces, predominan gravas o bloques de grandes tamaños embebidos en matrices que pueden ser de suelos muy finos, o granos de arena. Otro de los materiales que han sufrido transporte son los formados por el viento; estos se caracterizan por presentar partículas de muy pequeño diámetros o tamaños casi microscópicos. La principal característica de estos materiales, es que se acumulan en grandes cantidades que pueden llegar a formar desiertos. Entre estos se destacan las dumas, los loess, siendo estos últimos, grandes depósitos de material fino particulado no consolidados ni estratificados, pero debido a su adhesión, son lo suficientemente competentes para formar cortes casi verticales o con grandes ángulos de inclinación. Estos pueden llegar a ser de diversos colores, por lo general en estado de formación suelen presentar un tono grisáceo, pero a medida que va uniéndose con algunos óxidos e hidróxidos, la tonalidad va variando tornándose amarilla o rojiza. Su espesor puede llegar a alcanzar los 10m.

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CAPÍTULO 2

CARACTERIZACIÓN DE SUELOS Y ROCAS

CAPÍTULO 2: CARACTERIZACIÓN DE SUELOS Y ROCAS 2.1 Introducción Tanto los suelos, como las rocas son geo materiales que se encuentran compuestos de diversas partículas gracias a procesos de tipo natural, aunque en ocasiones la acción humana, en sus procesos industriales y científicos, interviene con el proceso natural, dando así origen a nuevos tipos de materiales con diversas características, y por lo tanto, gran variedad de comportamientos ante el sometimiento a procesos de carga o descarga, producto de la construcción de obras de tipo ingenieril. Debido a la gran cantidad de suelos y rocas en la superficie terrestre, la determinación de las propiedades y características se hace fundamental para garantizar la idoneidad, y que el diseño a ejecutar tenga un material que sea lo suficientemente capaz de soportar las cargas impuestas o el destino de acuerdo al proyecto; por tal razón, las propiedades físicas ayudan a realizar esta caracterización del material, no solamente desde el laboratorio, sino desde la etapa exploratoria, gracias a diferentes metodologías teóricas– experimentales, en donde se pueden establecer comportamientos geomecánicos derivados de las propiedades mecánicas del material, estado de deformabilidad y permeabilidad de los distintos elementos que componen la superficie.

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2.2 Resumen En este capítulo revisaremos el proceso de identificación tanto de suelos como de rocas, ya que resulta ser de vital importancia dentro de la ejecución de un proyecto de tipo civil, esto debido a que corresponde al elemento que entra en interacción directa con la estructura, por lo tanto, el identificar el comportamiento en condiciones actuales y futuras, garantiza un óptimo estado de equilibrio de la edificación y permite que esta perdure por el tiempo; es por tal razón, que en el presente capítulo introduce al conocimiento de los diferentes materiales que pueden ser utilizados dentro de un proyecto vial, en los cuales se destacan sus particularidades, como las condiciones que estos deben cumplir de acuerdo a las reglamentaciones nacionales, que para este caso corresponde a las normas INVIAS. Una vez determinadas estas características, se establece la forma de obtención en laboratorio a nivel de diferentes ensayos para el conocimiento de características básicas, físicas y mecánicas de los diferentes materiales a utilizar en cualquier proyecto ingenieril. En la ejecución de una obra de tipo civil, y a nivel puntual, en un proyecto vial pueden distinguirse tres tipos de niveles, los cuales corresponden a los materiales de afirmados, siendo estos como el nivel en el cual se plantea la ejecución de la obra, y que puede corresponder, ya sea a un suelo o a una roca insitu o natural, pero de acuerdo a su comportamiento geomecánicos este puede llegar a ser mejorado con materiales cuyas características sean más optimas que las de los encontrados en el sitio. Luego de estos, se encuentran los materiales de subbase, los cuales corresponden a un nivel de composición granular (suelo), el cual se encarga de transmitir las cargas al nivel de fundación o afirmado, garantizando una uniformidad en este proceso; y finalmente, se encuentran los niveles de base, los cuales hacen referencia a un material blando seleccionado y que debe instalarse totalmente compactado, evitando así procesos de infiltración o entrada de agua a las capas inferiores, para garantizar un estado óptimo en la obra. Para estos tres niveles, en Colombia se cuentan con diferentes reglamentaciones que restringe o limita el uso de materiales para estas capas, garantizando que no se presenten deformaciones o afectaciones importantes, ya que dada la presencia de gran número de suelos y rocas, no todas cuentan con las propiedades óptimas para ser aplicables y utilizables en un proyecto de tipo civil, es por esto que a partir del entes reguladores como el INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS (INVIAS), se crean diferentes normas para dar aplicabilidad a diferentes materiales en diferentes obras de carácter civil.

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2.3 Afirmados El material de afirmado corresponde a un nivel de suelo que garantiza que las cargas aplicadas al terreno natural, no vayan a generar deformaciones importantes que comprometan la estabilidad de la obra; por lo general, corresponden a una mezcla entre gravas, arena y suelos finos, este último con un bajo nivel de deformación, que al mezclarse generen un nivel casi impermeable y altamente compacto, el cual gracias a las partículas finas, es capaz de mantenerse totalmente solido con la aplicación de cargas. Figura 7. Materiales de afirmado

Fuente: Tomado de Diario el correo Perú. 2012

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De acuerdo al nivel de importancia de la vía, y necesidades en obra, este material puede ser denominado de diferentes formas: Afirmado suelto, en donde se tienen muy bajos niveles de tránsito, Afirmado pesado, en el cual el nivel de transito puede considerarse medio, y un Afirmado procesado, en donde además de contar con un tránsito importante, se tiene la presencia de cargas de alta magnitud. Los agregados o partículas que conformen un material de afirmado, deben cumplen diferentes criterios de calidad, entre los que se encuentran características de dureza, durabilidad, limpieza, geometría y resistencia, cuyos márgenes se encuentran estandarizados por el INVIAS: Tabla 2. Requisitos para materiales de afirmado. Instituto Nacional de Vías. Especificaciones Generales de construcción de Carreteras. 2013 CARACTERÍSTICA

NORMAS DE ENSAYO INV

REQUISITO

E-218

50

Dureza (O) Desgaste en la máquina de los Ángeles (Gradación A), máximo (%) - 500 revoluciones

Durabilidad (O) Pérdidas en ensayo de solidez en sulfatos, máximo (%) - Sulfato de sodio

- Sulfato de magnesio

E-220

12

18

Limpieza (F) Límite líquido, máximo (%) Índice de plasticidad (%) Contenido de terrones de arcilla y partículas deleznables, máximo (%)

Contracción lineal

E-125

40

E-125 y E-126

4-9

E-211

2

E-127 y E-129

100 a 240

E-148

>=15

Resistencia del material (F) CBR (%) porcentaje asociado al grado de compactación mínimo especificado; el CBR se medirá sobre muestras sometidas previamente a cuatro días de inmersión.

Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. Capitulo 3: Afirmados, Subbases y Bases (p 19) por Instituto nacional de vias. 2012

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2.4 Subbase granular El material que compone la subbase granular hace referencia a un suelo granular conformado principalmente por arenas y gravas que han sufrido un proceso de trituración para alcanzar un tamaño determinado, en esta mezcla, también se presenta un bajo contenido de finos, el cual se almacena en los pequeños espacios dejados por la mezcla de elementos granulares, fijando las partículas y evitando una deformación importante. Figura 8. Materiales de subbase granular

Fuente: Tomado de https://www.pavingexpert.com/subbase. 2021

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Debido a que los agregados pétreos pueden provenir de diferentes medios, ya sean de tipo residual o transportados, y este último puede llegar a presentar diferentes ambientes de formación, la subbase granular se divide en tres grupos de acuerdo a la tipología de las partículas y al nivel de transito que tenga la vía o el proyecto a construir: Tabla 3. Tipos de subbase granular. Instituto Nacional de Vías. Especificaciones Generales de construcción de Carreteras. 2013 CLASE DE SUB-BASE GRANULAR

NIVEL DE TRÁNSITO

Clase C

NT1

Clase B

NT2

Clase A

NT3

Fuente: Propia

Al igual que los materiales de afirmado, los agregados o partículas que conformen un material de subbase, deben cumplir diferentes criterios de calidad, entre los que se encuentran características de dureza, durabilidad, limpieza, geometría y resistencia, cuyos márgenes se encuentran estandarizados por el INVIAS:

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Tabla 4. Requisitos para materiales de subbase. Instituto Nacional de Vías. Especificaciones Generales de construcción de Carreteras. 2013

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Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. Capitulo 3: Afirmados, SubBases y Bases (p44) por Instituto nacional de vias. 2012

Es importante tener en cuenta que no solamente lo presentado en las especificaciones anteriores, es suficiente para dar por aceptado un material con nivel de subbase granular. Una vez se cumplan las características de dureza, durabilidad, limpieza y resistencia, la mezcla debe pasar con un proceso de gradación, para establecer si las partículas cuentan con tamaños diversos, pues lo que se busca que el material tenga los menores espacios posibles para evitar las deformaciones al ser instalado y puesta en servicio la obra.

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2.5 Base granular Los materiales que componen el nivel de base granular, debe corresponder a un suelo granulare, conformado por arenas de diversos tamaños con gravas, las cuales deber ser pasadas por un proceso de trituración para evitar la aparición de sobre tamaños. Este material debe contener una mínima fracción de finos, el cual actúa en ocasiones como un sellante o cementante para las partículas granulares. Figura 9. Materiales de base granular

Fuente: Tomado portal argos. de https://www.360enconcreto.com/blog/detalle/experienciatolimense-con-bases-y-sub-bases-argos. 2021

Debido a que los materiales que conforman la base pueden tener distintos orígenes y ambientes de formación, los suelos que pueden utilizarse como base se divide en tres grupos de acuerdo a la composición de los agregados y al nivel de transito del corredor.

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Tabla 5. Tipos de base granular. Instituto Nacional de Vías. Especificaciones Generales de construcción de Carreteras. 2013 CLASE DE SUB-BASE GRANULAR

NIVEL DE TRÁNSITO

Clase C

NT1

Clase B

NT2

Clase A

NT3

Fuente: Propia

Al igual que los materiales de afirmado y subbase granular, los agregados o partículas que conformen un material de base, deben cumplir diferentes criterios de calidad, entre los que se encuentran características de dureza, durabilidad, limpieza, geometría y resistencia, cuyos márgenes se encuentran estandarizados por el INVIAS:

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Tabla 6. Requisitos para materiales de base. Instituto Nacional de Vías. Especificaciones Generales de construcción de Carreteras. 2013

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Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. Capítulo 3: Afirmados, Subbases y Bases (p 60) por Instituto nacional de vías. 2012

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Al igual que para los materiales que sirven como afirmado, y subbase granular, para los suelos que van a servir como base es importante tener en cuenta que no solamente lo presentado en las especificaciones anteriores, es suficiente para dar por aceptado un material, una vez se cumplan las características de dureza, durabilidad, limpieza y resistencia, la mezcla debe pasar con un procesos de gradación, para establecer si las partículas cuentan con tamaños diversos, pues lo que se busca que el material tenga los menores espacios posibles para evitar las deformaciones al ser instalado y puesta en servicio la obra. Sabias que… Los niveles de afirmado, Subbase, y base, ¿son las capas de una estructura de pavimento de tipo flexible?, estas son las que se emplean en las vías que transitamos comúnmente en nuestras ciudades.

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2.6 Determinación de características de agregados La identificación física, y clasificación en cuanto a las características y propiedades de suelos y rocas, con destinación a proyectos ingenieriles, resulta de vital importancia, debido a que no todos los geo materiales cumplen con las condiciones aptas para servir como elemento de sostenimiento y equilibrio a las edificaciones, por lo tanto, es indispensable evaluar que tan competente resulta ser en el terreno para poder utilizarlo de forma natural, o si es necesario llevar a cabo diferentes actividades, para mejorarlo y así poder garantizar la estabilidad de las estructuras. Una de las formas más factible es la evaluación geomecánica en laboratorio mediante el uso de diferentes tecnologías y técnicas, con las cuales se discretizan en varias ramas las características geomecánicas de un agregado o suelo, teniendo como base la dureza, que indica el nivel de desgaste que puede llegar a tener tanto los suelos como las rocas ante la presencia de una carga repetitiva, la durabilidad, la cual corresponde al desgaste o degradación que puede llegar a experimentar el material ante la presencia de un elemento químico que pueda alcanzar a afectarla. La limpieza, que hace referencia a la cantidad de partículas finas que pueden llegar a estar presentes en la mezcla, debido a que los materiales que van a ser utilizados en un proyecto de tipo vial o civil, en la mayoría de las veces, deben estar en lo posible libres de estas partículas, ya que son los que pueden producir deformaciones o cambios de forma ante la presencia de cargas o retiro de estas; la forma, la cual resulta de vital importancia debido a que de acuerdo al tamaño y forma de las partículas, estas se pueden organizar de forma óptima reduciendo espacios o vacíos que queden en la estructura interna del suelo, y finalmente, la resistencia, el cual es el máximo nivel de cargas que el suelo o un material pueden llegar a soportar antes de dar inicio a un proceso de falla por estabilidad.

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2.6.1 Dureza La dureza se conoce como la oposición que muestra un elemento, generalmente de tipo rocoso, a presentar modificaciones físicas, como la penetración, el rayado o la degradación. Esto se debe a que la unión de las partículas es tan alta, que los átomos que las componen se encuentran fuertemente enlazados, evitando de esta forma que se produzca una alteración por un medio mecánico. Para evaluar esta característica de los materiales, se utilizan diversos métodos, entre los que se encuentran el desgaste en la máquina de los ángeles, y el ensayo Micro Deval. 2.6.1.1 Ensayo de desgaste en la máquina de los ángeles (INV E-218-13) Determina el nivel o grado de degradación del material pétreo que va a ser utilizado tanto como nivel de afirmado, subbase o base, el cual cuenta con una distribución de tamaños especificos; en este se somete a una serie de giros el material en un tambor, en el cual, para ocasionar la degradación mecánica, son adicionadas una serie de esferas metálicas; una vez se disponga el material en el interior, junto a estas esferas, las cuales cuentan con un peso y tamaños de acuerdo a la gradación del material, se da inicio a los giros, con los cuales, cuando el material llevar a la parte más alta del cilindro, carga a la base impactando de esta forma con las esferas y dando inicio a la alteración de las partículas. Figura 10. Ensayo de desgaste en la máquina de los ángeles.

Fuente: Tomado de https://www.civilconcept.com/los-angeles-abrasion-test/?v=c86ee0d9d7ed. 2021

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Una vez cumplida una serie de vueltas, se extrae el material, retiradas las esferas metalizas se procede a pesar el toral de las partículas para medir que tan afectadas se encuentran, evaluando, cuál es el porcentaje de masa perdido con la ejecución del ensayo. Figura 11. Esquema general del ensayo de desgaste.

Fuente: Propia

La carga que corresponden a las esferas dependerá de los tamaños de las partículas, de acuerdo a una clasificación establecida en el artículo 218-13 de las especificaciones técnicas de materiales establecidas por el INVIAS.

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Tabla 7. Carga de esferas requeridas para el ensayo de desgaste en la máquina de los ángeles. Ensayo de desgaste en la máquina de los ángeles E-218-13. Instituto Nacional de Vías

Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. INV 218-13: RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS (p 02) por Instituto nacional de vías. 2012 Figura 12. Esferas para el ensayo de desgaste. Ensayo de desgaste en la máquina de los ángeles E-218-13. Instituto Nacional de Vías

Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. INV 218-13: RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS (p 05) por Instituto nacional de vías. 2012

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El resultado final del ensayo, resulta de la diferencia de pesos de la muestra inicial, con la muestra una vez finalizado el ensayo de la forma que se muestra en la expresión 2.4.-1

En donde: P1: Peso de la muestra antes del ensayo P2: peso de la muestra seca después del ensayo, después de lavada por el tamiz No 12

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2.6.1.2 Ensayo Micro Deval (INV E-238-13)

Otro de los ensayos utilizados en la determinación de la dureza del material, corresponde al ensayo de resistencia a la degradación utilizando el aparato micro deval. Este consiste en la trituración progresiva del material mediante el fenómeno de rotación; al igual que en ensayo de desgaste, para la abrasión del material es necesaria la inclusión de esferas metálicas, pero además de esto, se tiene la adición de agua, para producir una interacción diferente entre las partículas. El proceso del ensayo consiste en que una muestra de material inicialmente se sumerge en agua para lograr una saturación total de sus poros, lo cual debe duran un tiempo no menos de una hora; luego de esto, la muestra es introducida en un tambor de acero con un diámetro de 20 cm, junto a 2.0 litros de agua y una carga de esferas metálicas de 5000 g, en donde cada una posee un diámetro de 9.5 mm de diámetro. Una vez todos los componentes son incluidos en el cilindro, este empieza a rotar a 100 rpm durante un periodo de 2 horas, generando una interacción entre el material pétreo y las esferas junto con el agua. Una vez cumplido el tiempo del ensayo, se extrae la muestra, se lava y se somete a incremento de temperatura en un horno, hasta alcanzar el secado. Figura 13. Esquema general del ensayo de micro deval.

Fuente: Tomado de Especificaciones técnicas para carreteras. INV 218-13: DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO A LA DEGRADACIÓN POR ABRASIÓN, UTILIZANDO EL APARATO MICRO-DEVAL (p 02) por Instituto nacional de vías. 2012

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El resultado final del ensayo, resulta de la diferencia de pesos de la muestra inicial, con la muestra una vez finalizado el ensayo de la forma que se muestra en la expresión 2.4.-2

En donde:

Pi: Peso de la muestra antes del ensayo Pf: Peso de la muestra seca después del ensayo, posterior del lavado por el tamiz No 12.

2.6.2 Durabilidad Una vez determinada que la dureza del material satisfaga los criterios requeridos por las diferentes normativas, se procede a establecer la durabilidad, el cual hace referencia a la resistencia relativa que posee un material, principalmente un agregado pétreo para producir pequeños daños al suelo, cuando este es sometido a procesos de degradación química o mecánica. La evaluación de este parámetro resulta de vital importancia, ya que existen agregados que provienen de rocas de tipo química (rocas sedimentarias químicas), los cuales, ante la presencia de fluidos con cantidades importantes de sulfatos de sodio o magnesio, pueden llegar a presentar disolución o degradación, generando con esto descomposición de las partículas y, por lo tanto, perdida en la condición de equilibrio de la obra.

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Figura 14. Durabilidad de los agregados

Fuente: CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA Y FÍSICA DE LOS AGREGADOS DE LA CANTERA RODEB Y ACOPIOS, APLICADA A CONCRETOS Y FILTROS. (p67) por Culma, Angie. Becerra, Javier

2.6.2.1 Ensayo de sanidad o solidez de agregados (INV E-220-13) Para la determinación de la durabilidad de un material puede ser utilizado el ensayo de solidez de los agregados frente a la acción de soluciones de sulfato de sodio o magnesio (INV E-220-13). Esta prueba consiste en someter el material a una inmersión en sulfato de sodio o magnesio durante un periodo de mínimo 16 horas y máximo 18 horas, en las cuales estas sufrirán un determinado de descomposición o degradación debido a que se genera una reacción química que puede llegar a ser muy fuerte o muy leve dependiendo de la composición de los agregados pétreos. Es importante que la solución que se emplee, cubra las partículas por lo menos 12.5 mm, para garantizar la penetración del fluido en la estructura interna de las partículas. Además de esto, es importante que los recipientes se cubran para evitar evaporación de los componentes, ya que son compuestos muy fácilmente degradables en condiciones ambientales normales.

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Una vez terminado el ciclo de inmersión, las partículas son extraídas y secadas por escurrimiento durante aproximadamente 15 minutos, para luego introducirlas al horno a una temperatura de aproximadamente 110 °C (ver norma INVIAS E220-13), para luego de un periodo de 2 horas extraerlas y pesarlas; luego de esto se vuelven a ingresar al horno, y después de 2 horas nuevamente se pesan y así cíclicamente hasta obtener una masa constante. Una vez el peso se repita, pueden extraerse completamente del horno para dejar enfriarlas por completo. Figura 15. Ensayo de solidez en sulfatos

Fuente: Propia

Una vez las partículas se encuentren a una temperatura ambiente, nuevamente son sumergidas en la mezcla del sulfato, y se da por iniciado un nuevo ciclo de inmersión y secado, el cual se repite 4 veces más, para un total de 5 ciclos, los cuales completan la prueba. Una vez finalizados los cinco ciclos de inmersión – secado, se procede a lavar con agua las partículas para retirarles el exceso de sulfato, para pasar la muestra por un proceso de tamizado, con el cual se da por finalizada la prueba. Con esto se determina qué tan afectado se encuentra el material a los ciclos de humedecimiento – secado que puede experimentar un material en campo ante la construcción de una obra.

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2.6.3 Limpieza La limpieza de un material, contempla la cantidad de elementos de tipo fino presentes en el suelo, esto debido a que son partículas cuyos componentes tiene la capacidad de atraer y retener el agua, y con esto, ser capaces de generar cambios tanto de forma como de volumen al material en general, un efecto que resulta ser nocivo para la estabilidad de una obra lineal, como es el caso de las vías, en donde debido a la presencia de estos elementos de tipología fina, se presentan deformaciones en la parte superior de la estructura del pavimento, afectando la transitabilidad y desempeño general de la obra. Para la determinación de la limpieza de un material, o presencia de finos en este, se emplean diferentes ensayos; el primero, hace referencia a la caracterización de estas partículas o denominado ensayo de límites de consistencia; además de esto, se tiene el ensayo de equivalente arena, que su función es establecer el porcentaje de partículas granulares en el material. Otra de las pruebas que se realiza es el ensayo de azul de metileno, y el de cuantificación de partículas deleznables.



2.6.3.1 Ensayo de límites de consistencia (INV E-125-13)

Inicialmente, el ensayo de límites de consistencia, que tiende a establecer los rangos de humedad de la fracción fina contenida en el material para los cuales se presenta un cambio en su consistencia; el primero, es el límite plástico, cuya denominación busca establecer la cantidad de agua que debe estar presente en la fracción fina para que esta cambie de un estado relativamente solido a un estado plástico, en el cual se presentan deformaciones. El segundo, estado es la identificación del nivel o cantidad de agua para alcanzar un estado de flujo, el cual se denomina como límite líquido. Para la determinación del límite líquido, se debe tomar una muestra con un peso entre los 100 g a 200 g, esta debe ser representativa del material la cual previamente debe pasar el tamiz N° 40, luego de esto, a este material debe adicionársele agua y mezclar hasta crear una mixtura pastosa. Una vez amasada, se introduce en la cazuela de Casagrande enrazado la parte baja de esta con el suelo húmedo.

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Figura 16. Cazuela de Casagrande.

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 145)por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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Figura 17. Ranura realizada al material

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 146) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

Una vez enrazado el material en la cazuela, con un ranurador, se hace una abertura en la parte central este con un ancho de cerca de 2 mm en la base y 11 mm en la parte superior, la cual a medida que se generen los golpes, va a tratar de unirse nuevamente. Una vez realizada la ranura, se gira la manivela para provocar que la cazuela suba y caiga, generando así una serie de golpes, generando de esta forma la cantidad necesaria para que las dos partes del material se unan, procurando que el número de golpes se encuentre entre 15 y 40 golpes; cuando el número de golpes se encuentra cercano o por debajo de 25 significa que el material presenta demasiada agua, y por el contrario, cuando el número de golpes es cercano o superior a 40, indica que contiene muy poca agua. Una vez realizado el ensayo, se registra el número de golpes necesario para que las dos mitades se unan, este procedimiento debe ser realizado mínimo 3 veces para un numero de golpes cercano a 15, otro para un numero de golpes cercano a 25 y el tercer ensayo para un numero de golpes cercano a 40. Una vez se tenga el material para el determinado número de golpes, se extrae una parte y se le realiza un ensayo de humedad, registrando de esta forma el contenido de agua necesario para ese estado. Con los datos anteriores, se realiza una gráfica de humedad vs golpes, estableciendo que el límite liquido del material fino, corresponde al contenido de agua requerido para generar un cerramiento de las dos partes en la cazuela de Casagrande con un numero de golpes de 25.

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Figura 18. Determinación del límite líquido.

Fuente: Propia

El límite plástico del material establecido se determina con la misma fracción fina contenida en la muestra, y una cantidad similar a la que se requiere para la determinación del límite plástico. Para la determinación de este rango de humedad en el material, una vez obtenido el material, fracción fina del material que se vaya a utilizar como afinado, base o subbase que pase por el tamiz N° 40), se le adición agua y se mezcla de tal forma que quede una pasta homogénea. Luego de esto, se empieza a amasar, creando pequeños rollos o cilindros de aproximadamente 3 mm de ancho y longitudes entre 3 y 4 cm; si al lograr el cilindro se evidencian algunas pequeñas grietas longitudinales, la humedad contenida en el material corresponde al límite plástico, si no se presentan grietas o fisuras, se debe continuar con el proceso de amasado. Una vez logrados los cilindros se procede a realizar un secado de la muestra (ensayo de humedad), determinando de esta forma la humedad para un estado de consistencia plástico.

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2.6.3.2 Ensayo de equivalente arena (INV E-235-13)

El ensayo de equivalente arena consiste en determinar mediante el proceso de floculación que sean retiradas las partículas finas de los granos del material, ocasionando con esto que las partículas no necesarias (fuinas), queden suspendidas o asciendan por cambios de densidad, y el material aprovechable sea precipitado al recipiente. Estas variaciones o cambios en el material, se registran en el recipiente que debe estar correctamente marcado, teniendo como resultado que el equivalente de arena es la relación entre la altura final de arena, y la altura de la fracción arcillosa, separada de los granos de suelo granular. Figura 19. Ensayo de equivalente arena

Fuente: Tomado de https://www.macgingenieriacivil.com/equivalente-de-arena/ . 2021

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2.6.3.3 Ensayo azul de metileno (INV E-235-13)

El ensayo consiste en la adición de pequeñas y sucesivas dosis de solución de azul de metileno a una muestra de material, establecer el contenido de partículas finas (tamaños menores a 4.75mm). a medida que se van aplicando las dosis del elemento, si el material contiene gran cantidad de partículas de estos tamaños, se va incrementando el volumen del color, pues como se conoce, los elementos finos tienen la capacidad de absorber fluidos y retenerlos durante largos periodos de tiempo. Una vez confirmada la presencia de colorante libre, es indicativo de que ya no se tienen más partículas capaces de retener el fluido, por lo tanto, se establece el valor en cantidad de azul de metileno; esto expresado en gramos de colorante absorbido con kilogramo de material utilizado para el ensayo.



2.6.3.4 Contenido de terrones de arcilla (INV E-211-13)

Otro de los ensayos utilizados para la determinación de la limpieza corresponde al de terrones de arcilla, el cual consiste en determinar el porcentaje de partículas finas o deleznables contenida en una muestra del material que va a ser utilizado como afirmado, subbase o base granular. Para esto, se toma un atracción del material y se dispone en un recipiente cubriéndola con agua destilada durante un periodo de 24 horas, para garantizar un estado de saturación y separación de las particular; luego de esto, una vez saturadas, se inicia a presionar de forma manual los terrones que se encuentren sólidos para hacer que las partículas que no fueron disgregadas por el agua, se separen y verificar si corresponden a materiales finos o suelos granulares, este proceso debe realizarse de forma delicada para evitar fricción y trituración del suelo. Luego de separados todos los terrones, se realiza un tamizaje en húmedo para retirar la fracción fina contenida en la muestra; una vez tamizada se deja secar el material sobrante en el horno a una temperatura de 110 °C y finalmente, se pesa para establecer qué porcentaje del material correspondía a fracción fina.

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2.6.4 Geometría Además de las condiciones de dureza, durabilidad, y presencia de partículas finas en el material, es importante establecer las características geométricas, esto debido a que juegan un papel de vital importante en el proceso de compactación y estabilidad de la obra, pues dependiendo del tamaño y la forma de los agregados, estos se podrán disponer en el sitio para garantizar de esta forma una compactación óptima que garantice la estabilidad de la estructura. Para esto, se determina el índice de alargamiento de los agregados, como también las caras fracturadas, este último para establecer el grado de rozamiento que se puede llegar a presentar entre agregados.



2.6.4.1 Índice de alargamiento (INV E-230-13)

Consiste en determinar la relación de esbeltez que presentan las partículas del material mediante un proceso de tamizado inicial, en la cual se divide la muestra en fracciones; posteriormente, mediante criba, se hacen pasar las partículas a través de un tamiz de barras paralelas estableciendo en nivel de aplanamiento que poseen; este proceso se realiza de forma manual, evitando que las partículas pasen por la franja que no corresponde. Luego de esto, el proceso consiste en dos operaciones que se realizan de forma sucesiva: inicialmente, al igual que en el proceso anterior, se tamiza el material dividiéndolo en fracciones representativas. Posteriormente, para cada una de las fracciones de estudio se analiza mediante un calibrador con barras separadas a unas distancias descendientes (figura 24). Se considera que las partículas retenidas por las barras, son alargadas.

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Figura 20. Equipo para la determinación del índice de alargamiento y aplanamiento.

Fuente: Propia



2.6.4.2 Caras fracturadas (INV E -227-13)

El ensayo consiste en realizar una inspección visual detallada al material para establecer su nivel de fracturamiento de acuerdo a la forma de cada una de sus partículas, en esta se determina la masa, o se cuenta en si el número de partículas que pueden ser clasificadas como fracturadas, teniendo una o más caras bajo esta condición. Esta condición resulta ser característica en las partículas, pues se aprecia una superficie que puede ser rugosa o plana, opero con bordes de tipo angular. 2.6.5 Resistencia Una vez caracterizado el material de forma detallada y general, el último criterio, corresponde a la determinación mecánica, a partir de ensayos de resistencia, en donde se somete el material a cargas para establecer cuál es el esfuerzo máximo antes de dar inicio a un estado de falla que puede ser progresiva o súbita. El ensayo más representativo corresponde al CBR (California Bearing Ratio).

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2.6.5.1 Ensayo CBR (INV E-148-13)

Consiste en determinar la resistencia máxima del material ante la presencia de un esfuerzo de corte con el fin de establecer la resistencia no solamente de la subrasante, sino de materiales que van a servir como niveles de subbase y base granular. Este se efectúa bajo dos condiciones: una inicial que corresponde al estado natural del material, y otra que hace referencia de un estado de saturación total del suelo, siempre teniendo control de estos cambios como también de la densidad del material. Para la realización de este ensayo resulta importante que se conozcan algunos parámetros como la densidad máxima del material, la humedad óptima, para alcanzar dicha densidad, (datos obtenidos del ensayo de compactación), con los cuales no solamente se puede establecer la resistencia del material natural (afirmado), sino de las demás capas que puedan llegar a requerirse en el proyecto. Figura 21. Ensayo CBR.

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Fuente: Propia

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CAPÍTULO 3 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE ESTADO. EVALUACIÓN DE COMPACIDAD Y CAPACIDAD PORTANTE EN CAPAS GRANULARES

CAPÍTULO 3: DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE ESTADO. EVALUACIÓN DE COMPACIDAD Y CAPACIDAD PORTANTE EN CAPAS GRANULARES 3.1 Introducción La toma de decisiones de forma rápida en campo durante el desarrollo de un proyecto de ingeniería, hace necesario, y a veces vital, el conocimiento de las características y propiedades que tienen los diferentes materiales, para poder comprender su comportamiento ante posibles fenómenos ambientales o antrópicos que se tengan en el momento. Las clasificaciones geomecánicas que se crean en campo, teóricas o científicas resultan ser de gran utilidad en la identificación no solamente de comportamientos y características, sino de factores más relevantes como el conocimiento e identificación de los diferentes tipos de materiales presentes en la corteza terrestre, y que tienen completa interacción con la obra proyectada. En la actualidad, existe gran número de clasificaciones geomecánicas tanto para suelos como para macizos rocosos, basadas en distintos parámetros; como es conocido, las primeras metodologías basaban su distinción en cuanto al tamaño de los granos, y características físicas. Luego de los años, se originaron nuevas clasificaciones en donde se incluyen técnicas más adecuadas como la gradación, estructura de las partículas, comportamientos que asemejan mucho más al terreno real, y se acomodan para poder categorizar los diferentes geo materiales; límites de consistencia, humedades y demás. Estos son algunos parámetros que permiten una mejor y más fácil clasificación de los materiales enfocados a proyectos de ingeniería.

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3.2 Resumen En este capítulo se muestran algunas condiciones y criterios en las que se basan no solamente algunas clasificaciones, sino también metodologías que establecen el comportamiento geomecánico de los materiales a nivel del comportamiento mecánico–deformación, pues este también resulta ser de vital relevancia en el proceso de una identificación integral de un material de origen térreo.

3.3 Clasificación de suelos Inicialmente, los métodos primarios de clasificación tenían como punto de referencia la identificación del tamaño de los granos a partir de esto, existen diversos métodos de identificación de suelos bajo esta premisa.

3.3.1 Clasificación primaria de suelos Tiene como base una nomenclatura fundamental, en donde clasifica el suelo de acuerdo al tamaño del grano en diferentes grupos. A continuación, se presentan desde el tamaño más pequeño, hasta el grano de tamaño más grande: » SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS » ARCILLAS » LIMOS » ARENAS » CASCAJO O GRAVAS

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Los suelos que se encuentran en los tres primeros niveles son denominados suelos FINOS, los cuales se caracterizan por contar con una propiedad cohesiva, es decir, las partículas tienen la propiedad de unirse y mantenerse fijas por largos periodos de tiempo, mientras que los dos grupos restantes, son denominados como suelos GRANULARES, o no cohesivos, en donde el tamaño de sus granos puede ser visto a simple vista. En la mayoría de las veces la observación o identificación visual es suficiente para identificar los diferentes tipos de suelos; sin embargo, para diferenciar los finos de los granulares, es necesario establecer un rango numérico que defina la separación entre los tamaños finos y gruesos; en la actualidad, una de las clasificaciones más utilizadas es la clasificación Unificada, y la AASHTO, que toman como base el tamiz N° 200 para fijar esta separación. Se considera que las partículas finas, son todas aquellas que pasan por el tamiz, y los suelos granulares, son aquellos que quedan retenidos en dicha malla. A nivel de las partículas finas, a diferencia de las granulares, se vuelve un poco más dispendioso la identificación entre limos y arcillas, pero se pueden apreciar en algunas prácticas de laboratorio, particularidades que hacen distintos los dos materiales: » Tanto secas como humedad, en los materiales arcillosos se presenta mayor unión o cohesión entre las partículas que en un material limoso. » En un determinado nivel de humedad, las arcillas cuentan con una condición más plástica, razón por la cual estos materiales tienen a ser más deformables que los limos. » Se tiene una textura mucho más fina en las arcillas que en los limos; en estos últimos, en ocasiones se alcanza a percibir con el tacto pequeñas partículas o microgramos. El último suelo de la clasificación primaria corresponde a los suelos orgánicos, estos son claramente identificables debido a tres condiciones particulares: presentan un olor característico debido a la presencia de material orgánico como raíces, elementos de vegetal en proceso de descomposición; cuentan con una tonalidad oscura, su textura y alta compresibilidad, como también en ocasiones, altos contenidos de humedad.

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3.3.2 Clasificación unificada de suelos Esta clasificación del suelo, una de las más utilizadas y postulada por Artur Casagrande, establece diferentes materiales no solamente con base al tamaño de la partícula, sino que parte de la gradación general o la evaluación de un suelo primario o representativo; luego, analiza un segundo componente, teniendo dos posibles alternativas: el primero, depende de la gradación en el caso de suelos granulares, y el segundo, es el nivel de plasticidad de un material fino que se encuentre en un segundo orden. Esta clasificación que permite la identificación de cada suelo emplea dos o cuatro letras que indican el material: la primera letra tiene un carácter de sustantivo y la segunda de adjetivo; por ejemplo, la primera letra indica el material predominante, y la segunda, el material secundario; es importante mencionar que estas letras corresponden a las iniciales de los materiales en el idioma ingles de la siguiente forma: » G: Grava (gravel) » S: Arena (sand) » M: Limo » C: Arcillas con contenido ligante arcilloso (Clay) » O: Suelos con contenido orgánico (orgánico) » Pt: Turbas y suelos cenagosos de gran comprensibilidad » W: Material limpio bien gradado » P: Material limpio pobremente gradado » F: Presencia de finos no incluidos en el tipo arcilla » H: Alto potencial de compresibilidad » L: Bajo potencial de compresibilidad

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El procedimiento para llevar a cabo la clasificación parte de la gradación del material (ensayos de granulometría), en el cual se debe conocer el porcentaje del material que pasa y se retiene por los tamices de 3”, Nº1 Nº 4 y Nº 200, con estos se determinan los coeficientes de uniformidad (Cu) y curvatura (Cc), necesarios para establecer que tan bien o mal gradado se encuentra el suelo en el caso de que sea de tipo granular. Una vez conocidos los datos granulométricos, es importante conocer los valores de los límites de consistencia, a nivel del límite plástico y el líquido, esto para establecer el nivel de plasticidad de la fracción fina; en caso de que el material predominante o secundario tenga la presencia de arcillas, limos o material orgánico. Una vez realizados los ensayos de límites y granulometría, se deberá verificar que porcentaje pasa el tamiz N° 200: » Si el porcentaje que pasa el tamiz N° 200 es mayor al 50%, el suelo presente es de tipo FINO » Si el porcentaje que pasa el tamiz N° 200 es menor al 50%, el suelo presente es de tipo GRANULAR. En el caso de que se tenga un suelo de composición granular, inicialmente se debe identificar si es una arena o una grava, si el porcentaje que pasa por el tamiz N° es mayor al 50%, el material corresponde a una arena (S); si, por el contrario, más del 50% se queda retenida en este tamiz, el material hace referencia a una grava (G). Una vez identificado el tipo de material granular, se hace necesario analizar las curvas granulométricas, para establecer la homogeneidad o heterogeneidad de los granos, y poder instaurar si la curva cuenta con una buena o mala gradación, de esta forma se tiene la segunda letra de la clasificación: bien gradada (W) o pobremente gradada (P).

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Ante esta condición, se pueden llegar a presentar las siguientes combinaciones; » Si el 5% o menos pasa el tamiz por el tamiz N°200, el suelo puede ser catalogado como: GW, GP; SW, SP. » Si el porcentaje que pasa por el tamiz N°200 se encuentra entre un 5% y el 12%, el suelo puede ser: GW-GM, GP-GM, GW-GC, GP-GCo SW-SM, SP-SM, SW-SC, SP-SC. » Si pasa más del 12% el tamiz N. º 200, el suelo puede ser: GM, GC o SM, SC. Si por el contrario se trata de un suelo de composición fina, este puede catalogarse o clasificarse como arcilla, limo o material orgánico; para esto, debe recurrirse al ensayo de límites de consistencia, en donde a partir de la carta de Casagrande se puede identificar el tipo de material presente: Figura 22. Carta Plasticidad de Casagrande. Tomado del texto Fundamentals of

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 192) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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Soil Behavior, Tercera Edición, James K Mitchell and Kenichi Soga, año 2005. En la carta de plasticidad, se cuenta con una línea vertical que divide la clasificación en dos partes: a la izquierda muestra los materiales con la letra L indicando que poseen una baja plasticidad, lo cual indica que son suelos que no van a presentar grandes deformaciones ante la ejecución de algún corte o aplicación de cargas sobre ellos; por el contrario, al lado derecho de la línea se tienen los materiales acompañados por la letra H, lo cual indica que son suelos de alta plasticidad, aquellos que generan deformaciones y cambios volumétricos ante la presencia de agua en su estructura. A continuación, se presenta la clasificación unificada de suelos propuesta por J Bowles Tabla 8. Clasificación unificada de suelos. J Bowles.

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Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 193) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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Figura 23. Diagrama de flujo para la clasificación unificada de suelos

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 208), por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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3.3.3 Clasificación de suelos método de la Aashto Esta clasificación divide el suelo en dos grupos al igual que la clasificación unificada, en suelos granulares, y en suelos limo–arcillosos. Los suelos granulares, se dividen en subgrupos denominados con la letra A y acompañada de un numero: A-1, A-2 y A-3; los suelos finos, debido a su composición y propiedad plástica, se encuentran organizados y denominados con las letras A-4, A-5, A-6, A-7 y A-8, siendo estos últimos los suelos con altos contenidos de material orgánico. Al igual que en la anterior clasificación, se requieren los ensayos de granulometría y límites, para poder definir el grupo de suelo. Tabla 9. Condiciones generales en la clasificación AASHTO

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Fuente: Propia

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Tabla 10. Clasificación AASHTO

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Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p219) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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3.4 Relaciones gravimétricas y volumétricas Tanto los suelos como las rocas que componen la corteza terrestre, están constituidos de partículas minerales, pero dadas las condiciones de formación, ambientes y factores medioambientales, estas van cambiando progresivamente debido a la presencia de poros o vacíos en su estructura, pues van almacenando gases, fluidos, que modifican sus características gravimétricas y volumétricas. Debido a estas variaciones, comunes para los materiales térreos, se establece la necesidad de determinar las relaciones entre pesos y volúmenes los cuales son parámetros que determinan y condicionan la obtención de estas propiedades. Las propiedades físicas calculadas a partir de relaciones gravimétricas y volumétricas, se convierten en valores índices del material que ayudan a la definición de algunos comportamientos tanto de suelos como de rocas, y su funcionalidad y aplicabilidad a proyectos de tipo civil, pues de acuerdo a los valores de las diferentes relaciones, se puede predecir el comportamiento en campo de dichos materiales.

3.4.1 Relaciones de fase Los materiales térreos se encuentran conformados por tres componentes básicos, que son denominados fases: una fase sólida, una liquida y una gaseosa, cada una teniendo una afectación directa en el comportamiento del material.

- Fase solida Este componente se encuentra constituido por la estructura mineral y las partículas formadoras del suelo, las cuales dan origen a las rocas, pueden tener tamaños relativamente grandes en forma de granos, pero también pueden ser microscópicos como en suelos de condición química o rocas de origen químico. Esta fase define el comportamiento mecánico del material ante la aplicación de cargas, o reducción de estas;

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lo que se denomina como fase primaria y de cierta madera define la estructura interna que adquiere el material y los espacios intergranulares existentes; en el caso de las rocas, este componente es la de mayor masa molecular, mientras que en los suelos, dependiendo de su nivel de compactación o consolidación no siempre es el de mayor peso.

- Fase liquida Tanto en los suelos como en la roca, por lo general, esta fase está constituida por agua, aunque pueden llegar a presentarse algunos otros fluidos como hidrocarburos, pero en muy pocas ocasiones. Esta se encuentra ocupando los vacíos que se encuentran presentes en la fase sólida, y en ocasiones cubre la totalidad de estos, conformando de esta forma materiales “Saturados”. En algunos suelos, la presencia de agua en su estructura, genera un cambio molecular, generando con esto cambios tanto de volumen como de forma.

- Fase Gaseosa Esta fase la componen los vapores o aire que ocupan el resto de espacios vacíos. En el caso de que el agua no los llene por completo, o la totalidad de estos cuando no se tiene la presencia de un fluido dentro de la estructura interna del material. En el caso de las rocas que se encuentran a grandes profundidades, es posible encontrar poros sellados con aire, donde, en caso de presentarse algún flujo, no es tan fácil producir un fenómeno de saturación.

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Figura 24. Esquema de las fases en un material.

Fuente: Propia

3.4.2 Relaciones gravimetricas Las propiedades físicas de los materiales térreos se definen a través de mediciones volumétricas y gravimétricas, permitiendo la identificación de características que definen el comportamiento básico de los diferentes tipos de elementos; para estandarizar su análisis, se realiza el diagrama de fases, en donde se determina tanto el peso como el volumen de cada una de las fases presentes en el suelo.

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Figura 25. Diagrama de fases en un material

Fuente: Propia

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En la figura 25 se muestra las relaciones tanto de pesos como de volúmenes que se encuentran en un material, a las cuales se asigna una letra para su evaluación y calculo, teniendo la siguiente equivalencia: » V: volumen total de la muestra » V: volumen especifico. » Vs: volumen de sólidos presentes en la muestra » Vw: volumen de agua » Va: volumen de aire » Vv: volumen de vacíos = Va+Vw » W: peso total de la muestra » Ws: peso de sólidos » Ww: peso del agua » Wa: peso del aire, se asume cero en todos los casos (0) A partir de la medición tanto de los pesos, como de los volúmenes en cada una de las fases se pueden determinar los siguientes parámetros del material: - Relación de vacíos (e) Hace referencia a la cantidad de espacios vacíos o poros en el interior del material; está dada por la relación entre el volumen de los vacíos con respecto al volumen de solidos del material. Su valor en teoría, puede oscilar desde 0 hasta infinito, pero en materiales convencionales suele encontrarse entre 0.10 y 0.50. Su expresión está dada por:

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- Porosidad (n) Corresponde a un índice de velocidad con la que el agua puede atravesar tanto el suelo como la roca, además de esto, está dada por la relación entre el volumen de vacíos existente en el material, con respecto al volumen total de la muestra. Este valor puede encontrarse entre el 0% y el 100%, pero para materiales convencionales, suele oscilar entre el 20% y el 40%. Inclusive, en rocas ígneas, este valor puede ser mucho más bajo.

- Saturación (S) Este parámetro indica el porcentaje de vacíos en la muestra que se encuentran llenos de agua, el tener todos los vacíos completamente llenos, indica una saturación total (S=100%), lo cual puede indicar presencia de nivel freático, o altos niveles de precipitación, mientras que una saturación nula (S=0%), indica que todos los poros del material se encuentran llenos de aire. Este parámetro resulta de vital importancia, pues en un suelo, al presentarse una modificación en la saturación, puede traer consigo un cambio mecánico importante que repercute directamente en la estabilidad de la estructura que se encuentre sobre este material.

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- Humedad (w) Hace referencia a la cantidad de agua presente en el material en un momento determinado. Esta varía en teoría desde 0% hasta infinito, teniendo altos valores para un estado de saturación total; además de esto, cuando se relaciona el contenido de agua en un momento especifico, este parámetro se denomina como humedad natural.

- Peso unitario (Y) Puede llegar a utilizarse como una alternativa a la evaluación de la densidad, hace referencia a la relación del peso molecular del material, con respecto a un volumen determinado. Su valor puede llegar a variar de acuerdo al contenido de agua presente, cuando se tiene una saturación total, se denomina peso unitario saturado (Ysat); cuando se tiene una saturación nula, se denomina peso unitario seco (Yd); y cuando la humedad varía de acuerdo a condiciones climáticas y medioambientales, se puede denominar como peso unitario actual (Y).

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- Gravedad especifica (Gs) Este parámetro hace referencia a la relación de dos pesos: el peso de la parte sólida del material, con respecto al peso de un volumen de agua igual al volumen de los sólidos. Debido a que solo relaciona pesos, este valor es adimensional pero resulta altamente representativo para la caracterización de los materiales.

La variabilidad de este parámetro respecto a los anteriores es muy baja, pero muy sensible, pues una pequeña variación en su resultado, puede indicar un cambio representativo en el material; los materiales orgánicos poseen una gravedad especifica inferior a 2.0, mientras que materiales de buenas características, cuentan con una Gs entre 2.65 y 2.70. Para las rocas, estos valores se pueden incrementar, hasta incluso llegar a 7, como es el caso de la Galena, la cual, debido a su condición altamente masiva, cuenta con un peso de su estructura relativamente alto.

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Figura 26. Variación de la gravedad especifica.

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p86) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

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3.5 Ejemplo de aplicación (caso de estudio) En la ejecución de una exploración para la construcción de un puente, se llevó a cabo la extracción de una muestra a una profundidad de 4.50 m, en donde se tiene la presencia de un material que corresponde a una arcilla de baja plasticidad (CL), además de que el nivel freático se localiza a una profundidad de 2.5 m. La muestra una vez perfilada en laboratorio y adecuada para el ensayo cuenta con un diámetro de 5.0 cm, y una altura de 10.0 cm de acuerdo a los requerimientos de la norma; el peso de la muestra es de 396 g y la humedad natural es del 53%. Ante esta condición del material se requiere de su parte determinar las relaciones gravimétricas y volumétricas. Figura 27. Dimensiones de la probeta

Fuente: Propia

Solución: Lo primero es establecer qué fases se presentan en la muestra, teniendo como punto de referencia la profundidad a la cual es extraída la muestra, y la profundidad a la cual se registró nivel freático.

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Figura 28. Esquema general de localización de la muestra

Fuente: Propia

Ante esta condición, se tiene que la muestra solamente presenta dos fases: una fase sólida dominada por el material; y la liquida representadas por el agua.

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Figura 29. Diagrama de fases de la probeta

Fuente: Propia

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Una vez obtenidas las medidas volumétricas y gravimétricas se tiene que:

3.6 Compactación El proceso de compactación de un material depende de las condiciones geomecánicas de sus partículas, además de la forma de la estructura a edificar; por lo tanto, para garantizar la estabilidad de las diferentes estructuras u obras de tipo civil es necesario determinar el nivel de resistencia que puede llegar a presentar el material el cual se alcanza bajo procesos de compactación. Esta actividad debe realizarse teniendo en cuenta todas las características físicas, básicas e índice, además de contemplar la presencia de agua, pues esta última cumple un papel de vital importancia en el comportamiento mecánico del material, no solo a nivel de saturación, sino que puede restringir la compactación puesto que genera presiones intersticiales denominados como “presión de poros,”, ocasionando que estos procesos de compactación no sean tan efectivos.

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CAPÍTULO 4 COMPORTAMIENTO MECÁNICO. ESTADO DE REFUERZOS Y DEFORMACIONES

CAPÍTULO 4: COMPORTAMIENTO MECÁNICO. ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES 4.1 Introducción Cada vez que en el desarrollo de una obra se habla de materiales térreos, se hace referencia a la capacidad que estos geo materiales tienen de asumir cargas aumentando de esta forma sus niveles actuales de esfuerzos, y de establecer hasta dónde pueden llegar a soportar sin producir un estado de falla, o una deformación que afecte integralmente la estructura. Razón por la cual, se han venido originando diferentes metodologías que relacionan las cargas aplicadas con las deformaciones producidas, puesto que esta última se produce por la modificación original de los esfuerzos y puede llegar a ser una de las razones más importantes que defina la viabilidad del proyecto, así el material no alcance una condición de falla. Es por tal razón, que la evaluación y determinación de propiedades de esfuerzo – deformación se vuelven de vital importancia dentro de la caracterización de los materiales térreos, pues son un punto de partida en la planeación, diseño y construcción de cualquier tipo de proyecto. Estas metodologías y planteamientos establecen de una forma aproximada los diversos métodos utilizados para determinar la resistencia de los diferentes materiales presentes en la corteza; esto, debido a que en el continuo no se asumen ni se incluyen irregularidades, por lo que se establece una condición homogénea en lo que se denomina mecánica del suelo, pues en la geotecnia se establecen modelos constitutivos en donde se describe el comportamiento mecánico del material ante una condición

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crítica, generando con esto una idealización de diferentes trayectorias de esfuerzos que pueden llegar a presentarse ante el cambio en las condiciones de esfuerzos ante la aplicación de cargas producto de la ejecución de un proyecto ingenieril.

4.2 Resumen En este capítulo se abordará el tema de las condiciones mecánicas y de deformación del material ya sea suelo o roca, puesto que resulta ser un factor fundamental dentro del diseño y construcción de una estructura sobre la superficie del terreno, ya que de esto depende un óptimo dimensionamiento de los diferentes elementos que entran en contacto directo con la superficie, y, por lo tanto, el equilibrio tanto del material terreno como del elemento a construir. Es por esta razón que se deben llevar a cabo diversos procesos y actividades con las cuales se defina la resistencia límite o el estado de servicio del suelo ante la aplicación de solicitaciones, estudiando de esta forma la trayectoria en el esfuerzo que puede llegar a soportar o a sufrir una partícula en estado original de reposo, teniendo en cuenta que en este proceso, el elemento sufre un cambio en su forma y volumen denominado deformación; la cual puede ser de diferentes formas de acuerdo al tipo de material presente, pues se pueden experimentar deformaciones en un rango elástico, plástico o viscoelástico, en las cuales, se cuentan con diversas magnitudes, y de llegar a ser muy altas pueden generar la falla del material, y por lo tanto, la falla de la estructura.

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4.3 Esfuerzos y deformaciones La máxima resistencia del material, ya sea suelo o roca, se encuentra estrechamente relacionada a la tipología del mineral que conforma dicho elemento, como también a las condiciones en las que se encuentra este material; en cuanto a aplicación de cargas y condiciones de frontera de los materiales que van a sumir nuevas cargas, provocando así un cambio también en su nivel original de deformación. Una vez identificado el tipo de material es necesario verificar algunas condiciones externas que dominan la resistencia al corte del suelo o de la roca, además de identificar las condiciones bajo las cuales el material va a estar sometido, esto de cierta forma indica que estos elementos pueden contar con diferentes niveles de resistencia, y que esta a su vez puede llegar a cambiar a través del tiempo, por lo cual resulta vital establecer la situación más crítica a la cual el material puede llegar a estar sometido, para calcular en ese estado el límite de su resistencia. Los esfuerzos en un elemento actúan en el medio continuo sobre una superficie determinada, siendo fundamentales en la determinación del esfuerzo máximo de corte, pues este es función de los esfuerzos principales respecto a la orientación de un posible plano de debilidad o por una línea en donde se puede llegar a experimentar un determinado desplazamiento o deformación. Es por esto, que del estado de esfuerzos en diferentes puntos del continúo compuesta por los esfuerzos iniciales, más los incrementos generados por una sobrecarga, se obtiene el nivel de esfuerzo de corte que actúa sobre el plano de debilidad, pues en diversas teorías, la resistencia tanto de los suelos, como de las rocas aumenta cuando aumenta el esfuerzo normal al plano que se denomina []nf o []nf .

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Figura 30. Planos de generación de la resistencia al corte.

Fuente: Propia

Bajo esta suposición, se tiene que él la magnitud del esfuerzo normal sobre el plano y el esfuerzo de corte generado por el plano de falla son función de los esfuerzos actuantes en el elemento, en este caso, el esfuerzo principal mayor ([]1), y el esfuerzo principal menor ([]3), teniendo como referencia que el plano con el cual se relacionan dichos esfuerzos se encuentra en dirección de []2.

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4.4 Flujo El agua es el fluido que se encuentra presente en todos los espacios de la corteza terrestre, y hace parte de un ciclo vital no solo para la vida, sino que también para la formación de suelos y rocas, pues el flujo se da a través del continuo ya sea de forma superficial o subsuperficial, genera degradación de partículas, transporte y posteriormente la sedimentación; fenómenos necesarios para la formación de suelos, y más adelante la formación de rocas. La interacción de estos flujos de agua con la estructura interna de los materiales térreos genera un cambio en los comportamientos geomecánicos del material, los cuales modifican no solamente el tamaño y forma de las partículas, sino que en cantidades abundantes generan presiones internas que pueden llegar a interactuar con los esfuerzos geo estáticos, ocasionando una modificación en los esfuerzos normales, y por lo tanto, afectando la integridad de la estructura molecular de la roca o el suelo, razón por la cual, estas variaciones mineralógicas alteran la resistencia y compresibilidad del medio, con lo cual genera algunos cambios en las propiedades intrínsecas de los materiales que conforman el medio. Cuando se va a presentar una modificación de esta condición del medio poroso en esfuerzos por colocación de cargas ya sean producto de un corte o la construcción de una edificación, resulta vital identificar los posibles cambios en el patrón de flujo de agua en el interior del material modificado, pues este estado no solo varía las propiedades de resistencia y deformabilidad en forma importante en los suelos y, en menor proporción en las rocas, sino que la acción de las presiones del fluido o fuerzas de arrastre pueden ocasionar la falla del material sobre el cual se desarrolla la obra.

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4.5 Ensayos de laboratorio compresión simple, corte directo y consolidación. La determinación de las propiedades mecánicas, son de vital importancia para diseño y construcción de distintas obras de ingeniería. Se parte de la obtención de parámetros de resistencia al corte mediante diferentes ensayos, entre los cuales se encuentra el de corte directo, el cual es catalogado como una de las pruebas más comúnmente utilizadas, debido a la simplicidad para la obtención de C’ y ø’, pero no significando que sean valores poco representativos, aunque debido a avances científicos y métodos para determinar estos parámetros de forma más detallada se han venido creando, este ensayo está siendo sustituido por ensayos triaxiales, los cuales representan de una mejor forma las condiciones reales del suelo. El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. El espécimen del ensayo es insertado en un dispositivo de corte directo (caja de corte), para aplicar luego un esfuerzo normal determinado, humedecer y/o drenar el espécimen de ensayo, consolidar el espécimen bajo el esfuerzo normal, y desplazar horizontalmente una mitad respecto de la otra a una velocidad constante de deformación, mientras se miden la fuerza de corte y los desplazamientos normales y horizontales. La velocidad de corte debe ser suficientemente lenta para permitir la disipación del exceso de presión de poros.

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Figura 31. Representación del ensayo de corte directo.

Fuente: Tomado de Apuntes de geotecnia básica (p 465) por Ramirez, Oscar. 2014. Editorial UPTC

Algunas de las desventajas que posee el ensayo, corresponden a condiciones básicas, pues a pesar de que al llevar a cabo el montaje de la muestra, es incierto el conocimiento de la magnitud de los esfuerzos que se aplican en el equipo debido a el confinamiento lateral que genera la caja de instalación de la probeta, incluso si el esfuerzo efectivo normal sobre el plano de falla es uniforme e igual FN/A y t es uniforme e igual a FH/A, por lo que únicamente se puede establecer un punto de esfuerzos en el diagrama de esfuerzos de Mohr, y por este punto, pueden llegar a presentarse infinitas trayectorias de esfuerzos. La segunda condición poco favorable, corresponde a que durante la ejecución del ensayo, se pueden llegar a presentar deformaciones, pero como tal como se determina es una resistente al corte del material, no se lleva a cabo una cuantificación de esta deformación, por lo tanto se desconocen si esta situación presenta una variación lineal, o se tiene algún punto en el suelo que experimente mayor nivel de deformaciones en un determinado nivel de esfuerzos, por lo tanto, no resulta posible hacer la evaluación y análisis de la variación de la deformación con respecto a la aplicación del esfuerzo aplicado a la muestra.

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Lecturas complementarias Auersch, L., Romero, A., & Galvín, P. (2014). Respuesta dinámica de edificaciones producida por campos de ondas incidentes considerando la interacción suelo-estructura. Revista Internacional De Métodos Numéricos Para Cálculo Y Diseño En Ingeniería, 30(4), 256-263.doi:https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j. rimni.2013.09.001 Chávez-Negrete, C., Espinosa-Arreola, J. d. J., Alarcón-Ibarra, J., & Arreygue-Rocha, J. E. (2016). Colapso por humedecimiento en los terraplenes de la autopista páztcuarouruapan. Ingeniería, Investigación Y Tecnología, 17(2), 201-210. doi: https://doi-org. crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j.riit.2016.06.005 Jorge Luis, Z., Brito Jeferson, S., & Miriam, D. F. (2015). Escurrimiento en pavimentos de bloques de suelo-cemento: Un abordaje experimental.  Ingeniería, Investigación Y Tecnología,  16(1), 35-47. doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu. co/10.1016/S1405-7743(15)72105-0 Rafael, H. A., Pedro, R. M., Roberto, M. d. T., & Jorge, C. (2014). Simulación del fenómeno de creep en suelos arcillosos mediante reología y ecuaciones diferenciales fraccionarias. Ingeniería, Investigación Y Tecnología, 15(4), 561-574. doi: https://doiorg.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/S1405-7743(14)70654-7 Romero, A., Galvín, P., & Domínguez, J. (2012). Comportamiento dinámico de viaductos cortos considerando la interacción vehículo-vía-estructura-suelo.  Revista Internacional De Métodos Numéricos Para Cálculo Y Diseño En Ingeniería,  28(1), 55-63. doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j.rimni.2011.11.004

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MATERIALES TÉRREOS

Rukavičková, L., Holeček, J., Holečková, P., Najser, J., Gvoždík, L., & Pačes, T. (2021). Comparison of hydraulic conductivity of rock matrix and fractured blocks of granitic rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 144, 104743.doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j.ijrmms.2021.104743 Suarez, M., & Avilés, J. (2014). Efectos torsionales en estructuras sobre suelo blando. Revista Internacional De Métodos Numéricos Para Cálculo Y Diseño En Ingeniería, 30(3), 203-209.doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/jrimni.20 13.07.006 Wang, Z., & Liu, Q. (2021a). Failure criterion for soft rocks considering intermediate principal stress. International Journal of Mining Science and Technology, 31(4), 565-575. doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j.ijmst.2021.05.005 Yang, J., & Fall, M. (2021). A two-scale hydro-mechanical-damage model for simulation of preferential gas flow in saturated clayey host rocks for nuclear repository. Computers and Geotechnics, 138, 104365. doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu. co/10.1016/j.compgeo.2021.104365 You, W., Dai, F., Liu, Y., Du, H., & Jiang, R. (2021a). Investigation of the influence of intermediate principal stress on the dynamic responses of rocks subjected to true triaxial stress state.  International Journal of Mining Science and Technology,  doi: https://doi-org.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/10.1016/j.ijmst.2021.06.003

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GLOSARIO

Afirmado: Hace referencia a un material de mejoramiento que se instala sobre la superficie natural del terreno, cuando este no cuenta con las características físico - mecánicas adecuadas para ser capaz de soportar las cargas a transmitir producto de la construcción de una estructura. Ambiente: Corresponde al medio natural en el cual se genera el proceso de depositación de partículas para posteriormente dar origen a un suelo, este puede ser de tipo aluvial, coluvial, entre otros. Base: Corresponde a una capa de material de composición granular, principalmente arenosa; esta se encarga de transmitir y disipar las cargas generadas a la estructura con unos bajos niveles de deformabilidad. Clasificación: Método de categorización de los diferentes tipos de suelo, de acuerdo a diferentes condiciones, como el tamaño de grano, composición granulométrica, estafo de la fracción fina. Degradación: Fenómeno por el cual una roca empieza a perder partículas, se presenta en la etapa de meteorización. Esta puede ser física, mecánica, o química.

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Desgaste: Proceso mecánico por el cual una partícula reduce su tamaño, pero no su composición. Esta determina la dureza de un material terreo. Esfuerzo: El estado de confinamiento al cual se encuentra sometida una partícula que se encuentra bajo la superficie del terreno; de acuerdo a su dirección estos pueden ser perpendiculares a la partícula, denominándose como esfuerzos normales, o diagonales a la partícula, denominándose esfuerzos de corte. Meteorización: corresponde al proceso por el cual, una roca presenta una separación de sus partículas, generando con esto el origen de formación de los suelos. Nivel freático: Lamina natural de agua presente en el subsuelo. Esta se caracteriza por mantenerse de una forma casi constante a través del tiempo y general la saturación de los materiales que se encuentren bajo este nivel de agua. Resistencia: Nivel Máximo de esfuerzo que es capaz de soportar un material antes de que se genere un proceso de falla.

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BIBLIOGRAFÍA

ATKINSON, J. Y BRANSBY, P. (1978), The mechanics of soils. An introduction to critical state soil mechanics. McGraw Hill. Inglaterra. BERRY, Peter y REID, David. (1993.) Mecánica de suelos. McGraw Hill. Bogotá. Braja M, Das. (2012) Fundamentos de ingeniería de cimentaciones. Cuarta edición. Cengaje Learning. México D.F. (México). Braja M, Das. (2015) Fundamentos de ingeniería geotécnica. Cuarta edición. Cengaje Learning. México D.F. (México). Crespo Villalaz, Carlos. (2017). Mecánica de suelos y cimentaciones / Carlos Crespo Villalaz. imusa Noriega, México, D.F. (México). DAS, Braja M. (1983.) Advanced soil mechanics. McGraw Hill. Nueva York. DAS, Braja M. (1995) Principles of foundation Engineering, tercera edición Universidad del estado de California. Publishing company. México.

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Guerra Torralbo, Juan Carlos. (2018). Reconocimiento del terreno: técnicas de investigación, programación y ensayos de laboratorio, Madrid (España). HERNÁNDEZ, Félix. (1992.) El ensayo de triaxial y el ensayo de compresión triaxial consolidado no drenado CU. Santafé de Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. JIMENEZ SALAS. Mecánica de Suelos y Cimentaciones. JIMÉNEZ, J.A. y DE JUSTO, J.L. Geotecnia y cimientos Propiedades de los suelos y de las rocas. Tomo I. JUAREZ BADILLO, (1973). Mecánica de Suelos. Tomo I y II, México D.F.(México). SMITH, G. N. Elements of Soil Mechanics for Civil and Mining Engineers. SOCIEDAD MEXICANA DE MECÁNICA DE SUELOS. (1977.) Vocabulario de mecánica de suelos. Noriega editores, Editorial Limusa. Mexico.

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WINTWRKORN, Hans y FANG, Hsai-Yang. (1975). Foundation Engineering handbook. Van nostrand reinhold Company. Nueva York. Rodriguez, J.A. (2005) “Respuesta Dinámica de Suelos Blandos de Bogotá”. Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica. IX Jornadas, 16-19 de noviembre de, Concepción – Chile. Rodriguez, J.A. Escallón, J.P (2006.), “Evaluación de las Propiedades Dinámicas a Bajas Deformaciones de los Suelos de Bogotá”. Revista Escuela de Ingeniería No. 61 enero-Marzo Págs. 7 -14. Fredy A. Reyes Liscano. (2003). Diseño racional de pavimentos. CEJA, Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Jehan Pierre Bardet. (1997). Experimental soil mechanics. University of Souther California. John Wiley y Sons. (2014). Manual of Soil Laboratory Testing. K.H. (Kenneth H.) Segunda edición, National center for Asphalt technology. 2 ed. (1996). Hot mix asphalt materials, mixure desing and contruction.

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Saddle River, (2004). New Jersey, 2da ed. Pearson Hall. Sánchez de Guzmán. Diego. (2001). Tecnología del concreto y del mortero. Biblioteca de la construcciòn.Bhandar editores. Secretaria de Comunicaciones y Transporte Instituto Mexicano del Transporte. (2001). Módulo De Resiliencia en suelos Finos y Materiales Granulares, Publicación Técnica No 142. Sanfandila, Qro. Terzaghi y Peck, (2014). Mecánica de suelos en la ingeniería University of Nottingham department of Civil Enginnering. (1996). Bituminous Pavements, Materials desing and Evaluation.

Lambe y Whitman, (2004) Mecánica de suelos.

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