Suelo: Formación, Clasificación y Significación.
La palabra suelo se deriva de la palabra latina 'solium' que significa capa superior de la superficie de la tierra. Esta palabra 'suelo' tiene diferentes significados para diferentes profesiones. Para un agricultor, es el material de superficie suelta de la tierra donde crecen las plantas.
Para un geólogo, es el material que se produce como resultado de la desintegración de las rocas y que no se ha transportado desde su posición original. Para un ingeniero, los suelos son una acumulación incrementada de minerales o partículas orgánicas que se producen en la zona que cubre la corteza de roca.
El suelo es un material de construcción que está disponible en abundancia y en muchas regiones es esencialmente el único material de construcción disponible localmente. La Tierra se ha utilizado para la construcción de monumentos, tumbas, viviendas, estructuras de retención de agua, etc. desde los días del hombre neolítico. La mecánica del suelo es una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería civil que involucra todos los principios y técnicas por las cuales las propiedades del suelo se estudian científicamente.
Definición
El Dr. Karl Van Terzaghi, llamado el padre de la mecánica del suelo, definió la mecánica del suelo de la siguiente manera:
La mecánica del suelo es la aplicación de las leyes de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería relacionados con los sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partículas sólidas producidas por la desintegración mecánica y química de las rocas, independientemente de que contengan una mezcla o constituyentes orgánicos.
Para un ingeniero civil, el estudio del comportamiento de ingeniería de diferentes tipos de suelos es extremadamente importante debido al hecho de que todas las estructuras de ingeniería civil tendrán que estar descansadas y fundadas en el suelo. El fallo de las estructuras depende de las características de resistencia del suelo. La resistencia del suelo para soportar cargas se convierte en un factor importante en el diseño seguro de los cimientos de la estructura.
La rama de la ciencia que se ocupa de las propiedades, la naturaleza y el rendimiento de los suelos como material de construcción y cimentación se llama mecánica de suelos.
IS: 2809-1972 define la mecánica del suelo como "la rama de la ingeniería que se ocupa de la aplicación de la ciencia del suelo, las leyes estáticas y dinámicas, los principios, la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería relacionados con el suelo como material de construcción".
Los objetivos de la mecánica del suelo son:
(i) Realizar investigaciones subsuperficiales y desarrollar métodos para el muestreo de suelos.
(ii) Clasificar las propiedades del suelo para fines de ingeniería civil.
(iii) Aplicar los resultados del suelo al uso del suelo como material de construcción.
Importancia de los estudios de suelos en la ingeniería civil:
Hasta comienzos del presente siglo, no se sintió la importancia del estudio de las propiedades del suelo. La mayoría de los edificios históricos importantes se construyeron sobre la base de la experiencia en el área y el conocimiento heredado de los antepasados. No hubo evidencia de ningún estudio científico del suelo para la construcción de cimientos de estos edificios / estructuras. La falla de estructuras importantes llama la atención de los ingenieros civiles en este campo.
La mayoría de las estructuras civiles descansan sobre la superficie del suelo, por lo que la vida de estas estructuras depende de la capacidad de carga del suelo. La capacidad de carga del suelo depende de las diversas propiedades del suelo. Las diferentes propiedades del suelo se pueden determinar mediante estudios / investigaciones detalladas del suelo.
Una vez que se conoce la capacidad de carga y otras propiedades del suelo, es fácil para un ingeniero / diseñador geotécnico decidir el tipo de cimentación adecuada para un suelo en particular. A través de estudios de suelo, un ingeniero puede decidir si un suelo en particular es adecuado para la construcción o no. Algunos de los suelos, como la turba y los sedimentos orgánicos, son tan compresibles que no pueden usarse como materiales de base, mientras que otros, como la arena y las gravas, son excelentes materiales de base para la mayoría de los proyectos de construcción.
Para proyectos de pequeño tamaño, los ingenieros civiles pueden tener la oportunidad de adivinar las propiedades del suelo según la experiencia de esa área. Pero a veces eso puede terminar costando más que el costo ahorrado por no investigar el suelo. Un tal historial de efectivo es el siguiente. Una planta de calcinaciones (quema de piedra de cal) se construiría en Assam. La capacidad aproximada de la planta fue de 100 toneladas por día.
El propietario del proyecto no estaba interesado en la investigación de suelos y los trabajos de construcción se iniciaron sin ningún estudio de suelos. La excavación se inició para la fundación. Después de completar la excavación manual del suelo durante un día, el propietario quedó bastante satisfecho de que los cimientos podían colocarse en la profundidad predeterminada, ya que el suelo era bastante duro. Al día siguiente se descubrió que el pozo estaba lleno de agua y que el suelo estaba totalmente suelto, se comporta como un líquido.
Este problema continuó y finalmente se decidió detener la excavación después de 5 metros y luego se consultó a un ingeniero geotécnico para solucionar el problema. Finalmente se montaron pilotes de madera y se construyeron cimientos. El propietario tuvo que invertir más de lo que había ahorrado inicialmente al no decidir la investigación del suelo. El problema de esa área era que una corriente de agua pasaba por el sitio y el suelo por debajo de 1 en profundidad era altamente compresible.
Para proyectos grandes, como aeropuertos, autopistas, represas, etc., la adivinación de las propiedades del suelo puede llevar a fallas de cimientos y pérdidas económicas finales. Por lo tanto, siempre es recomendable realizar estudios de suelos antes del diseño de los cimientos de la estructura. La extensión de los estudios de suelos puede variar según la importancia del proyecto y el fondo disponible para el mismo.
Formación de los suelos:
El interior de la tierra está en estado fundido, llamado magma. Las rocas se forman debido al enfriamiento del magma fundido y estas rocas se descomponen en el suelo y el suelo se convierte de nuevo en roca. Este ciclo se denomina ciclo geológico como se muestra en la figura 1.1.
Las rocas son el material parental para los suelos. Los suelos se forman por la desintegración y descomposición de las rocas.
La desintegración de las rocas es causada por:
(i) meteorización mecánica
(ii) Descomposición química
(iii) Descomposición biológica.
(1) Meteorización mecánica:
También se conoce como desintegración física. En este proceso, la desintegración de las rocas es causada por agencias físicas como las raíces de las plantas, las heladas, la expansión térmica, etc.
(a) Raíces de la planta:
Las plantas y los árboles crecen en las rocas. Las raíces de estas plantas y árboles entran en las grietas y fisuras de las rocas. Con el transcurso del tiempo, estas raíces se vuelven más gruesas e inducen tensiones en la roca que causan la desintegración.
(b) Escarcha:
El agua entra en las grietas y fisuras de las rocas durante la lluvia. En climas fríos, el agua se congela y aumenta de volumen. Debido al aumento en el volumen, se inducen tensiones en las grietas que causan la desintegración de las rocas.
(c) Expansión térmica:
Las rocas tienen diferentes minerales en ella. Diferentes minerales tienen diferente coeficiente de expansión térmica. Debido a las variaciones de temperatura, estos minerales se expanden y entran en contacto. Las tensiones se desarrollan debido a la expansión y contracción repetidas de las rocas, lo que resulta en la desintegración y formación del suelo.
(d) Abrasión:
La abrasión de las rocas se produce bajo la acción de:
(i) Agua corriente
(ii) soplado de viento
(iii) Hielo en movimiento, conocido como glaciares. Esta abrasión da como resultado la formación de suelo.
(2) Descomposición química:
También se le llama meteorización química. En este proceso, la identidad de las partículas minerales se destruye y se forman nuevos compuestos químicos como las partículas de arcilla, silicio, carbonatos y óxido de hierro. La descomposición química depende de la presión del agua, la temperatura y los materiales disueltos en el agua. La meteorización química depende de la superficie disponible para la reacción, la temperatura y la presencia de fluido químicamente activo.
Los siguientes procesos están involucrados en la meteorización química:
(i) Oxidación:
Es el proceso en el cual el ión de oxígeno se combina con el ión ferroso del óxido ferroso. Las rocas que contienen hierro se someten a descomposición química por oxidación. La reacción involucrada en este proceso es
4Fe +2 + 3O 2 - = 2Fe 2 0 3
(ii) Hidratación:
La hidratación es el proceso en el que los minerales de roca se combinan con el agua para formar un nuevo compuesto que será diferente de los minerales originales. La descomposición de la roca tiene lugar debido a un cambio en el volumen que crea tensiones físicas dentro de la roca.
(iii) Carbonatación:
Es el proceso en el que el dióxido de carbono (CO 2 ) presente en la atmósfera se combina con el agua para formar ácido carbónico. Este ácido carbónico reacciona con minerales de roca causando descomposición.
La reacción involucrada en la carbonatación es:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3 ) 2
La carbonatación es muy común en áreas que tienen una gran cantidad de piedra caliza.
(iv) Hidrólisis:
La hidrólisis es un agente químico que afecta a los minerales de silicato. En tales reacciones, el agua pura se ioniza ligeramente y reacciona con silicato mineral. Como por ejemplo:
El feldespato de potasio en agua ácida se hidroliza a caolinita, cuarzo e hidróxido de potasio.
2KAISi 3 O 8 + 3H 2 O = Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4SiO 2 + 2KOH
(v) Lixiviación:
La lixiviación es la eliminación de materiales solubles disolviéndolos lejos de los sólidos. En este proceso, algunos minerales se disuelven de las rocas y se depositan por separado causando descomposición.
(3) Descomposición biológica:
La descomposición de la materia orgánica en los suelos se realiza en su totalidad por los microorganismos. Las bacterias y otros microorganismos inducen cambios químicos en su entorno al producir ácidos orgánicos, lo que ayuda a la intemperie de los suelos.
Clasificación geológica del suelo:
Sobre la base geológica, los suelos se pueden clasificar en dos grupos:
(i) Suelos residuales
(ii) Suelos transportados.
Suelos Residuales:
Los suelos que permanecen en el lugar de su formación se denominan suelos residuales. Si la tasa de descomposición de la roca excede la tasa de eliminación de los productos de descomposición, se produce una acumulación de suelo residual. El espesor de los suelos residuales depende del clima, el tiempo y el tipo de roca de origen. Estos suelos se encuentran directamente sobre la roca madre. Ignora las rocas y las rocas sedimentarias son el material principal para el suelo residual.
El perfil del suelo residual se puede dividir en tres zonas:
(a) Zona superior, donde hay un alto grado de intemperie y eliminación de material.
(b) Zona intermedia, donde hay algo de intemperismo en la parte superior de la zona, pero hay deposición hacia la parte inferior de la zona.
(c) Zona parcialmente meteorizada, donde se produce la transición del material meteorizado a la roca madre no meteorizada.
Suelos transportados:
Los suelos transportados son suelos que son llevados desde su lugar de formación a algún otro lugar por las agencias de transporte. Las agencias de transporte pueden ser glaciares, agua, viento o gravedad. Estas agencias de transporte actúan individualmente o en combinación.
Suelos Glaciares Transportados:
Los suelos transportados por glaciares incluyen materiales transportados y redepositados por glaciares o por aguas heladas que fluyen de los glaciares. Los glaciares traen consigo enormes cantidades de restos minerales que se mezclan con hielo y se llevan. Se deposita cuando el hielo se derrite a muchos kilómetros de la posición original.
Estos tipos de depósitos se diferencian utilizando la siguiente terminología:
(a) Moraine:
La moraína es un material glacial depositado por el hielo y no por aguas fundidas.
(b) Deriva:
La deriva es el material transportado por los glaciares y depositado en el agua de fusión. La deriva ha estratificado el arreglo.
(c) Hasta:
Hasta que no se estratifican, mezclas heterogéneas de arcilla o limo depositadas directamente por el hielo.
(d) Depósitos glaciofluviales:
Los depósitos glaciofluviales son materiales transportados por glaciares y depositados por agua fundida con estratificación. Consisten en capas delgadas alternas de limos grises medios y arcilla limosa oscura.
Suelos transportados por el agua:
Los materiales transportados y redepositados por acción del agua se conocen como "aluvión". Las corrientes se forman en un valle debido a las fuertes lluvias. El agua que fluye de los arroyos lleva consigo varias partículas de suelo, ya sea en suspensión o rodando a lo largo del fondo. Debido a la laminación, la abrasión de las partículas del suelo tiene lugar y, por lo tanto, reduce el tamaño de las partículas.
El tamaño de las partículas que pueden ser transportadas por el suelo depende de la velocidad del agua. Si la velocidad es mayor, puede mover partículas de gran tamaño y cuando la velocidad disminuye, las partículas más grandes se depositan. Las partículas más finas se llevan más lejos a una porción más lenta de la corriente cuando se deposita.
Los suelos transportados por el agua se clasifican en:
(i) suelo aluvial
(ii) suelo lacustre
(iii) Suelo marino.
Suelo aluvial:
El suelo transportado desde su lugar de desintegración por el agua que fluye y se deposita a lo largo de la corriente se conoce como suelo aluvial. Estos suelos son muy comunes y en ellos se construyen una gran cantidad de estructuras de ingeniería. Los suelos aluviales a menudo contienen capas horizontales alternas de diferentes tipos de suelos.
Suelos lacustres:
El suelo transportado por el agua que fluye y se deposita en los lagos se llama suelo lacustre. La mayoría de los suelos lacustres son principalmente limo y arcilla. Su idoneidad para la fundación varía de pobre a media.
Suelos marinos:
El suelo transportado por el agua que fluye y se deposita en el océano se conoce como suelo marino. Los suelos marinos son principalmente limos y arcillas y son muy suaves.
Suelos transportados por el viento (suelos eólicos):
El viento es otro medio importante para el transporte de suelo. Los suelos transportados y depositados por el viento se llaman suelos eólicos. Este modo de transporte generalmente produce suelos muy mal clasificados debido al fuerte poder de clasificación del viento. Estos suelos son generalmente muy sueltos y tienen propiedades de ingeniería justa.
Los suelos eólicos son de dos tipos:
Loess:
Loess es depósitos profundos de sedimentos hechos por el viento. Tales depósitos se encuentran a menudo a favor del viento de los desiertos. Estos depósitos tienen una porosidad muy alta. Loess es bastante fuerte cuando está seco, pero se debilita cuando se moja.
Dunas de arena:
Las colinas bajas e irregulares formadas por acumulaciones de arena a lo largo de algunas playas y en algunas zonas desérticas se llaman dunas de arena. Es probable que se formen dunas de arena donde el viento sopla de manera consistente solo desde una dirección. Estas dunas tienden a migrar a favor del viento. La tasa de migración puede reducirse o detenerse mediante el crecimiento de la vegetación adecuada en la duna.
Suelos depositados por gravedad:
Los suelos depositados por gravedad son suelos sueltos o fragmentos de roca que se transportan cuesta abajo bajo la acción de la gravedad y se depositan en o cerca de un terreno inclinado. Estos suelos también se conocen como suelos coluviales.
Los movimientos cuesta abajo son de dos tipos:
Lento y rápido. El movimiento lento se llama arrastramiento que es del orden de milímetros por año. El movimiento rápido hacia abajo se llama deslizamiento de tierra.
Perfiles de suelo:
La formación del suelo comienza primero con la descomposición de la roca por la meteorización y el proceso de desarrollo del horizonte del suelo conduce al desarrollo de un perfil del suelo. Un perfil de suelo es la visualización vertical de los horizontes del suelo. Un perfil de suelo se divide en capas llamadas horizontes.
El perfil del suelo consiste en el siguiente horizonte principal:
O horizonte:
En la parte superior del perfil se encuentra el horizonte O. Está compuesto principalmente de materia orgánica. La materia descompuesta o humus enriquece el suelo con nitrógeno, potasio, etc., mejora el suelo y mejora la retención de humedad del suelo. El horizonte O se puede dividir en categorías O 1 y O 2 . Los orígenes O 1 contienen material descompuesto cuyo origen puede verse por la vista y los horizontes O 2 solo contienen materia orgánica bien descompuesta cuyo origen no se puede ver de inmediato.
Horizonte a:
Debajo del horizonte O está el horizonte A Marca el comienzo del verdadero suelo mineral. En este horizonte el material orgánico se mezcla con productos inorgánicos de la intemperie. Es un horizonte de color oscuro debido a la presencia de materia orgánica. El grosor de este horizonte suele ser de 25 a 30 cm, pero puede oscilar entre 5 y 60 cm.
Horizonte b:
Debajo del horizonte A está el horizonte B Es comúnmente referido como subsuelo. El horizonte B es una zona donde el material fino se acumula mediante la filtración de agua. En algunos suelos, el horizonte B está enriquecido con carbonato de calcio en forma de nódulos o como una capa. Tiene el mismo color y textura en toda su profundidad. El grosor de este horizonte es de 25 a 30 cm, pero puede oscilar entre 10 y 240 cm.
El horizonte B se puede dividir en los tipos B 1, B 2 y B 3 . B 1 es un horizonte de transición del horizonte A al B. Ha dominado por las propiedades del horizonte B debajo de él, pero con algunas características del horizonte A. Los horizontes B tienen una concentración de minerales, arcilla o materia orgánica. B 3 horizontes y la transición entre las capas B superpuestas y el material debajo de ella.
Horizonte C:
El horizonte C representa el material principal del suelo, ya sea creado in situ o transportado a su ubicación actual. Debajo del horizonte C se encuentra el lecho de roca. Tiene el mismo color y textura en toda su profundidad. El grosor de este horizonte oscila entre 5 y 30 cm. Este horizonte proporciona la mayor parte del material para la construcción de la estructura del suelo.
Importancia del perfil del suelo:
El perfil del suelo es de gran importancia para un ingeniero geotécnico como:
(i) Da el tipo, la naturaleza y el espesor de las diferentes capas de suelo presentes en esa área.
(ii) Muestra cualquier cambio en el comportamiento del suelo con la profundidad.
(iii) Da la profundidad del nivel freático debajo del nivel del suelo.
(iv) Indica cualquier bolsa local de diferentes suelos en una capa particular.
(v) Indica cómo las características del suelo están influenciadas por la historia geológica.
(vi) Da una idea aproximada de la profundidad de la cimentación.
