thumb|230px|La Torre de Pisa, ejemplo de un problema originado por deformaciones importantes. thumb|230px|Dique de contención de inundaciones en Estados Unidos. La mecánica de suelos es básica para comprender y estudiar la estabilidad de taludes.
En Ingeniería, la mecánica de suelos es la aplicación de las leyes de la física y las ciencias naturales a los problemas que involucran las cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. Esta ciencia fue fundada por Karl von Terzaghi, a partir de 1925, quien aclaró el comportamiento mecánico de medios porosos saturados (suelos, hormigón y rocas) y desarrolló la teoría de la consolidación.
Todas las obras de ingeniería civil se apoyan sobre el suelo de una u otra forma, y muchas de ellas, además, utilizan la tierra y rocas como elementos de construcción para terraplenes, diques y rellenos en general; por lo que, en consecuencia, su estabilidad y comportamiento funcional y estético estarán determinados, entre otros factores, por el desempeño del material de asiento situado dentro de las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan, o por el del suelo utilizado para conformar los rellenos.
Si se sobrepasan los límites de la capacidad resistente del suelo o si, aun sin llegar a ellos, las deformaciones son considerables, se pueden producir esfuerzos secundarios en los miembros estructurales, quizás no tomados en consideración en el diseño, productores a su vez de deformaciones importantes, fisuras, grietas, alabeo o desplomes que pueden producir, en casos extremos, el colapso de la obra o su inutilización y abandono.
En consecuencia, las condiciones del suelo como elemento de sustentación y construcción y las del cimiento como dispositivo de transición entre aquel y la infraestructura, han de ser siempre observadas, aunque esto se haga en proyectos pequeños fundados sobre suelos normales a la vista de datos estadísticos y experiencias locales, y en proyectos de mediana a gran importancia o en suelos dudosos, infaliblemente, a través de una correcta investigación de mecánica de suelos.
Génesis y composición de suelos
Génesis thumb|230px|Tamices de laboratorio. Una investigación sobre suelos siempre conlleva la caracterización de tamaños de partículas, lo que se denomina granulometría. Las granulometrías son básicas para el estudio de suelos. El mecanismo primario de creación de suelos es la erosión de rocas. Todos los tipos de rocas (ígneas, metamórficas y sedimentarias) pueden ser reducidas a partículas menores para crear suelo. Los mecanismos de erosión dependen del agente, pudiendo ser físico, químico y biológico. Las actividades humanas como las excavaciones, explosiones y deposición de residuos y material pueden crear también suelos. A lo largo del tiempo geológico los suelos pueden ser alterados por presión y temperatura hasta convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, o volver a ser fundidos y solidificados, volviendo a ser ígneos y cerrando el ciclo de las rocas.
La erosión física incluye los efectos de la temperatura, heladas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La erosión química incluye la disolución del compuesto de la roca y la precipitación en forma de otro mineral. La arcilla, por ejemplo, puede formarse a través de la erosión del feldespato, que es uno de los minerales más comunes de las rocas ígneas. El mineral más común de la arena es el cuarzo, que es también un componente importante de las rocas ígneas y se le llama Óxido de silicio (IV). En resumen todos los suelos del mundo son partículas más pequeñas provenientes de las rocas. Las partículas más grandes son denominadas gravas. Si las gravas se parten en partes más pequeñas pueden convertirse en arena, de esta al limo y de este a la arcilla, que es la división más pequeña.
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, las partículas limosas tienen un rango de tamaños entre los 0,002mm a los 0,075mm y las partículas de arena tienen un tamaño entre 0,075mm a 4,75mm. Las partículas de gravas se consideran entre un rango que va de los 4,75mm a los 76,2mm y por encima de esto se denominan rocas.
Transporte 200px|thumb|Ejemplo de horizontes del suelo a) coluvión y suelo más alto b) suelo residual maduro c) suelo residual joven d) roca erosionada.
Los depósitos de suelo están afectados por el mecanismo del transporte y la deposición hasta su localización. Los suelos que no han sido transportados sino que provienen de la roca madre que subyace por debajo de estos se denominan suelos residuales. El granito descompuesto es un ejemplo común de suelo residual. Los mecanismos más comunes del transporte son la acción de la gravedad, hielo, viento y agua. Los procesos eólicos incluyen las dunas de arena y los loess. El agua transporta las partículas en función de su tamaño y la velocidad de las aguas, de ahí la distribución granulométrica que aparecen en muchos ríos en función del punto donde se tome la muestra. Generalmente la arcilla y el limo se acumulan en las zonas más lentas del río, o en lagos y pantanos, mientras que las arenas y gravas se acumulan en el lecho de los ríos. La erosión de los glaciares es capaz de desplazar grandes bloques de piedra y partirlos en su camino hacia la desembocadura. La gravedad también es capaz de transportar grandes cantidades de materiales desde la cima de las montañas a los valles. A estos depósitos formados en las faldas de las montañas se le denominan coluvión (material depositado por causa de corrientes fluviales de pequeña magnitud). El mecanismo del transporte también afecta a la forma de las partículas, por ejemplo, las partículas de los ríos suelen ser redondeadas y los coluviones suelen presentar fracturas frescas.
Composición del suelo
Mineralogía del suelo Arcillas, limos, arenas y gravas están clasificados por su tamaño, pero eso pueden consistir en una gran variedad de minerales. Debido a la estabilidad del cuarzo respecto a otras rocas minerales, es el material constituyente más común de la arena y el limo. Mica y feldespato son otros minerales comunes presentes en arenas y limos. Los minerales constituyentes de gravas suelen ser muy similares a los de la roca madre.
Los minerales más comunes en las arcillas son la montmorillonita, la esmectita, la ilita y la kaolinita. Estos minerales tienden a formar estructuras en placa con un rango entre y y un rango de grosores entre y , y tienen una superficie específica relativamente grande. La superficie específica es definida por el ratio de área superficial de partículas entre la masa de las partículas. Los minerales de la arcilla tienen un rango de superficie específica de 10 a 1000 metros cuadrados por gramo. Esto hace que las arcillas tengan unas propiedades químicas y electrostáticas completamente distintas a la de otros materiales.
Los minerales de los suelos están predominantemente formados por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en formas cristalinas. Estos elementos junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de La Tierra.
Relación masa-suelo thumb|Un diagrama de fase de suelo indicando la masas y volúmenes del aire, sólido, líquido y huecos. Hay una gran variedad de parámetros usados para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define estos parámetros y algunas de sus interrelaciones. La notación básica sería:
, , y representa el volumen de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelos;
, , y representa el peso del aire, agua y sólidos en una mezcla de sólidos;
, , y representa la masa del aire, agua y sólidos en la mezcla de sólidos;
, , y representa las densidades de los constituyentes (aire, agua y sólidos) en una mezcla de suelo;
Nótese que el peso, W, puede ser obtenido multiplicando la masa, M, por la aceleración de la gravedad, g, e.g.,
Gravedad específica es el ratio entre la densidad del material y la densidad del agua pura ().
Gravedad específica de sólidos,
Nótese que las unidades de peso convencionales pueden ser obtenidas multiplicando la densidad por la aceleración debida a la gravedad, .
Densidad o Densidad húmeda , son los nombres distintos que se le da a la densidad de la mezcla, es decir el total de aire, agua y sólido dividido por el volumen de agua, aire y sólidos. (la masa del aire se aproxima a cero para propósitos prácticos):
Densidad seca, , es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos:
Densidad de flotación, o Densidad sumergida , se define como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, lo cual es útil en suelos sumergidos:
donde es la densidad del agua
Contenido en agua o Humedad, es el ratio de masa de agua respecto a la masa de sólido. Es fácil de medir ya que es el cociente entre la muestra natural y la muestra secada al horno y pesada de nuevo. El procedimiento está estandarizado por la ASTM.
Índice de huecos, , o relación de vacíos, es el rango de volumen de huecos por el volumen de sólidos:
Porosidad, , es el ratio entre el volumen de huecos y el volumen total, y está relacionado con el índice de huecos:
Grado de saturación, , ratio entre el volumen de agua y el volumen de huecos, así una muestra S=1 estará completamente húmeda y no admitirá más agua:
De las definiciones de arriba se pueden derivar las siguientes:
Tensión efectiva y capilaridad: condiciones hidrostáticas thumb|230px|Duna del desierto. En una duna no hay agua en los huecos y la tensión efectiva es igual a la tensión normal siendo la presión entre los poros igual a cero.
Para entender la mecánica de suelos es necesario entender cómo actúan las tensiones normales y efectivas entre las distintas fases. Ni la fase líquida ni la gaseosa aportan resistencia significativa a tensión cortante. La resistencia de cortante del suelo proviene de la fricción y el bloqueo interno de las partículas. La fricción depende de las tensiones de contacto entre las partículas sólidas. Por otro lado, las tensiones normales se distribuyen por todo el fluido y las partículas. Aunque los poros de aire son relativamente compresibles, pero los poros llenos de agua no por lo que en caso de esfuerzo normal las partículas se reordenarán distribuyendo toda la tensión por los fluidos, juntando aún más las partículas.
El principio de tensión efectiva, introducida por Karl Terzaghi, determina que la tensión efectiva σ''', es decir, la tensión media intergranular entre partículas sólidas puede ser calculada por una simple resta de la presión de los poros de la presión total:
donde σ es la tensión total y u es la presión del poro. No es práctico medir σ directamente, así que en la práctica la tensión vertical efectiva se calcula a partir de la presión de los poros y la tensión total vertical. La distinción entre los términos de presión y tensión es también importante. Por definición, la presión en un punto es igual en todas las direcciones pero la tensión de un punto puede ser distinta en diferentes direcciones. En mecánica de suelos, las tensiones y presiones de compresión se consideran positivas y las presiones de tensión se consideran negativas, a la inversa de la convención utilizada en mecánica de sólidos.
Presión total
Para condiciones a nivel de suelo, la presión vertical total en un punto, , en promedio, es el peso de todo lo que quede por encima de dicho punto por unidad de área. La tensión vertical bajo una capa superficial uniforme con densidad , y grosor es por el ejemplo: