1. COMPORTAMIENTO DE SUELOS1.1 COMPORTAMIENTO MECANICO1.1.1 RELACION ESFUERZO DEFORMACIONCuando un material es sujeto a esfuerzos, este responde con deformaciones. Entonces es necesario trazar una historia de los cambios entre los esfuerzos y las deformaciones y as obtener una curva esfuerzo-deformacin.El ingeniero debe comprobar que las deformaciones producidas en el suelo al aplicar las cargas exteriores son menores a la deformacin admisible y as asegurar la estabilidad del suelo. Para esto el ingeniero debe obtener la curva esfuerzo deformacin del suelo.El grado de deformacin producido por un esfuerzo depender de la composicin, relacin de vacos, historia del esfuerzo, y forma en que se apliquen los nuevos esfuerzos. Para poder hallar la deformacin de un suelo muchas veces es mejor medir directamente las deformaciones producidas en un ensayo de laboratorio bajo los esfuerzos que existirn en el terreno real. En otros casos, suele ser muy til recurrir a conceptos y formulas de la teora de elasticidad.Con este fin se han desarrollado ensayos y descripciones matemticas que parten de las teoras clsicas de la elasticidad y plasticidad. Sin embargo, los suelos se diferencian mucho de otros materiales, debido a su naturaleza porosa y compuesta de partculas. El comportamiento de un material perfectamente elstico solo depende de sus condiciones inicial y final, independientemente del camino que tomen durante el cargado o descargado, esto debido a que presentan un comportamiento lineal. En cambio los suelos no solo depende de su condicin inicial y final sino adems del camino durante el cargado o descargado y de la historia previa al cargado o descargado.En resistencia de materiales se estudio los esfuerzos en cuerpos rgidos, continuos, homogneos, elsticos, afectados por fuerzas externas. Los suelos no son cuerpos ni rgidos, ni continuos, ni homogneos, ni elsticos. Por lo tanto la determinacin de los esfuerzos y deformaciones en los suelos es una tarea muy difcil. Sin embargo el anlisis con la teora de la elasticidad es muy simple y solo involucra a dos constantes, el modulo de Young y el ndice de Poisson. Entonces si se asume que el suelo es un material isotrpico, elstico, se facilita muchsimo el anlisis para poder predecir el comportamiento de los suelos cuando son sometidos a cargas externas. Para este anlisis solo se tiene que determinar el modulo de Young y el ndice de Poisson mediante ensayos de laboratorio o de campo.Independientemente de que en algn caso particular pueda resultar til usar valores del modulo de elasticidad y/o del ndice de Poisson, debe tenerse muy en cuenta que el mdulo de elasticidad o de Young y el ndice de Poisson no son constantes de un suelo, sino ms bien magnitudes que describen aproximadamente el comportamiento de un suelo para un estado de esfuerzos dado y que cambiarn, quizs radicalmente, si cambia el estado de esfuerzos o si los esfuerzos se aplican de distinta manera.Es necesario asumir que las deformaciones en los suelos son pequeas (infinitesimales) para poder aplicar el principio de la mecnica de los cuerpos elsticos a los suelos. El suelo solo puede sostener esfuerzos de compresin. A continuacin se explicara detalladamente los conceptos de la teora de la elasticidad, orientado a los suelos.1.1.2 ENSAYO DE CORTEEntre los aparatos utilizados para medir la resistencia al esfuerzo de corte de los suelos en el laboratorio, los que han alcanzado mayor importancia en el desarrollo de la ingeniera prctica como as tambin en la investigacin, son bsicamente el aparato de corte directo y el de compresin triaxial. 7.1. Corte directo Dicho aparato se esquematiza en la Fig.17. Bsicamente este consta de dos marcos que contiene a la muestra. El marco inferior es fijo, mientras que el superior puede desplazarse en forma horizontal. Las muestras a ensayar en este aparato de corte son de forma prismtica tal como se indica en la Fig.

1.1.3 COMPRESION TRIAXIALEl ensayo de compresin triaxial, al igual que el ensayo de corte directo, permite al ingeniero obtener los parmetros de corte necesarios para calcular en la forma ms aproximada posible la resistencia ltima de una masa de suelo que ser sometida a solicitaciones por la construccin de alguna obra de ingeniera. A diferencia del ensayo de corte directo, el ensayo de compresin triaxial, no fija a priori el plano de rotura de la muestra ensayada sino que permite que el mismo se genere en forma natural y adopte la orientacin ms desfavorable.A. CONCEPTO DE TENSION EFECTIVALos suelos son, en general, materiales trifsicos constituidos por: (1) el esqueleto de partculas slidas, rodeado de huecos interconectados que pueden estar ocupados por (2) aire y (3) agua (Figura 2.1). Un suelo con los huecos completamente ocupados por agua se denomina suelo saturado

Sin embargo, es posible que los huecos estn llenos de aire, sin nada de agua, entonces se define como suelo seco. La Mecnica de medios continuos define que el estado total de tensiones est formado por dos componentes: la tensin intergranular y la presin intersticial (Fig. 2.2). La tensin intergranular se denomina como la tensin efectiva. Si un suelo est totalmente saturado, la relacin entre la tensin total, la tensin efectiva y la presin intersticial viene dada por: = t u1Donde, t= tensor de tensiones totales, = tensor de tensiones efectivas, u = presin intersticial , y 1 es tensor de segundo orden simtrico. El concepto de tensin efectiva es importante, ya que controla la respuesta mecnica del suelo.

B. COMPORTAMIENTO VOLUMETRICO TENSION-DEFORMACIONUna respuesta tpica de un suelo sometido a carga y descarga hidrosttica se muestra en la Fig. 2.3. Se aprecia claramente que la respuesta del suelo es no lineal bajo carga y descarga hidrosttica. Cuando se descarga desde un estado dado de tensiones, slo una parte de la deformacin volumtrica se recupera (ABC en la Figura. 2.3). La parte recuperable se denomina como componente elstica de la deformacin total volumtrica. Mientras, la fraccin que no se recupera se define como la componente plstica. Las deformaciones plsticas volumtricas son causadas por el reagrupamiento, deslizamiento y rotura de las partculas slidas del suelo. Por otro lado, las deformaciones elsticas volumtricas se deben principalmente a la deformacin elstica de esas partculas slidas. Las deformaciones plsticas provocan un cambio interno en la estructura del suelo. Por lo tanto, la respuesta volumtrica es una caracterstica importante de suelos, presentando deformacin plstica volumtrica bajo carga hidrosttica, a diferencia de otros materiales ingenieriles como por ejemplo el acero.

C. DILATACIONLa dilatacin tiene una influencia significativa en la respuesta volumtrica de suelos granulares y ha sido estudiada por muchos cientficos (por ejemplo, Rowe, 1962[23] y Wood, 1990[27]). La dilatacin es una variacin del volumen cuando se aplican tensiones tangenciales. Un modelo simple, que ilustra claramente la relacin entre la tensin tangencial y la dilatacin, es el que podemos ver en la Fig. 2.10. La interpretacin es la siguiente: cuando aplico una fuerza tangencial S, el bloque superior desliza y tiende a moverse verticalmente, provocando un cambio de volumen V. El suelo se expande cuando se carga tangencialmente, produciendo un deslizamiento en el interior del suelo. La direccin de este deslizamiento es en un plano inclinado un ngulo con la horizontal (Fig. 2.10 (b)). Este ngulo se denomina ngulo de dilatacin. La resistencia total tangencial puede ser obtenida evaluando la fuerza en este plano. As, S = tan ( + ) P donde, es el ngulo de rozamiento interno entre las partculas slidas del suelo. El movimiento horizontal del plano tangencial provoca un incremento de volumen como se ve en la figura 2.10 (b).

1.1.1.1 LICUEFACCION DE SUELOS

Lalicuefaccin de suelodescribe el comportamiento desuelosque, estando sujetos a la accin de unafuerzaexterna (carga), en ciertas circunstancias pasan de un estado slido a un estado lquido, o adquieren la consistencia de un lquido pesado. Es un tipo decorrimiento, provocado por lainestabilidad de un talud. Es uno de losfenmenosms dramticos y destructivos y, adems, ms polmicos y peor explicados que pueden ser inducidos en depsitos por acciones ssmicas.

Es ms probable que la licuefaccinocurra en suelos granulados sueltos saturados o moderadamente saturados con un drenaje pobre, tales como arenas sedimentadas o arenas y gravas que contienen vetas de sedimentos impermeables.

Durante el proceso en que acta la fuerza exterior, por lo general una fuerza cclica sin drenaje, tal como unacarga ssmica, las arenas sueltas tienden a disminuir su volumen, lo cual produce un aumento en la presin de agua en los poros y por lo tanto disminuye latensin de corte, originando una reduccin de latensin efectiva.

Los suelos ms susceptibles a la licuefaccin son aquellos formados por depsitos jvenes (producidos durante elholoceno, depositados durante los ltimos 10,000 aos) de arenas y sedimentos de tamaos de partculas similares, en capas de por lo menos ms de un metro de espesor, y con un alto contenido de agua (saturadas).

Tales depsitos por lo general se presentan en los lechos de ros, playas,dunas, y reas donde se han acumulado arenas y sedimentos arrastrados por el viento y/o cursos de agua. algunos ejemplos de licuefaccin sonarena movediza, arcillas movedizas, corrientes de turbidez, y licuefaccin inducida por terremotos.

La licuefaccin puede causar dao a estructuras en varias maneras. los edificios cuyos cimientos estn directamente en la arena que se lica experimentan una prdida de apoyo repentina, que resulta en el asentamiento drstico (asentamiento absoluto) e irregular (asentamiento diferencial) del edificio. la licuefaccin causa asentamientos irregulares en el rea licuada, y esto puede daar los edificios y romper los cables de servicio pblico subterrneos donde los asentamientos diferenciales son grandes. Las tuberas de distribucin de agua y gas y otros ductos pueden flotar y desplazarse hacia la superficie.

Fornculos de arena pueden entrar en erupcin en los edificios a travs de bocas de conexin de servicios, con lo que el agua puede ingresar y daar la estructura o sus sistemas elctricos. la licuefaccin del suelo tambin puede causar colapsos de plataformas. las reas de recuperacin ambiental de suelo (rellenos sanitarios) son propensas a la licuefaccin porque muchas son recuperadas con relleno hidrulico, y a menudo se asientan sobre suelos blandos que pueden amplificar la sacudida de los terremotos. la licuefaccin del suelo fue un factor importante en la inundacin de la ciudad de Ica.

1.1.1.2 SUELOS EXPANSIVOSLos suelos expansivos son suelos, arcillosos inestables en presencia de humedad, ya que su caracterstica principal es experimentar cambios de volumen cuando varia su contenido en lquido, esto significa que cuando un suelo est compuesto de materiales muy susceptibles a desmoronarse con la presencia de algn liquido (generalmente agua) y en caso de que hubiera una edificacin sobre esta zona con este tipo de suelos producira que esta tendiera a fracturarse produciendo grietas en los muros o bien que la cimentacin cediera y que toda la edificacin colapsara.

Este problema surge desde que el hombre comenz a construir edificaciones en sus diferentes entornos, algunos de ellos no tuvieron este problema ya que la zona donde ellos habitaban no estaba compuesta por este tipo de suelos, pero otros si lidiaron con este problema, desde hace mucho tiempo se han investigado estos suelos, pero fue hace casi noventaicuatro aos que se esmer ms en el estudio de estos.

Como principales investigadores tenemos a: Lambe Whitman (1959). Fu H. Chen (1975). Bracley (1975).

La necesidad por la que se empez a investigar acerca de este tema es que se estaba construyendo sin ninguna precaucin sobre suelos expansivos, provocando que muchas edificaciones cayeran, generando gastos millonarios a los dueos de las edificaciones. Otra razn por la que se empez a investigar acerca de estos suelos es que los espacios en las ciudades se estn haciendo mucho ms pequeos ya que la poblacin crece cada vez ms y ms al pasar de los aos, creando la necesidad de que los planificadores de las ciudades busquen alternativas para maximizar el rea de la ciudad.Se pueden tomar como antecedentes histricos algunas construcciones que se han colapsado por fuertes lluvias en diferentes ciudades del mundo a travs de los aos.

Se conocen como suelos expansivos aquellos que presentan expansiones o contracciones, osea cambios de volumen cuando varia su humedad o contenido de agua. Los materiales de arcilla, tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla debido a su estructura, el agua produce el incremento de volumen en el material mencionado anteriormente y tambin una drstica reduccin del volumen cuando el agua que retena se seca.

Los suelos expansivos resultan un gran problema para la construccin, porque los incrementos de volumen no se presentan de una manera uniforme, sino todo lo contrario al producirse incrementos en diferentes zonas y al momento de contraerse generan asentamientos, que pueden daar severamente las estructuras.

El contenido de humedad es la cantidad de agua o humedad que se presenta en un suelo, varia en un lmite muy amplio, dependiendo de cada zona geogrfica. Se expresa como un porcentaje. El contenido de humedad es un factor muy importante cuando se habla de la expansin de suelos ya que nos puede indicar donde se podran presentar expansin si tienen materiales arcillosos.

Unas de las causas por las que se presentan los suelos expansivos son las condiciones climticas, que influyen de manera directa al comportamiento de estos suelos. Una expansin se genera debido al agua, por lo que es ms propenso a encontrar suelos expansivos en reas donde las lluvias sean moderadas y frecuentes. Otro factor importante es la presencia de aguas subterrneas que se filtran de la superficie.

Los suelos expansivos se pueden identificar visualmente por varias caractersticas, tienen alta plasticidad, si observamos el terreno encontraremos grietas o rajaduras, esto se debe a la expansin y contraccin constante que sufre la superficie de estos suelos cuando hay variacin de la humedad.

La identificacin mineralgica es una de las principales formas usadas para ubicar suelos expansivos, los mtodos ms recomendados para la identificacin mineralgica son: difraccin de rayos x, anlisis trmico diferencial, anlisis qumico, absorcin de tinte y la microscopia electrnica. Consiste en detectar la presencia de minerales arcillosos, que pueden resultar expansivos. Sin embrago esta forma de identificacin no es muy til para la prctica de ingeniera ya que se pueden llegar a ser muy costosos y requiere un amplio conocimiento.

Otra forma es la determinacin de propiedades bsicas del suelo. Las propiedades que se busca obtener son: limite lquido y plstico, lmite de contraccin, contenido de coloides, expansin libre del suelo.

Los suelos, segn la naturaleza, cantidad de agua, presentan propiedades para ser incluidos en el estado slido, semislido, plstico o semilquido. La cantidad de agua de un suelo as como el lmite al que se produce el cambio de estado varia de un suelo a otro. Los contenidos de agua o humedad con los cuales se producen los cambios de estados, son llamados lmites de Atterberg.

Se reconocen dos parmetros que definen el Potencial de Hinchamiento, los cuales son: PRESIN DE HINCHAMIENTO (PS).- Es la presin aplicada en laboratorio sobre una muestra de suelo expansivo, se aaden cargas para no permitir el hinchamiento, la presin mxima que hay que aadir para que no haya hinchamiento, es decir se mantenga su volumen inicial es conocida como presin de hinchamiento.

HINCHAMIENTO LIBRE (HC).- Se expresa como el porcentaje de la elevacin mxima, cuando hay presin nula en relacin a la longitud inicial.