Tarea No 1.

Nota: TODAS LAS TAREAS SERAN ENTREGADAS ELABORADAS A MANO CON TINTA NEGRA EN HOJAS DE MAQUINA con portada conteniendo sus datos generales.

FECHA DE ENTREGA: Agosto 11 a la hora de clase.

I. SUELOS EXPANSIVOS Y COLAPSABLES

1. Suelo expansivo.

A manera de entender la relación entre la composición química de las arcillas y su grado de expansión, investigar los siguientes conceptos:
- Constitución química de las arcillas.
- Estructuras Básicas (Tetrahedro de Silicio, Octahedro de Alúmina)
- Grupos de Arcillas (Bi-Capa, Tricapa, etc.)
- Defina Sustitución Isomorfa
- Comportamiento de las arcillas de acuerdo a su composición química (cuáles son más expansivas y por qué).
- ¿Como se determina que una arcilla es expansiva?

2. Suelos Colapsables
- Defina las características de la estructura de un suelo colapsable
- Defina Loess.
- De ejemplos de regiones del mundo donde se presentan y diga que tienen en común.
- Cómo se identifica un suelo colapsable.

3. Mencione 3 soluciones para el caso de cimentar en suelos expansivos.
4. Mencione 3 soluciones para el caso de suelos colapsables.



II. ELABORAR UN RESUMEN DE LOS SIGUIENTES CONCEPTOS:

Propiedades Indice y Límites de Atterberg (LL, LP, IP, LC, Carta de Plasticidad)
Relaciones Volumétricas y Gravimétricas (Elaborar ‘monito’ para suelo mostrando tres fases)
Sistemas de Clasificación de Suelos (Solamente SUCS)
Resistencia al Corte (Teoría de Falla Mohr-Coulomb)


Bibliografía de Consulta:
· Mecánica de Suelos/Lambe & Whitman/Limusa
· Ingeniería de Cimentaciones/Peck. Hanson. Thornburn/Limusa
· Mecánica de Suelos y Cimentaciones/Crespo
· La ingeniería de Suelos en las Vías terrestres Vol. 2/Rico. Del Castillo
· Mecánica de Suelos Tomo 1/Juárez Badillo. Rico Rdz./Limusa

Tema 1. Suelos Colapsables

(Resumen de un trabajo del Dr. Emilio Redolfi, UNC Argentina)

1. INTRODUCCIÓN
Muchos de los fenómenos que determinan el comportamiento de los suelos son complejos y no pueden siempre reducirse a causas puramente mecánicas, sino que muchas veces intervienen factores de otra índole (químicos, ambientales, etc.), provocando un comportamiento singular del terreno. En algunos suelos, estos factores "no mecánicos" tienen una importancia capital y son objeto de un estudio particular. Dicho grupo de suelos es conocido genéricamente como "suelos estructuralmente inestables".
Uno de los principales fenómenos que afectan a algunos de estos suelos es el colapso brusco de su estructura intergranular, denominándose a los suelos que presentan estas características: suelos colapsables. En estas notas se analizarán exclusivamente aquellos suelos en los cuales el colapso es provocado por humedecimiento.

2. SUELOS METAESTABLES
En la Mecánica del Suelo y en la Ingeniería de Cimentaciones suele hacerse una división de los suelos según sean los factores que determinen su comportamiento en (4 y 5):

• Suelos estructuralmente estables
• Suelos estructuralmente inestables o metaestables
  

Se define a los primeros como aquellos, cuyo comportamiento depende sólo de sus propiedades intrínsecas y de factores mecánicos; y a los segundos, como suelos cuyo comportamiento no sólo está en relación directa con las solicitaciones mecánicas, sino que también está controlado por factores externos al suelo, por ejemplo, factores químicos, variaciones ambientales, etc.
En (6) se presenta una adaptación simplificada de los principales tipos de suelos estructuralmente inestables propuesta por Aitchison (1973). Esta clasificación refleja tanto la inclusión de los suelos colapsables objeto de nuestro estudio dentro de los suelos estructuralmente inestables, como la gran variedad de ellos y algunas de sus características más importantes.
3. SUELOS COLAPSABLES
3.1. Características comunes:
Reginatto (1977) señala que, en general, los suelos colapsables presentan una serie de características comunes, tales como (8):

• Estructura macroporosa, con índice de huecos (e), entre relativamente alto, a muy alto.
• Granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados. La mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativamente escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el comportamiento mecánico de la estructura intergranular.
• Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso. En muchos casos existen cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones arcillosas.

3.2. Definición de colapso:
Zur y Wisemam (1973) definen como colapso a cualquier disminución rápida de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los siguientes factores (9):

• Contenido de humedad (w)
• Grado de saturación (Sr)
• Tensión media actuante (τ)
• Tensión de corte (σ)
• Presión de poros (u)
  

Reconociendo por lo tanto que el colapso de la estructura del suelo puede producirse por una variedad de procesos diferentes de la saturación. Reginatto (1977) sugiere que, a esta lista de factores puede agregarse la interacción química entre el líquido saturante y la fracción arcillosa.

Grupo I: Suelos en los que tiene lugar un rápido cambio de la relación entre presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia última del material. De acuerdo con esto la causa del colapso es únicamente el cambio de las presiones efectivas. A este grupo pertenecen los limos o arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad. Cuando se ensaya a humedad constante, se detecta una notable modificación de su módulo de compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivas.

Grupo II: Suelos en los que, sin la presencia o cambio de las condiciones que producen el colapso, no hay cambio abrupto en la relación presión-deformación. Tal es el caso de los loess y algunas arcillas que contienen sulfatos. Si se ensayan continua y sin agudos quiebros. La saturación produce, sin embargo, un importante cambio volumétrico, debido probablemente a un incremento de la presión de los poros que origina el agotamiento de la resistencia al corte del suelo.

3.3. Suelos colapsables por humedecimiento:
Establecida la definición general de colapso, nuestro análisis se centrará en aquellos suelos en los cuales el colapso de la estructura del suelo es provocado por un incremento del contenido de humedad (10). Por lo tanto, en lo sucesivo cuando se hable de suelos colapsables, se entenderá que son aquellos suelos, en que un aumento en el contenido de humedad, provoca una brusca disminución de volumen, sin la necesidad de un aumento en la presión aplicada.

A partir de esta definición, se advierte:

• Por un lado una destrucción o un cambio en la estructura que el suelo tenía originalmente, y
  Por el otro lado, un agente externo: el agua, que provoca este fenómeno.
  En la Mecánica de Suelos clásica de los suelos saturados o de los suelos secos el fenómeno de colapso generalmente viene asociado a un cambio en el estado tensional del suelo. En cambio aquí, y en una primera definición, estaría provocado por un agente externo (cambio en el contenido de humedad).
  En el proceso de consolidación de suelos saturados (Teoría clásica de Terzaghi) también se produce una disminución de volumen, pero puede decirse que en muchos aspectos el colapso es lo contrario de la consolidación, tal como se indica en Reginatto (1977) (11).
  

4. MECANISMO DEL COLAPSO
A continuación, se analizarán los diferentes mecanismos de colapso para distintas estructuras de suelos, para lo cual se seguirá, principalmente el trabajo de Dudley (1970).
Las siguientes condiciones generales son las que establece Dudley para que ocurra el colapso (13):
1. La estructura del suelo deberá tener ciertas características, de modo tal que se tienda a la ocurrencia de dicho fenómeno.
2. Las partículas estarán unidas entre sí por fuerzas o materiales cementantes que son susceptibles, -tanto unas como otros- pueden ser anulados o reducidos cuando aumenta el contenido de humedad del suelo.
3. Cuando este soporte es reducido o anulado, las partículas del suelo deslizan o ruedan, por una pérdida de la resistencia al corte.

Tema 1. Arcillas Expansivas

1. Arcilla.
Son grupos minerales definidos, como caolinita, illita y montmorillonita, donde participan estructuras octaédricas y tetraédricas. La arcilla, como el humus, posee propiedades coloidales. Las arcillas, en el sentido mineralógico, son cristales microscópicos cuyos átomos están dispuestos en planos.
Al interior de una trama de átomos de oxígeno, cuyas esferas iónicas son voluminosas, se encuentran cationes de sílice (Si) y aluminio (Al). Si el volumen lo permite, cationes de hierro (Fe), magnesio (Mg), calcio (Ca) o potasio (K) reemplazan al sílice (Si) y al aluminio (Al).
Las arcillas tienen una capacidad de intercambio iónico grande. Otros iones diferentes a los enunciados pueden completar las capas y unirlas, y también, las cargas eléctricas libres pueden ser equilibradas por iones intercambiables.


1.1. Caolinitas: Principal grupo de arcillas que presenta baja capacidad de intercambio, 10 – 12 me (miliequivalentes) cada 100 gr, y con dos capas de cationes, las llamadas arcillas 1:1 (capa tetraédrica más capa octaédrica de alúmina hidratada). El arreglo, que serepite indefinidamente da una carga eléctrica neutra delmineral caolinita, cuya estructura no es expansiva, por no admitir agua en sus retículos. Estas arcillas son moderadamente plásticas, de mayor permeabilidad y mayor fricción interna. Del grupo son: HALOISITA, CAOLINITA (por definición), ENDELLITA, DICKITA, ALOFANO, NACRITA Y ANAUXITA. La haloisita, aunque tiene la misma fórmula del caolín, contiene moléculas extra dentro de su estructura. En la figura = Gibsita = SiO4 (En la “Carta de Plasticidad” las caolinitas están bajo la línea A = limos).

1.2. Illita: Es una arcilla 2:1, cuya capacidad de intercambio es de unos 40 me/100gr, lo que las hace algo expansivas. Las láminas de alúmina están entre dos láminas de SiO4, y estas se ligan por iones de potasio, que le dan cierta estabilidad al conjunto. La actividad de la illita es 0,9, de la caolinita es de 0,38. El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en la caolinita y mayores que en la montmorillonita.

1.3. Montmorillonita: Arcilla 2:1 cuya capacidad de intercambio es de unos 120 me/100gr, lo que las hace muy expansivas. Entre las dos láminas de sílice se encuentra una brucita o una gibsita, y este arreglo serepite indefinidamente. La unión entre minerales individuales es débil,
por lo cual el agua se inserta, introduciendo n moléculas para producir el hinchamiento del suelo. Además de ser expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose impermeable. La actividad de la montmorillonita es de 7,2.
Entre las montmorillonitas tenemos: La MONTMORILLONITA (por definición), HECTORITA, SAPONITA, BEIDELLITA, SAUCONITA, TALCO, PORFILITA y NONTRONITA.
Bentonitas: Suelos montmorilloníticos altamente plásticos y altamente expansivos, de grano tan fino que al tacto es jabonoso (sí es húmedo). Se utilizan para cellar fugas en depósitos y canales.
Vermiculita, clorita, sericita, etc., son otros minerales arcillosos no clasificados en los anteriores tres grupos. 1.5.4. Actividad: este parámetro lo, ha expresado Skempton (1953) como la pendiente de la línea que relaciona el Indice Plástico de un suelo con su contenido de minerales de tamaño arcilloso, como se verá en el numeral 4.1 y en la fٕrmula 4.3. Una actividad normal es de 0,75 a 1,25. Más de 1,25 es alta y menos de 0,75 es inactiva. Actividad supone cohesión, expansividad y plasticidad.