MECANICA DE SUELOS
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Definicion: ¿Que es la mecanica de suelos y para que sirve?
A pesar de la larga historia del uso de suelos como material de construcción, el desarrollo de la ciencia de la ingeniería mecánica del suelo se produjo hace relativamente poco tiempo. A principios de la década de 1920, Karl Terzaghi, ahora ampliamente reconocido como el padre de la mecánica del suelo, comenzó a trabajar con un enfoque racional del comportamiento del suelo utilizando la mecánica aplicada y la evidencia experimental demostró que este enfoque era un procedimiento significativo y poderoso en términos fenomenológicos.
La Mecanica de suelos, estudia las propiedades físicas y el aprovechamiento de suelos, especialmente utilizado en la planificación de cimentaciones de estructuras y subrasantes de carreteras. La mecanica del suelo es una rama de Ingeniería Civil, se encarga de estudiar las fuerzas o cargas que se establecen en superficie o corteza terrestre; se diferencia de la mecánica de fluidos y la mecánica de sólidos en el sentido que los suelos consisten en una mezcla heterogénea de fluidos (generalmente aire y agua) y partículas (generalmente arcilla, limo, arena y grava) pero el suelo también puede contener sólidos orgánicos y otras materias. Junto con la mecánica de rocas, la mecánica del suelo proporciona la base teórica para el análisis en ingeniería geotécnica, una subdisciplina de la ingeniería civil, ingeniería geológica y la geología.
La mecánica de suelos sirve para analizar las deformaciones y el flujo de fluidos dentro de estructuras naturales y artificiales que se apoyan o están hechas de suelo, o estructuras que están enterradas en el suelo. Las aplicaciones de ejemplo son cimentaciones de edificios y puentes, muros de contención, presas y sistemas de tuberías enterradas. Los principios de la mecánica del suelo también se utilizan en disciplinas relacionadas como la ingeniería geofísica, la ingeniería costera, la ingeniería agrícola, la hidrología y la física del suelo.
En general, el propósito de la mecánica del suelo varía según el proyecto, pero su objetivo es garantizar la estabilidad del suelo y limitar la deformación mientras se controla el flujo de agua subterránea. El conocimiento de mecánica del suelo, asumiendo que el suelo es un material ideal elástico, isotrópico y homogéneo, junto con la determinación experimental de las propiedades del suelo, es útil para predecir el comportamiento del suelo en el campo.
El suelo al ser un material particulado y heterogéneo, no se presta a un análisis simple. Además, la dificultad se ve reforzada por el hecho que los estratos del suelo varían tanto en extensión como en profundidad incluso en un área pequeña. Es difícil trazar una línea distintiva entre la mecánica del suelo y la ingeniería de cimientos; el último comienza donde termina el primero. La mecánica del suelo, mediante el examen de la subrasante de caminos y carreteras, ayuda a determinar qué tipo de pavimento (rígido o flexible) durará más. El estudio de las características del suelo en conjunto con las características del mazizo rocoso también se utiliza para decidir el método adecuado para excavar túneles subterráneos.
¿Que es el suelo en Mecanica Suelos?
El suelo es un agregado natural de partículas minerales, que a veces incluye componentes orgánicos; consta de tres fases: líquida, sólida y gaseosa. La forma en que el suelo de un determinado sitio soportará las tensiones de estructuras, o cómo responderá al movimiento en el curso de la construcción, depende de seis propiedades:
- La fricción interna (la resistencia de una masa de suelo al deslizamiento, inversamente relacionada con la cantidad de humedad en suelo y por lo tanto con un mayor porcentaje de arenas y gravas que arcillas).
- Cohesión (atracción molecular entre partículas del suelo, mucho mayor en arcillas que arenas o limo), las cuales disminuyen la tendencia de los suelos al cizallamiento, o deslizarse por planos.
- Compresibilidad (el grado en que el suelo puede hacerse más denso por diversos medios, incluido el apisonamiento y la vibración, y por lo tanto puede soportar mayores cargas).
- Elasticidad (la capacidad del suelo para volver a expandirse después de ser comprimido).
- Permeabilidad (el grado en que un suelo conducirá un flujo de agua).
- Capilaridad (el grado en que el agua se extrae hacia arriba desde el nivel freático normal).
Las características del suelo generalmente varían más rápido verticalmente (con la profundidad) que horizontalmente. Las técnicas de examen del subsuelo incluyen la excavación de zanjas, perforación (para probar la resistencia y para obtener muestras) y el bombeo de materia subsuperficial a la superficie con agua. Las pruebas sísmicas (que miden la velocidad con la que las ondas de choque generadas por los explosivos se transmiten a través del suelo) y la medición de resistencia eléctrica del suelo también proporcionan información útil en la evaluación del suelo.
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Historia Moderna de la Mecanica de Suelos
La mecánica del suelo se desarrolló a principios del siglo XX.
Nace de la necesidad de analizar el comportamiento de suelos.
Surgió como resultado de accidentes extraordinarios, como deslizamientos de tierra y fallos en las cimentaciones.
En los Países Bajos, el deslizamiento de un terraplén de ferrocarril cerca de Weesp, en 1918, dio lugar a la primera investigación sistemática en el campo de la mecánica del suelo, por una comisión especial creada por el gobierno local. Cabe mencionar que la comisión encargada de la investigación llegó a la conclusión de que los niveles de agua en el terraplén del ferrocarril habían subido por las lluvias sostenidas, y que la resistencia del terraplén era insuficiente para resistir las altas presiones del agua.
Muchos de los principios básicos de la mecánica del suelo eran bien conocidos en aquella época, pero aún no se habían completado su combinación con una disciplina de ingeniería.
Propiedades Mecanicas en Suelos Friccionantes
Los suelos no cohesivos conocidos como: suelos granulares o friccionantes están formados por partículas gruesas (arena o grava); estos suelos necesitan desarrollar mayores medidas para prevenir un derrumbe. Parte del proceso para construir un edificio o una carretera implica analizar el suelo donde se desarrollará el proyecto con el objeto de conocer qué tipo de suelo es; este proceso de reconocimiento del suelo es esencial, ya que las propiedades mecánicas del suelo darán el soporte necesario para que una edificación se sostenga durante años.
En ingeniería la composición del suelo examina las diferencias en granulometría, cohesión, estructura, textura, fuerza y consistencia que distinguen suelos cohesivos de suelos no cohesivos.
Para poder clasificar el tipo de suelo es necesario el uso de un sistema de medición conocido como fuerza de compresión, este consiste en medir la cantidad de presión requerida para que el suelo colapse y el resultado se da generalmente en unidades de toneladas por pie cuadrado.
Aplicaciones de Mecanica de Suelos en Ingenieria Civil
El conocimiento de la mecánica del suelo tiene aplicación en muchos campos de la Ingeniería Civil.
Fundaciones o Cimentaciones
Las cargas de cualquier estructura deben transmitirse al suelo a través de la base de la estructura. Cuanto más grande sea el edificio o la estructura, mayor será su base y, en consecuencia, más importante es para un ingeniero civil tener en cuenta la mecánica del suelo del sitio. La base es donde se transfiere la carga que soporta la estructura, por lo que comprender el suelo es crucial para construir una estructura fuerte. El suelo duro con suficiente resistencia permite que un ingeniero use cimientos poco profundos, mientras que el suelo débil necesitará cimientos profundos para proporcionar un soporte sólido para la estructura que se está levantando.
La Torre Inclinada de Pisa, ubicada en Italia, es un buen ejemplo de lo que puede suceder cuando se construyen los cimientos de una estructura sin tener la plena apreciación de las fuerzas mecánicas del suelo. Por lo tanto, decidir qué tipo de cimentación utilizar para una estructura determinada dependerá de cómo un ingeniero civil aplique sus conocimientos de mecánica de suelos al proyecto en cuestión para llegar a la mejor solución.
Estructuras Subterráneas y de Retención de Tierra
Las estructuras subterráneas, como las estructuras de drenaje, tuberías, túneles, y estructuras de contención de tierra, como muros de contención y mamparos, solo pueden diseñarse y construirse utilizando los principios de la mecánica del suelo y el concepto de interacción suelo – estructura.
Diseño de Pavimentos
El pavimento es una estructura formada por distintas capas de materiales que permiten soportar las cargas vehiculares y de otros tipos. Además de resistir el tráfico también cumple otras funciones como la de proveer una superficie de rodadura uniforme, impermeable, antideslizante y resistente a los agentes del medio ambiente.
El diseño de pavimentos consiste en la determinación de espesores en cada capa de la sección estructural del pavimento, esta sección permite soportar las cargas durante un periodo de tiempo determinado; hay diferentes métodos de diseño para pavimentos, estos métodos toman en cuenta principalmente los siguientes factores: tránsito o condiciones de carga, características del suelo de cimentación y de los materiales que conforman las capas del pavimento, entre otros.
El diseño de pavimentos puede consistir en diseño de pavimentos rígidos o flexibles. Los pavimentos flexibles dependen más del suelo de la subrasante para transmitir las cargas del tráfico. Los problemas propios del diseño de pavimentos son el efecto de la carga repetitiva, el hinchamiento y la contracción del subsuelo y la acción de las heladas, por esta razón es de gran utilidad considerar las propiedades mecánicas del suelo para lograr un diseño eficiente de un pavimento.
Excavaciones, Terraplenes y Presas de Tierra
Las excavaciones requieren el conocimiento del análisis de estabilidad de taludes; las excavaciones profundas pueden necesitar soportes temporales: entramado o arriostramiento, cuyo diseño requiere conocimientos de mecánica del suelo. Asimismo, la construcción de terraplenes y presas de tierra donde se utiliza el suelo como material de construcción requiere un conocimiento profundo del comportamiento de ingeniería del suelo, especialmente en presencia de agua.
El conocimiento de la estabilidad del talud, los efectos de la filtración, la consolidación y el consiguiente asentamiento, así como las características de compactación para lograr el peso unitario máximo del suelo in situ, es esencial para el diseño y construcción eficiente de terraplenes y presas de tierra.
Las presas son una parte necesaria de la infraestructura actual. Ayudan a proporcionar agua para uso doméstico durante todo el año, proporcionan zonas de pesca, actúan como parques escénicos, apoyan el riego y se utilizan para generar energía limpia cuando se utilizan para la generación de energía hidroeléctrica. Las presas se encuentran entre las más grandes y, en consecuencia, algunos de los proyectos de ingeniería civil más costosos del mundo moderno. Construirlas generalmente requiere mucho tiempo y otros recursos, como mano de obra. Su construcción requiere que se presente un diseño adecuado para garantizar que puedan soportar la presión del agua y otros elementos para cumplir su propósito durante mucho tiempo sin incidentes.
La situación es aún más grave si se considera que las presas actúan como una barrera al flujo de agua que puede alterar las propiedades del suelo. Las fallas de presas pueden ser catastróficas, como se vio cuando la presa de Banqiao en China fracasó después de lluvias muy fuertes que provocaron un número trágico de muertes y una gran destrucción de propiedades. Comprender la mecánica del suelo garantizará que cualquier ingeniero civil que lleve a cabo un proyecto de este tipo tenga en cuenta las propiedades del suelo, como su densidad, permeabilidad y resistencia, para obtener una estructura sólida.
Objetivos de Mecánica de Suelos
Los objetivos de la mecánica de suelos son:
- Estudiar las propiedades físicas y mecánicas del suelo.
- Aplicar este conocimiento para la solución de problemas prácticos de ingeniería.
- Reemplazar por métodos científicos los empíricos de diseño utilizados en cimentaciones e ingeniería de suelos en el pasado.
- Tener un conocimiento profundo de los tipos de suelo y cómo se comportan es, por lo tanto, importante en tales actividades de excavación.
- Llevar a cabo más investigaciones en el campo con la ayuda de una mejor tecnología y se está descubriendo nueva información que mejorará nuestro conocimiento en esta disciplina.
- La mecánica del suelo es un tema muy importante, especialmente para fines de ingeniería civil.
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- Para aprender sobre los fundamentos de la mecánica del suelo y la investigación continua en el campo, considere la posibilidad de obtener una maestría en ingeniería civil.
¿Que es un Estudio de Mecánica de Suelos?
El estudio de Mecánica de suelos, es un analisis de las propiedades físicas y aprovechamiento de suelos, especialmente utilizado en la planificación de estructuras de cimentaciones y subrasantes de carreteras. Los estudios de mecánica de suelos exploran las propiedades de los suelos y las rocas blandas en relación con la ingeniería civil, la teoría geomecánica y la ingeniería geotécnica práctica, se enfatizan, en el trabajo de campo, pruebas de laboratorio utilizando instalaciones de última generación y análisis numérico con utilizando software comercial, son realizados por destacados expertos en el campo de la geotecnia y mecanica de suelos.
¿Cuándo se requiere un estudio de mecánica de suelos?
En mecánica de suelos hay tres tipos de problemas generales que requieren una comprensión clara del flujo de fluidos a través del suelo, estos son la estabilidad del suelo, su deformación y flujo de agua, tomando en cuenta estos tres aspectos, los estudios de mecánica de suelos buscan determinar lo siguiente:
- Análisis de la capacidad portante.
- Tasa de asentamiento debido a la consolidación.
- Fuerza o presion de pendientes.
- Ubicación de cuerpos de agua o Napas Freáticas.
- Nivel de fundación o profundidada de cimentacion.
- Composición estratigráfica de los suelos.
Tipos de estudio de Mecanica de Suelos
Es recomendable seleccionar el tipo de estudio más adecuado a cada caso, y realizar los cálculos en base a esto, para cumplir con los criterios de seguridad y económicos de manera óptima. Para seleccionar los estudios mecánicos del suelo que mejor se adapten al proyecto es importante tener en cuenta los siguientes factores: tipo de obra, vida útil de la obra, alcance, económicos, temporales y logísticos.
Existen distintos tipos de estudios de suelo, que brindan la información necesaria para mantener una determinada obra:
Ensayos In situ
- SPT – Ensayo de penetración estándar-Standard Penetration Test.
- CPT – Ensayo de penetración estática-Cone Penetration Test.
- VST – Ensayo de Molinete-Vane Teste.
- Ensayo presiométrico.
- DMT – Dilatómetro plano Marchetti.
- Ensayo de placa de carga.
- Esclerómetro Schmidt.
- PLT – Ensayo de carga puntual.
- Ensayos de bombeo.
Ensayos en laboratorio
- De identificación y estado: tamizado, sedimentación, humedad, densidad, permeabilidad, etc.
- De resistencia: compresión, corte y ensayo triaxial.
- De deformabilidad: edométrico.
- De compactación y reutilización: ensayo Próctor y CBR.
Auscultación
- Auscultación de tensiones, esfuerzos y empujes.
- Auscultación de deformaciones.
- Auscultación de movimientos.
- Control topográfico.
- Auscultación de la presión de agua.
Servicios de Estudios de Mecanica de Suelos
- Sello de fundación.
- Capacidad de carga última.
- Diseño de fundación (dimensionamiento y armaduras).
- Deformación de taludes.
- Diseño de muros de contención.
- Determinación de nivel freático.
- Modo y métodos de excavación.
- Agresividad de suelos y agua.
- Estabilidad de taludes.
¿Que es la Ingenieria de Suelos?
La Ingeniería de Suelos es una corriente de ingeniería geotécnica que se ocupa exclusivamente de comprender las características y la mecánica del suelo, tambien ayuda a analizar la estructura y composición del suelo del sitio de construcción propuesto, ayudando así a decidir si vale la pena explotar el suelo del sitio de construcción o edificio propuesto. Aparte de esto, la ingeniería de suelos también se ocupa de proporcionar conceptos de diseño optimizados y técnicas de construcción de acuerdo con la composición y propiedades físicas del suelo.
La ingeniería de suelos, una disciplina especializada, también ayuda a comprender el comportamiento del suelo y los conceptos básicos que lo rigen. También se ocupa de la realización de diversas pruebas de suelo que ayudan a interpretar correctamente qué condiciones de campo son seguras o inseguras para las obras de construcción y para el personal que trabaja allí.
Aplicaciones de la Ingenieria de Suelos
Las aplicaciones de la ciencia de la ingeniería del suelo se basan en los diferentes principios de la mecánica del suelo. La ingeniería de suelos tiene una mayor aplicación en comparación con la mecánica de suelos. Todos los problemas de ingeniería y su solución son tratados por ingeniería de suelos. Esto incluye el procedimiento de investigación del sitio, construcción de los cimientos, aplicaciones de diseño, estructuras de contención de tierra y en la construcción de todas las estructuras de tierra.
- Ingeniería de Suelos en Cimentación: Todas las estructuras de ingeniería civil se apoyan sobre o debajo de la superficie de la tierra. Esto se aplica a todas las estructuras, ya sean edificios, puentes o presas. La construcción de cimientos es muy necesaria para transmitir la carga de la estructura construida arriba para que se transmita debajo del suelo de una manera eficiente y segura.
- Ingeniería de Suelos para Estructuras de Contención: Cuando no hay suficiente espacio disponible para esparcir el suelo, se hace necesario amontonar el suelo. Una estructura construida para mantener la pendiente (pendiente segura sin colapso) del suelo se denomina estructuras de retención. Siempre que sea necesario mantener el material del suelo en diferentes niveles, se emplean las estructuras de contención. La estructura de contención empleada puede ser relativamente flexible mediante la construcción del muro de contención o la tablestaca.
- Ingeniería de Suelos para Estabilidad de Taludes: Si el suelo colocado en gran cantidad no es horizontal, la pendiente tiende a crear un componente de peso que hace que el suelo se mueva hacia abajo. Esto crea inestabilidad del suelo. Las pendientes pueden ser artificiales, como las provocadas por trabajos de excavación en construcción o estas pendientes pueden ser naturales formadas por efectos naturales como deslizamientos de tierra, sedimentación, inundaciones, etc.
- Ingeniería de Suelos para Diseño de Pavimentos: Porque muchas estructuras que se construyen bajo tierra están sujetas a la presión del suelo desde todos los lados. Estas estructuras deben diseñarse en función de la futura presión del suelo. Algunas de las estructuras subterráneas incluyen túneles, pozos, conductos y otros.
- Ingeniería de Suelos para Estructuras Subterráneas: La construcción de pavimento se realiza en la superficie del suelo. Esta capa de pavimento consta de diferentes capas de agregados y capa de betún. Estas capas deben diseñarse para obtener una superficie lisa. La capa de suelo debajo debe prepararse para que el pavimento sea resistente a la carga y los cambios ambientales.
- Aplicación miscelánea: La construcción de presas de tierra se realiza para hacer reservorios de agua. La falla de la estructura de la presa de tierra puede causar grandes daños y catástrofes. Por lo tanto, la construcción de presas de tierra requiere un buen cuidado en el diseño y la construcción. Esto exige un conocimiento adecuado de la ingeniería del suelo.
Importancia de la Ingenieria de Suelos
Técnicamente, el suelo es una mezcla de rocas o partículas minerales, agua y aire. Es sobre la base de estos componentes que las propiedades del suelo difieren de un área a otra. Además, los diferentes tipos de suelos se comportan de manera diferente a las obras de construcción. El tipo de suelo para un sitio de construcción tiene una gran influencia en el diseño y los gastos del edificio a construir. Por lo tanto, el análisis del suelo ayuda a determinar si se requerirá trabajo adicional para preparar el sitio de construcción.
Además, diferentes tipos de suelo requieren diferentes cimientos para garantizar un proceso de construcción estable. Por ejemplo, los suelos arenosos requerirán la construcción de muros de contención para los cimientos del edificio a fin de garantizar que la arena permanezca en su lugar; mientras que la arena arcillosa requiere materiales adicionales en la base, ya que la arcilla puede hincharse o deformarse, dependiendo del contenido de agua en la base, lo que da lugar a grietas en las paredes y los cimientos del edificio de construcción.
Metodos Involucrados en Ingenieria de Suelos
La ingeniería de suelos se ocupa principalmente de analizar la densidad y el contenido de humedad del suelo. Sin embargo, también se analizan las cualidades de los suelos como composición, características, propiedades físicas, contenido de humedad y drenaje. Se verifica la capacidad de carga del suelo para asegurar si el edificio permanecerá o cambiará con el tiempo. Este análisis generalmente se realiza tomando muestras de suelo y enviándolas a laboratorios para realizar diversas pruebas. Algunas otras propiedades del suelo que se controlan en los laboratorios son el peso unitario, la porosidad, la permeabilidad, la pura resistencia, etc.
Cabe señalar que las propiedades de la capa superior del suelo pueden diferir de la superficie que se encuentra debajo. Es por esta razón que se toman muestras mediante exploración del subsuelo para comprender las condiciones del suelo debajo de la superficie superior. La exploración del subsuelo se realiza mediante el uso de varios métodos, como excavación de pozos, zanjas, perforaciones y pruebas de penetración de cono o estándar, que permiten el registro y la prueba continuos de las propiedades del suelo que cambian con la profundidad.
Algunas de las obras comunes de la ingeniería de suelos incluyen reparaciones de deslizamientos de tierra, construcción de diques, apuntalamiento y apuntalamiento.
Metodos de Investigación de Suelos
Los métodos normales de investigación de suelos son:
Inspección
El primer paso a este respecto es la inspección del sitio y sus alrededores para tener una idea preliminar de las condiciones del sitio. Esto incluye el estudio de los edificios existentes en el barrio y si es posible el tipo de sus cimientos. También se deben examinar los cortes realizados en las áreas cercanas. El tema puede ser discutido con aquellas personas que estuvieron asociadas en la construcción de edificios en los alrededores con respecto a sus experiencias y dificultades encontradas por ellos.
Pozos de prueba
Los pozos de prueba se cavan a mano o con máquinas excavadoras. El tamaño del pozo debe ser tal que una persona pueda ingresar fácilmente al pozo y tener una inspección visual. Tanto las muestras de suelo perturbado como las no perturbadas se recolectan del pozo para un análisis detallado.
Sondeo
Esto le dará una idea aproximada del suelo subyacente. En este, una barra de acero de 25 a 40 mm (1 pulgada a 1,5 pulgada) de diámetro se clava en el suelo hasta que se encuentra con un estrato duro. La barra es impulsada por un martillo. A continuación, se extrae la barra a intervalos y se examina el suelo que se adhiere a la barra para tener una idea del tipo de suelo. Un trabajador experimentado puede evaluar la naturaleza del suelo observando la forma en que la varilla penetra en el suelo.
Licuefaccion del Suelo y Medidas Correctivas
La licuefacción y los fenómenos relacionados han sido responsables de enormes daños en terremotos históricos en todo el mundo. En los últimos tiempos, se han producido terremotos frecuentes y estos eventos han hecho que sea aún más importante estudiar la licuefacción del suelo porque la mejor manera de minimizar las secuelas de los terremotos es estudiar y comprender todos los aspectos asociados con ellos. Los efectos de la licuefacción del suelo en el diseño de nuevos edificios e infraestructura, como diques de terraplén, puentes y estructuras de contención, deben estudiarse en detalle para garantizar la construcción de una estructura fuerte y duradera.
¿Qué es la licuefaccion del suelo?
La licuefacción del suelo y la licuefacción de arcilla sensible (arcilla leda) ilustran el comportamiento del suelo bajo carga y el cambio de estado sólido a estado líquido. Alternativamente, el suelo puede estar en estado de líquido pesado. La ocurrencia de licuefacción aumenta en suelos gruesos sueltos o bastante saturados con características de drenaje reducidas. Ejemplos de tales suelos son arenas limosas, arenas arcillosas y arenas que contienen sedimentos impermeables. Durante la carga del suelo durante terremotos u otras condiciones, es probable que disminuya el volumen de arenas sueltas. En consecuencia, aumenta la presión del agua de poro y disminuye la resistencia al cizallamiento.
La resistencia real del suelo se reduce considerablemente según las condiciones de carga. La condición del suelo influirá en la licuefacción del suelo que se puede determinar mediante el análisis de elementos del suelo, realizado por kits de prueba de suelo. Los depósitos que son más vulnerables a la licuefacción son arenas y sedimentos relativamente jóvenes que están saturados de agua. En tales arenas, hacer arenas movedizas es simple. Estos depósitos se crean normalmente a lo largo de lechos de ríos, dunas, playas y regiones donde se han acumulado limo y arena arrastrados por el viento. Los ejemplos de licuefacción incluyen licuefacción de terremotos, arenas movedizas y arcilla viva.
Licuefaccion Terremoto
Durante un fuerte terremoto cuando comienza el temblor del suelo, los granos del suelo a poca profundidad se cortan en una composición sólida. Sin embargo, debido a la presencia de agua, los granos del suelo están saturados. Los granos de arena pueden llegar a convertirse en volcanes de arena. Los sedimentos en la profundidad tienen una unión fuerte, con mayores presiones de confinamiento y, por lo tanto, es menos probable que se licúen.
Cuando la arena debajo de una capa de arcilla o limo se licua, la capa superior puede deslizarse debido a la gravedad hacia una pendiente, produciendo grietas en el suelo. Los cimientos de puentes, carreteras, edificios y las líneas de gas y alcantarillado pueden resultar gravemente dañados por estos movimientos. La licuefacción del terremoto contribuye significativamente al daño sísmico.
Licuefaccion de Arenas Movedizas
Las arenas movedizas se desarrollan cuando el agua satura la arena suelta y se altera la arena normal. Cuando el agua contenida en la arena no puede escapar, produce un suelo licuado. Las arenas movedizas son producidas por el agua que fluye estancada o subterránea, como un manantial. En aguas subterráneas que fluyen, la fuerza del flujo de agua resiste la fuerza gravitacional, provocando flotabilidad en los gránulos de arena. La resistencia de la superficie licuada se reduce, provocando el hundimiento o caída de las estructuras. Los sedimentos saturados se ven bastante sólidos, hasta que un choque inicia la licuefacción, produciendo arena en suspensión, con los granos rodeados por una fina película de agua. Esta arena movediza tiene una textura elástica. Los objetos se hunden en la arena licuada hasta que su peso es el mismo que el de la mezcla de arena y agua desplazada.
Reducir las Consecuencias de Licuefacción en Suelos
La licuefacción causa pérdidas humanas y materiales intensivas debido a que los científicos están estudiando continuamente métodos para mitigar los efectos nocivos. El hundimiento de la pendiente, la extensión lateral, la flotación de estructuras ligeras, la expulsión de fisuras superficiales y el asentamiento del suelo son algunos de los problemas que ocurren con mayor frecuencia debido a la licuefacción del suelo. Por lo tanto, los edificios y estructuras se diseñan en consecuencia. Inicialmente, el suelo se analiza para determinar su vulnerabilidad a la licuefacción.
Los estudios geológicos identifican los sedimentos del relleno sanitario y el nivel freático en una región sísmica. El suelo compuesto por una mezcla de granos pequeños y grandes puede soportar la licuefacción de manera segura, ya que los granos más pequeños llenan los poros entre los granos más grandes. Por tanto, se mantiene la resistencia del suelo. Además, los edificios modernos están diseñados para ser resistentes a la licuefacción. En una base poco profunda los componentes de la cimentación se unen para asegurar un asentamiento uniforme de la cimentación. Por tanto, las fuerzas cortantes inducidas disminuyen. Las características del suelo también pueden mejorarse mejorando la densidad, resistencia y características de drenaje del suelo. Los métodos de mitigación populares para reducir los efectos de la licuefacción del suelo son:
- Mitigación por método de mezcla de suelo profundo.
- Compactación, Permeabilidad y Jet Grouting.
- Técnica de pila de drenaje.
- Compactación dinámica y construcción de columnas de piedra.
Diferencia entre Mecanica de Suelos y Geotecnia
La mecánica del suelo se ocupa principalmente de la microestructura del suelo y sus propiedades. La ingeniería de cimientos relacionada con el diseño de cimientos y distribución de presión asi como de las propiedades de ingeniería del suelo. La geotécnica es la rama de ingeniería civil que se ocupa del comportamiento de ingeniería de los materiales terrestres.
La ingeniería geotécnica es importante en la ingeniería civil, pero también tiene aplicaciones en las disciplinas de ingeniería militar, minera, petrolera y otras relacionadas con la construcción que se produce en la superficie o en el suelo. La ingeniería geotécnica utiliza los principios de mecanica del suelo y mecanica de rocas para investigar las condiciones y los materiales del subsuelo; determinar las propiedades físicas, mecanicas y químicas relevantes de estos materiales; evaluar la estabilidad de las laderas naturales y los depósitos de suelo artificiales; evaluar los riesgos planteados por las condiciones del sitio; diseñar movimientos de tierra y cimientos de estructuras; y monitorear las condiciones del sitio, movimiento de tierras y construcción de cimientos.
Metodo de Elementos Finitos (FEA) en Mecanica de Suelos
El concepto del método de elementos finitos (FEM) fue acuñado por Clough a principios de la década de 1960 en su libro titulado «El método de elementos finitos en el análisis de esfuerzos planos», Hutton (2004), describe este método FEM como una técnica computacional utilizada para obtener soluciones aproximadas de problemas de ingeniería; por conveniencia, el procedimiento FEM permite discretizar el continuo en un número finito de partes (o elementos) y enfatiza que las características del dominio continuo pueden estimarse ensamblando propiedades similares de elementos discretizados por nodo.
El FEM se ha implementado rigurosamente para resolver una amplia variedad de problemas en ciencias aplicadas e ingeniería y se ha desarrollado rápidamente a lo largo de los años. Hoy en día es el método más utilizado en el análisis numérico.
El método de elementos finitos – FEM fue desarrollado originalmente para resolver problemas en mecánica de estado sólido como lo son los problemas de flexión de placas para ser más precisos, es un método flexible y se puede adaptar a una amplia gama de problemas numéricos, esto hace que FEM sea una herramienta universal para resolver ecuaciones diferenciales numéricamente.
El concepto básico del método de elementos finitos es dividir el dominio computacional en pequeños parches individuales y encontrar soluciones locales que satisfagan la ecuación diferencial dentro de los límites de este parche o nodo, permiten encontrar una solución global al unir las soluciones individuales de las diferentes ecuaciones parciales.
Los métodos de elementos finitos (FEM) se pueden utilizar para resolver problemas de mecánica continua donde el material tiene propiedades lineales o no lineales y también se pueden aplicar a algunos problemas de la mecánica del suelo, definidos como deformación plana o simétrica axialmente; muchos problemas en medios lineales, en que el material es homogéneo e isotrópico, se han resuelto utilizando el método anterior y los resultados han coincidido bien con las soluciones de forma cerrada.
El método de los elementos finitos – FEM se extendió luego a problemas no lineales utilizando constantes pseudoelásticas de modo que la tensión en el elemento para una deformación dada fuera la misma tensión correspondiente a alguna deformación en el medio continuo. La relación tensión deformación no lineal en los elementos quedo satisfecha mediante un procedimiento iterativo.
Software para Mecanica de Suelos
El paquete de software de geoingeniería de GeoStru cubre una amplia gama de aplicaciones en diseño geotécnico, investigación de sitios y análisis de laboratorio. Los programas son utilizados por consultores geotécnicos, estructurales, firmas de investigación de sitios, oficinas de diseño, agencias gubernamentales y universidades.
La familiarización con los programas es muy rápida debido a la interfaz sencilla, intuitiva y fácil de usar, con CAD interno, data base integrados, copiar y pegar desde software externos, importación de archivos, importación de DXF. Cada programa se proporciona con manuales de usuario fáciles de entender. También hay una línea directa de soporte disponible para asistencia técnica.
