Ing. Paul Percy CANTA CARLOS
PROCESOS EXTERNOS DE LA TIERRA El intemperismo (meteorización), los procesos gravitacionales, y la erosión se denominan procesos externos, porque tienen lugar en la superficie terrestre o en sus proximidades y porque se alimentan de la energía solar. Los procesos externos son una parte básica del ciclo de la roca, porque son los responsables de la transformaci transformación ón de la roca sólida en sedimento.
La Tierra está en un proceso dinámico, algunas partes de la superficie terrestre se elevan de una manera gradual por la formación de montañas y la actividad volcánica. Estos procesos internos obtienen su energía del interior de la Tierra. T ierra. Mientras tanto, procesos externos opuestos están continuamente rompiendo la roca y desplazando los derrubios a zonas de menor elevación. Estos procesos son: 1.
Intemperismo o Meteoriza Meteorización. ción.
2.
Procesos Gravitacionales o Transporte.
3.
Erosión.
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PROCESOS EXTERNOS DE LA TIERRA El intemperismo (meteorización), los procesos gravitacionales, y la erosión se denominan procesos externos, porque tienen lugar en la superficie terrestre o en sus proximidades y porque se alimentan de la energía solar. Los procesos externos son una parte básica del ciclo de la roca, porque son los responsables de la transformaci transformación ón de la roca sólida en sedimento.
La Tierra está en un proceso dinámico, algunas partes de la superficie terrestre se elevan de una manera gradual por la formación de montañas y la actividad volcánica. Estos procesos internos obtienen su energía del interior de la Tierra. T ierra. Mientras tanto, procesos externos opuestos están continuamente rompiendo la roca y desplazando los derrubios a zonas de menor elevación. Estos procesos son: 1.
Intemperismo o Meteoriza Meteorización. ción.
2.
Procesos Gravitacionales o Transporte.
3.
Erosión.
2
La meteorización es la respuesta de los materiales terrestres a un ambiente cambiante. Por ejemplo, después de millones de años de levantamiento y erosión, las rocas situadas encima de un gran cuerpo ígneo intrusivo pueden ser eliminadas, dejándolo expuesto a la superficie. Esta masa de roca (formada bajo la superficie en zonas profundas donde las temperaturas y las presiones son elevadas) queda ahora sometida a un ambiente superficial muy diferente y comparativamente hostil. Como respuesta esta nueva roca cambiará de manera gradual. Esta transformación de la roca es lo que
denominamos METEORIZACIÓN O INTEMPERISMO.
El intemperismo es muy importante en la formación de suelos y rocas, y es responsable del enriquecimiento de algunos yacimientos de importancia económica.
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La meteorización se produce cuando la roca es fragmentada mecánicamente (desintegrada) (desintegr ada) o alterad alterada a químicamente (descompuesta), o ambas cosas.
La meteorización mecánica se lleva a cabo por fuerzas físicas que rompen la roca en trozos troz os cada vez más pequeños sin modificar la composición mineral de la roca.
La meteorización química implica una transformación química de la roca en uno o más compuestos nuevos.
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Cuando una roca experimenta meteorización mecánica se rompe en fragmentos cada vez más pequeños, que conservan cada uno las características del material original. El resultado final son muchos fragmentos pequeños procedentes de uno grande. Se muestra que la ruptura de una roca en trozos más pequeños aumenta el área superficial disponible para el ataque químico.
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En la naturaleza, hay cuatro procesos físicos importantes que inducen la fragmentación de la roca: 1.
Fragmentación por helada
2.
Descompresión
3.
Expansión térmica
4.
Actividad biológica
Además, aunque la acción de los agentes erosivos, como el viento, el hielo de glaciar y las aguas corrientes, se considera independiente de la meteorización física, ésta es, sin embargo, importante. Conforme estos agentes dinámicos retiran los restos rocosos, desintegran inexorablemente estos materiales.
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1.
Fragmentación por helada (gelifracción)
Ciclos repetidos de congelación y deshielo representan un proceso importante de meteorización mecánica. El agua líquida tiene la propiedad única de expandirse alrededor de un 9 por ciento cuando se congela, porque en la estructura cristalina regular del hielo, las moléculas de agua están mas separadas de lo que están en el agua líquida próxima al punto de congelación. Como consecuencia, la congelación del agua en un espacio confinado ejerce una tremenda presión hacia fuera sobre las paredes del lugar donde se encuentra. En la naturaleza, el agua se abre camino a través de las grietas de las rocas, y tras su congelación, expande y aumenta el tamaño de esas aberturas. Después de muchos ciclos de congelación-deshielo, la roca se rompe en fragmentos angulares. Este proceso se denomina rotura por cuñas de hielo (gelifracción). 7
La acción de las cuñas de hielo es más notable en las regiones montañosas, donde suele existir un ciclo diario de congelación-deshielo. En esas regiones, las secciones de roca se desmenuzan por acción del acuñamiento y pueden caer desordenadamente en grandes montones denominados pedregales que se forman a menudo en la base de afloramientos de roca empinados.
La gelifracción también producen gran destrucción en las carreteras.
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2. Descompresión: cuando grandes masas de roca ígnea, en particular granito, quedan expuesta a la erosión, empiezan a soltarse losas concéntricas. El proceso que genera estas capas semejantes a las de una cebolla se denomina lajeamiento .
Esto se debe a la gran reducción de la presión que se produce cuando la roca situada encima es erosionada, un proceso denominado descompresión. Acompañando a esta descompresión, las capas externas se expanden más que la roca situada debajo y, de esta manera, se separan del cuerpo rocoso. La meteorización continua acaba por separar y desgajar las lajas, creando los domos de exfoliación.
Aunque muchas fracturas se crean por expansión, otras se producen por contracción durante la cristalización del magma, y otras son debidas a las fuerzas tectónicas que actúan durante la formación de montañas.
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3. Expansión Térmica: El ciclo diario de temperatura puede meteorizar las rocas, en particular en los desiertos cálidos donde las variaciones diurnas pueden superar los 30ºC. El calentamiento de una roca produce expansión y el enfriamiento causa contracción. La dilatación y reducción repetida de minerales con índices de expansión diferentes deben ejercer lógicamente cierta tensión sobre la capa externa de la roca.
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4. Actividad Biológica: Las actividades de los organismos, entre ellos las plantas, los animales excavadores y los seres humanos, también llevan a cabo meteorización. Las raíces vegetales crecen entre las fracturas en busca de nutrientes y agua, y conforme crecen, resquebrajan la roca.
Los animales excavadores descomponen aún mas las rocas desplazando material fresco hacia la superficie, donde los procesos físicos y químicos pueden actuar con mas efectividad. Los organismos de la descomposición también producen ácidos que contribuyen a la meteorización química. Cuando se hace la voladura para la construcción de carreteras, el efecto de los humanos es particularmente notable.
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Por meteorización química se entienden los complejos procesos que descomponen los componentes de las rocas y las estructuras internas de los minerales. Dichos procesos convierten los constituyentes en minerales nuevos o los liberan al ambiente circundante. Durante esta transformación, la roca original se descompone en sustancias que son estables en el ambiente superficial. El agua es con mucho el agente de meteorización disolvente más importante. El agua pura sola es un buen disolvente y cantidades pequeñas de materiales disueltos dan como resultado un aumento de la actividad química para las soluciones de meteorización. Los principales procesos de meteorización química son la disolución, la oxidación y la hidrólisis. El agua desempeña un papel principal en cada uno de ellos. 14
EJEMPLO: El piroxeno (CaSiO3 - MgSiO3 - FeSiO3.) contiene hierro, el cual se disuelve liberando moléculas de óxido de silicio y hierro ferroso en solución. El hierro ferroso es oxidado por moléculas para formar hierro férrico. El hierro férrico se combina con agua para precipitarse en un sólido en forma de óxido de hierro en la solución.
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Los minerales de las rocas ígneas y metamórficas han cristalizado en el interior de la Tierra, con temperaturas y presiones altas, por lo que resultan inestables químicamente a las temperaturas y presiones de la superficie terrestre, resultando entonces fácilmente imtemperizados.
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Es exactamente igual a como se disuelve el azúcar en el agua lo hacen ciertos minerales. Uno de los minerales más hidrosolubles es la halita (sal común), que está compuesta de iones de sodio y cloro. La halita se disuelve fácilmente en agua porque, aunque este compuesto mantiene una neutralidad eléctrica general, sus iones individuales conservan sus cargas respectivas. Además, las moléculas de agua circundantes son polares, es decir, el oxígeno de la molécula tiene una pequeña carga negativa residual, el hidrógeno tiene una pequeña carga positiva. Cuando las moléculas de agua entran en contacto con la halita, sus extremos negativos se aproximan a los iones sodio y sus extremos positivos se agrupan alrededor de los iones cloro. Esto altera las fuerzas de atracción existentes en el cristal de halita y libera los iones a la solución acuosa. 17
Ejemplo: halita (NaCl) El compuesto es eléctricamnete neutro, pero sus átomos (Cl y Na) mantienen su carga respectiva, lo cual atrae la molécula de agua, para ubicarse de manera que la carga + residual quede cerca de un átomo de cloro y que la carga residual quede cerca de un sodio, lo cual altera las fuerzas de atracción existentes en el cristal de halita y libera los iones a la solución acuosa. –
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En la naturaleza, los ácidos se producen por una serie de procesos. Por ejemplo, el ácido carbónico se crea cuando el dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en las gotas de lluvia. Conforme el agua de lluvia acidifica va calando en el suelo, el dióxido de carbono de este último puede aumentar la acidez de la solución de meteorización. También se liberan varios ácidos orgánicos en el suelo cuando los organismos se descomponen, y la meteorización de la pirita y de otros sulfuros produce ácido sulfúrico. Con independencia de la fuente de donde proceda el ácido, esta sustancia enormemente reactiva descompone con facilidad la mayoría de las rocas y origina ciertos productos que son hidrosolubles. Por ejemplo, el mineral calcita, CaCO3, que es el componente de rocas sedimentarias, resulta fácilmente atacado incluso por una solución débilmente ácida.
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A pesar de ello, la mayoría de los minerales son, a efectos prácticos, insolubles en agua pura; pero la presencia de pequeñas cantidades de ácido (H2CO3, ácidos orgánicos) incrementa de manera notable la capacidad corrosiva del agua.
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Todos hemos visto objetos de hierro y de acero que se oxidaron cuando quedaron expuestos al agua. Lo mismo puede ocurrir con los minerales ricos en hierro. El proceso de oxidación se produce cuando el oxígeno se combina con el hierro para formar el óxido férrico, como sigue:
4Fe + 3O2 2Fe2O3 Este tipo de reacción química, denominado oxidación, se produce cuando se pierde electrones de un elemento durante la reacción. En este caso, decimos que el hierro se oxidó porque perdió electrones a favor del oxígeno. Aunque la oxidación del hierro progresa muy lentamente en un ambiente seco, la adición de agua aumenta enormemente la velocidad de la reacción. 22
La oxidación es importante en la descomposición de minerales ferromagnesianos como el olivino, el piroxeno y la hornblenda. El oxígeno se combina fácilmente con el hierro en esos minerales para formar el óxido férrico de color marrón rojizo denominado hematita (Fe 2O3), o en algunos casos de color amarillento denominado limonita FeO(OH). Estos productos son responsables del color herrumbroso que aparece en las superficies de las rocas ígneas oscuras, como el basalto, cuando empiezan a experimentar meteorización. Sin embargo, la oxidación sólo puede ocurrir después de que el hierro es liberado de la estructura del silicato por otro proceso denominado hidrólisis.
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Otra reacción de oxidación importante se produce cuando se descomponen los sulfuros, como la pirita. Los sulfuros son constituyentes importantes en muchas menas metálicas. En un ambiente húmedo, la meteorización química de la pirita (FeS 2) produce ácido sulfúrico (H 2SO4) y oxi-hidróxido de hierro FeO(OH).
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El grupo mineral más común, el de los silicatos, se descompone sobre todo mediante el proceso de hidrólisis, que consiste en la reacción de cualquier sustancia con el agua. LA hidrólisis de un mineral podría tener lugar en agua pura conforme algunas de las moléculas de agua se disocian para formar los iones muy reactivos hidrógeno (H+) e hidroxilo (OH-). Son los iones de hidrógeno los que atacan y sustituyen a otros iones positivos encontrados en el retículo cristalino. Con la introducción de los iones hidrógeno en la estructura cristalina, se destruye la disposición ordenada original de los átomos y se descompone el mineral. En la naturaleza, el agua contiene normalmente otras sustancias que contribuyen con iones hidrógeno adicionales, acelerando de esta manera en gran medida la hidrólisis. La más común de esas sustancias es el dióxido de carbono CO2, que se disuelve en agua para formar ácido25
Para ilustrar como experimenta hidrólisis una roca en presencia de ácido carbónico, examinemos la meteorización química del granito.
HIDRÓLISIS
2KAlSi 3O8 + 2H+ + 2HCO 3- + H20 (ORTOSA – FEL)
ION HID.
ION BICAR
AGUA
Al2Si2O5(OH)4 + 2K+ + 2HCO 3- + 4SiO2 ARCILLA (CAOLINITA)
ION K
ION BICAR.
SILICE
En esta reacción, los iones hidrógeno (H +) atacan y sustituyen a los iones potasio (K+) en la estructura del feldespato, alterando así la red cristalina. Una vez retirado, el potasio está disponible como nutriente para las plantas o se convierte en sal soluble bicarbonato potásico (KHCO 3), que puede incorporarse en otros minerales o ser transportado al océano.
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El producto más abundante de la descomposición química del feldespato potásico es un mineral de la arcilla, la caolinita. Los minerales de la arcilla son los productos finales de la meteorización y son muy estables a las condiciones que predominan en la superficie.
Por consiguiente, los minerales de la arcilla constituyen un porcentaje elevado del material inorgánico de los suelos. Además, la roca sedimentaria más abundante, la lutita, contienen una elevada proporción de minerales de la arcilla.
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Productos de la meteorización
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Cuando el agua corriente, ataca a los fragmentos tienden a adoptar una forma esférica. El redondeado gradual de las esquinas y los bordes de los bloques angulares se ilustra en la figura. Las esquinas son atacadas con más facilidad debido a su mayor área de superficie con respecto a su volumen, en comparación con los bordes y las caras. Este proceso, se denomina esto meteorización esferoidal, proporciona a la roca meteorizada una forma más redondeada o esférica. 29
Existen varios factores que influyen en el tipo y la velocidad de meteorización de la roca. -Características de la roca Entre ellos la composición mineral y la solubilidad. Además pueden ser importantes todas las características físicas, como las diaclasas, porque influyen en la capacidad del agua para penetrar en la roca.
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La estructura cristalina de los silicatos: el enlace Si-O es fuerte , y el cuarzo está formado enteramente por estos enlaces; por el contrario el olivino, contienen otros elementos y por ello muchos menos enlaces si-O 31
-El Clima Los factores climáticos, en particular la temperatura y la humedad, son cruciales para la meteorización de la roca (congelación-deshielo). El clima óptimo para facilitar la meteorización química es el cálido y húmedo a la vez. Las erupciones volcánicas y la actividad industrial incrementan SO2 en la atmósfera, que por reacciones fotoquímicas en presencia de agua se convierte en ácido sulfúrico, lo cual acelera la intemperización química.
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-Meteorización diferencial Cuando las masas rocosas no se meteorizan de una manera uniforme. La masa ígnea duradera permanece encima del terreno circundante como un muro.
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El suelo cubre la mayor parte de la superficie terrestre. Junto con el aire y el agua, es uno de nuestros recursos más indispensables. Con pocas excepciones, la superficie de la Tierra está cubierta por el regolito, la capa de roca y fragmentos minerales producidos por meteorización. Pero el suelo es más que la acumulación de restos meteorizados. El suelo es una combinación de materia mineral y orgánica, agua y aire. Aunque las proporciones de los principales componentes que hay en el suelo varían, siempre están presentes los mismos cuatro componentes.
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El suelo es el producto de la interacción compleja de varios factores, entre ellos l roca madre, el tiempo, el clima, las plantas y los animales, y la topografía. Aunque todos estos factores son interdependientes, examinaremos sus papeles por separado.
Roca Madre Es la fuente de la materia mineral meteorizada a partir de la cual se desarrolla el suelo, y es el factor fundamental que influye en la formación del nuevo suelo. La roca madre puede ser o bien la roca subyacente o una capa de depósitos no consolidados. 41
Roca Madre Cuando la roca madre es el substrato rocoso, los suelos se denominan suelos residuales. Por el contrario, los que se desarrollan sobre sedimentos no consolidado se denomina suelos transportados. Los suelos transportados se forman en el lugar en el cual la gravedad, el agua, el viento o el hielo depositan los materiales progenitores que han sido transportados desde cualquier otro lugar. Naturaleza de la roca Madre El tipo de roca madre afectará a la velocidad de meteorización y, por tanto a la formación del suelo. 42
Tiempo El tiempo es un componente importante de todos los procesos geológicos, y la formación del suelo no es una excepción. La naturaleza del suelo se ve influida por la duración de los procesos que han estado actuando. Si se ha producido meteorización durante un tiempo relativamente corto, el carácter de la roca madre determina en gran medida las características del suelo. No puede enumerarse la magnitud de tiempo necesaria para que evolucionen los diversos suelos, porque los procesos de formación del suelo actúan a velocidades variables bajo circunstancias diferentes.
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Clima
Plantas y Animales
Se considera el factor más influyente en la formación del suelo. La temperatura y las precipitaciones son los elementos que ejercen el efecto más fuerte sobre la formación del suelo.
Los tipos y la abundancia de organismos presentes tienen una fuerte influencia sobre las propiedades físicas y químicas de un suelo.
Las variaciones de temperatura y precipitaciones determinan si predominará la meteorización química o la mecánica y también influyen en gran medida en la velocidad y profundidad de la meteorización, un clima cálido y húmedo puede producir una potente capa de suelo meteorizado químicamente en el mismo tiempo que un clima frío y seco produce un fino manto de derrubios físicamente meteorizados.
Las plantas y los animales proporcionan materia orgánica al suelo. Ciertos suelos cenagosos están compuestos casi por completo de materia orgánica. Mientras que los suelos de desierto pueden contener cantidades de tan solo uno por ciento.. Aunque la cantidad de la materia orgánica varía sustancialmente de unos suelos a otros, es raro el suelo que carece completamente de ella. La fuente principal de materia orgánica del suelo es la vegetal, aunque también contribuyen los animales y un número 44
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Topografía Las variaciones de la topografía pueden inducir el desarrollo de una variedad localizada de tipos de suelo.
El terreno óptimo para el desarrollo de un suelo es una superficie plana o ligeramente ondulada en tierras altas. Aquí encontramos buen drenaje, erosión mínima e infiltración suficiente del agua en el suelo.
En pendientes empinadas, los suelos suelen desarrollarse poco. En dichas situaciones, la cantidad de agua que empapa el suelo es poca, como consecuencia, el contenido de humedad del suelo puede no ser suficiente para el crecimiento vigoroso de las plantas. Además, debido a la erosión acelerada en las pendientes empinadas, los suelos son delgados, o en algunos casos, inexistentes. En pendientes suaves, los suelos suelen ser gruesos y oscuros. El color oscuro se debe a la gran cantidad de materia orgánica que acumula, ya que las condiciones saturadas retrasan la descomposición vegetal. 46
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El proceso de formación del suelo actúa desde la superficie hacia abajo, las variaciones de composición, textura, estructura y color evolucionan de manera gradual a las diversas profundidades. Estas diferencias verticales, que normalmente van siendo mas pronunciadas conforme pasa el tiempo, dividen el suelo en zonas o capas conocidas como horizontes. Una sección vertical de este tipo a través de todos los horizontes del suelo constituyen el perfil del suelo. Desde la superficie hacia abajo, se designan como O, A, E, B Y C. estos cinco horizontes son comunes en los suelos de las regiones templadas. Las características y la extensión del desarrollo de los horizontes varían de unos ambientes a otros. Por tanto, localidades diferentes exhiben perfiles de suelo que pueden contrastar en gran medida unos con otros.
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O: Orgánico, parcialmente descompuesta y suelta, saturado de agua o no. A: Material Mineral, mezclado con algo de humus hasta el 30% en algunos casos. Sin estructura de roca. E: Partículas minerales de colores claros. Zona de eluviación (lavado de los componentes finos del suelo) y lixiviación (agua que percola hacia abajo disuelve componentes inorgánicos solubles del suelo y los transporta a zonas más profundas. Este empobrecimiento de material soluble se denomina lixiviación. B: Zona de acumulación, como arcilla, transportada desde arriba, pérdida de CO3, signos de alteración, concentración R 2O3, estructura de suelo. C: Roca madre parcialmente alterada, consistencia terrosa. R: Roca consolidada. 49
b: horizonte genético enterrado c: nódulos o concreciones g : gleización fuerte (Fe++) h: material orgánico eluvial k: acumulación de CaCO3 n: acumulación de sodio o: R 2O3 residuales p: perturbación r: substrato rocoso blando s: R 2O3 y humus eluviales ss: caras de deslizamiento t: acumulación de arcilla w: desarrollo de color o estructura 50
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Suelo con horizonte B sódico de acumulación de arcilla y estructura columnar
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Límite de horizontes neto e irregular
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Suelo muy ácido y arenoso.
Suelo muy fértil y productivo de pastizales 57 subhúmedos.
Espesor (cm) – Transición (nitidez y forma) Color Textura (proporciones de arena, limo y arcilla). Estructura (forma, tamaño y grado) Consistencia (suelo seco, húmedo y mojado) Poros (visibles: forma tamaño, frecuencia) Raíces (frecuencia, tamaño) Revestimientos (naturaleza, frecuencia, color) Minerales (granos visibles) Reacción al HCl (existencia de carbonatos) y pH Otros rasgos destacables.
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Desde el punto de vista de la ingeniería geológica, el suelo se define como un agregado de minerales unidos por fuerzas débiles de contacto, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en agua. La respuesta del suelo, a nivel práctico, frente a las acciones que introducen las obras de ingeniería, supone un movimiento de esas partículas a través de deslizamientos y giros entre ellas y depende de:
La proporción de materia sólida que exista en un volumen unitario de suelo de referencia. El tamaño y distribución de las partículas (que facilitan o dificulta el movimiento de los granos entre sí). El volumen relativo de huecos (a medida que este aumenta, el suelo es más deformable) El tamaño medio de los huecos. •
•
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•
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Todo ello hace que en los suelos haya que analizar: -Los
problemas de deformabilidad que introducen las cargas y acciones exteriores (las cuales se traducen en tensiones normales y tangenciales sobre los contactos entre las partículas, lo que las hace tender a moverse y cambiar el volumen aparente que ocupan). Esta deformabilidad puede llegar a una situación extrema (rotura) en que el cambio de volumen aparente aumenta de forma extraordinaria al cambiar muy poco las cargas exteriores, quedando la resistencia definida por una gran deformabilidad y no por rotura de partículas.
-Los problemas de flujo del agua en el interior del suelo, que condicionan su respuesta, ya que las deformaciones inducidas por las cargas necesitan un tiempo para producirse (el de expulsión o absorción de agua). Este proceso, necesario para estabilizar las acciones exteriores, se denomina consolidación.
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Para estudiar un material complejo como el suelo (con diferente tamaño de partículas y composición química) es necesario seguir una metodología con definiciones y sistemas de evaluación de propiedades, de forma que se constituya un lenguaje fácilmente comprensible por los técnicos de diferentes especialidades. Así se han clasificado los suelos en cuatro grandes grupos en función de su granulometría (normas D.I.N., A.S.T.M., A.E.N.O.R., etc).
-Gravas: tamaño de grano entre unos 8-10 cm y 2mm; se caracteriza porque los granos son observables directamente. No retienen el agua, por la inactividad de su superficie y los grandes huecos existentes entre partículas. - Arenas: partículas comprendidas entre 2 y 0.060 mm, todavía son observables a simple vista. Cuando se mezclan con el agua no se forman agregados contínuos, sino que se separan de ella con facilidad. -Limos: con partículas comprendidas entre 0.060mm y 0.002 mm . Retienen el agua mejor que los tamaños superiores. Si se forma una pasta agua-limo y se coloca sobre la mano se ve como el agua se exhuda con facilidad. - Arcillas: tamaño de partículas inferiores a los limos (0.002 mm). Se trata de partículas tamaño gel y se necesita que haya habido transformaciones químicas para llegar a estos tamaños. Están formados principalemte por minerales silicatados, unidas por enlaces covalentes débiles, pudiendo entrar las moléculas de agua entre las cadenas produciendo 62 a
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Para una mejor definición de la granulometría de un suelo se utilizan dos coeficientes: -El de
-El contenido de finos, llamando así al porcentaje de suelo que pasa por el tamiz nº 200 de la serie A.S.T.M. (0.075 mm) este porcentaje indica la proporción de arcilla y limo que contiene el suelo, y está relacionado con la posibilidad de retención de agua. Cuanto mayor sea el conteido de finos, mayor será la dificultad de expulsión de agua bajo esfuerzos.
uniformidad, Cu, que es la
relación entre el diámetro correspondiente al tamiz por el que pasa un 60% del material y el diámetro correspondiente al tamiz por el que pasa el 10%. Si Cu es menor de 5 el suelo tiene una granulometría uniforme; si Cu varía entre 5 y 20 es poco uniforme, y si Cu>20 es un suelo bien graduado. Cuanto más uniforme es el tamaño de sus huecos menores densidades alcanzará, más fácilmente será erosionado.
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-El contenido de finos, llamando así al porcentaje de suelo que pasa por el tamiz nº 200 de la serie A.S.T.M. (0.075 mm) este porcentaje indica la proporción de arcilla y limo que contiene el suelo, y está relacionado con la posibilidad de retención de agua. Cuanto mayor sea el conteido de finos, mayor será la dificultad de expulsión de agua bajo esfuerzos.
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La estructura primaria en su estado natural, es la disposición y estado de agregación de los granos, lo que depende del ambiente de meteorización en los suelos residuales, o del ambiente de deposición en los suelos transportados.
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La granulometría proporciona una primera aproximación a la identificación del suelo, pero a veces queda poco claro (arena limo-arcillosa, por ejemplo), por lo que se utilizan unos índices, derivados de la agronomía, que definen la consistencia del suelo en función del contenido de agua. Atterberg definió tres límites: de retracción o consistencia que separa el estado de sólido seco y el semisólido, el límite plástico, W P, que separa el estado semisólido, del plástico y el límite líquido, W L, que separa el estado plástico del semilíquido; estos dos últimos límites (los más usados en la práctica) se determinan con la fracción de suelo que pasa por el tamiz nº 40 A.S.T.M. (0.1 mm). El límite Plástico se determina amasando suelo seco con poco agua y formando elipsoides, arrollándolos con la palma de la mano sobre una superficie lisa, hasta llegar a un diámetro de unos 3mm y una longitud de 25-30 mm. Si en momento, los elipsoides se cuartean en fracciones de unos 6 mm, su humedad es la del límite plástico (que se determina secando en estufa varios elipsoides en análogas condiciones). Si no se cuartean se vuelven a formar elipsoides para que pierdan humedad y lleguen a cuartearse.
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El límite líquido se determina usando bien el suelo seco (previamente disgregado con maza) con bastante agua y extendiendo la masa sobre un molde denominado Cuchara de Casagrande. Se pesan unos 100 gramos de suelo que pasa por el tamiz #40, esta muestra puede ser curada 24 o 8 horas antes del ensayo. En caso contrario se mezcla con aproximadamente 25% de agua, removiendo y amasando continuamente con la ayuda de una espátula, hasta obtener una pasta. -Se coloca la pasta suelo en la cazuela, y se divide en dos partes con el ranurador. - Una vez cortada la muestra, se procede a hacer girar la manivela, hasta que la ranura se cierre 12.7 mm, contando a la vez el número de golpes hasta producirse dicho cierre. -De ésta pasta, se toma una pequeña muestra para determinar el contenido de humedad. Este
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Determinados W L y W P se puede obtener un punto representativo de cada muestra de suelo en la carta de plasticidad de Casagrande, representando la relación del límite líquido, W L, con el índice de plasticidad, IP (IP = W L -W L representa el intervalo de humedades para pasar del estado semisólido al semilíquido). A partir de diversos estudios prácticos, Casagrande definió que los suelos con W L > 50 son de “alta plasticidad” (admiten mucha agua, pueden experimentar deformaciones plásticas grandes, etc,) por debajo de este valor los suelos se consideran de “baja plasticidad”. También definió una línea “A” que resulta paralela a la dirección con que, en esa carta, se ordenan las muestras de un mismo terreno. Utilizando la línea A y el criterio de baja y alta plasticidad, en la carta de Casagrande se definen varias zonas, representadas en la figura; según los estudios del citado autor los suelos limosos y con apreciable contenido orgánico tienen un intervalo de humedad menor para pasar del estado semisólido a semilíquido,
Mientras que las arcillas están por encima de la línea A. se definen así, varios tipos de suelos: arcillas de baja plasticidad (CL), arcillas de alta plasticidad (CH), limos y suelos orgánicos de baja plasticidad (ML-OL) y limos y suelos orgánicos de alta plasticidad (MH-OH) 69
Clasificación del suelo por su tamaño
Clasificación plasticidad
del
suelo
por
su
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Sistema unificado de clasificación
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Sistema unificado de clasificación
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Sistema unificado de clasificación
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Los suelos están formados por partículas sólidas, fluidos, gases y espacios vacios, clasificándose en función del tamaño de las partículas: -Suelos de grano grueso o granulares (con tamaño de grano predominante superior a 0.075 mm), formados principalmente por cuarzo, feldespato y calcita; además de sulfatos, sales y vidrios volcánicos con menos frecuencia. -Suelos de grano fino o suelos finos (con un porcentaje superior al 50% de tamaño igual o inferior a 0.075 mm), formados principalmente por limos y minerales de arcilla, como caolinitas, ilitas, esmectitas y materia orgánica, entre otros. Ambos tipos de suelo se diferencia por su granulometría. Las partículas de los suelos granulares suelen comportarse de forma estable y resistente, mientras que los suelos finos forman
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Los suelos granulares no son plásticos y la resistencia depende básicamente del ángulo de rozamiento interno, que a su vez está condicionado por la forma, tamaño y grado de empaquetamiento de las partículas sólidas, considerándose a estos suelos como friccionales. Los suelos finos son plásticos, y la resistencia depende tanto del rozamiento interno entre las partículas sólidas, como de las fuerzas de cohesión existentes entre las mismas, por lo que también se les denomina suelos cohesivos. Otras propiedades como la densidad, porosidad, cambios de volumen, compresibilidad, etc, dependen igualmente de los factores geológicos que se muestran:
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Las arcillas son materiales geotécnicamente problemáticos al depender su comportamiento de la composición mineralógica y de las condiciones geoquímicas y ambientales del medio. Estos factores con frecuencia sufren alteraciones, por ejemplo si se modifica la composición química de las aguas pueden tener lugar reacciones dentro de la estructura mineral y cambios en las propiedades geotécnicas de los suelos. La composición mineralógica de las arcillas es el factor que mayor influencia ejerce sobre las propiedades geotécnicas, como la plasticidad, resistencia, compresibilidad, cambio de volumen, etc. La cantidad de agua adsorbida por los minerales de la arcilla depende de la capacidad de cambio catiónico y de la superficie específica. Las plasticidades más bajas corresponden a las caolinitas y las más altas a las esmectitas, siendo las
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Los suelos, en general, pueden incluirse en uno de los siguientes grupos: -Los que forman parte del medio natural sometido a la acción antrópica, respondiendo a los problemas generales que esta acción plantea: excavaciones a cielo abierto, túneles, construcción de cimentaciones, etc, constituyendo los problemas habituales en ingeniería geológica. -Los que plantean problemas especiales debido a su propia condición y a la acción de la naturaleza, sin intervención humana. Estos problemas pueden afectar a la actividad ingeneiril de por si, o bien porque la acción antrópica acentúe los problemas naturales existentes. Entre ellos tenemos el flujo de suelos arcillosos en casos de lluvias intensas, cuando se sitúan en pendientes inadecuadas, dando lugar a avalanchas de barro o tierra, o licuefacción (anulación de las tensiones efectivas)
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Los problemas generales mas habituales que pueden plantear los suelos en ingeniería geológica suelen ser los siguientes: -Capacidad portante o resistencia, en cuanto que el terreno ha de ser capaz de soportar los incrementos (positivos o negativos) de tensiones que inducen en ellos las obras de ingeniería, sin alcanzar los niveles límites de seguridad previamente establecidos: como se muestra en la figura. -La deformabilidad, la estructura a cimentar ha de ser capaz de experimentar los movimientos de la cimentación sin repercusiones especiales. Esos movimientos son la consecuencia de las deformaciones inducidas en el terreno
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-Perennidad a lo largo del tiempo, en cuanto que las condiciones de resistencia y de deformabilidad deben permanecer invariables a lo largo del tiempo o al, menos, no disminuir por debajo de los valores admisibles establecidos. Por ejemplo, una excavación próxima a una cimentación preexistente no solo puede producir nuevos movimientos, sino también variar la capacidad portante de los cimientos antiguos.
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Los problemas considerados como especiales se pueden poner de manifiesto por la propia naturaleza, o bien a causa del hombre, que con sus obras puede interferir en el equilibrio natural y alterarlo. Estos suelos son: -Las arcillas expansivas. -Los suelos dispersivos. -Los suelos salinos y agresivos. -Los suelos colapsables. -El permafrost. -Los fangos y suelos muy blandos y sensitivos -Los suelos licuefactables
Las arcillas expansivas. Son suelos arcillosos predominando partículas de tamaño inferior a 2 micras cuya estructura mineralógica y fábrica les permite absorber agua con un cambio de volumen importante. La capacidad de cambio de volumen de estos materiales viene condicionada por el contenido de arcilla y su mineralogía, su estructura y fábrica. La expansividad es el aumento de volumen por absorción de agua y retracción la disminución de volumen por eliminación del agua. El cambio de volumen (expansividad y retracción)está condicionado por los siguientes factores: las variaciones climáticas, la vegetación, los cambios hidrológicos. 80
Suelos Dispersivos Son aquellos cuya constitución mineralógica y fábrica es tal, que las fuerzas repulsivas entre las partículas finas (arcillas) exceden a las fuerzas de atracción de esas partículas. Debido a ello, en presencia de agua, los suelos floculan, es decir, se separan los agregados de partículas y quedan partículas de menor tamaño que son más fácilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, produciéndose la erosión interna de estos suelos. El riesgo de dispersión, puede darse en terraplenes y presas
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Suelos salinos y agresivos Suelen contener más del 15% de su capacidad iónica de cambio saturada de iones de sodio, además de contener cantidades apreciables de sales solubles. Su pH en solución saturada es del orden de 8.5 o menor. Los suelos salinos asociados a altos grados de evaporación y por lo tanto concentración de sales puede dar también características de expansión, pero pequeños cambios en la constitución salina puede cambiar el riesgo de expansividad al riesgo de colapso, en función de la
Muchos de estos suelos salinos son agresivos al hormigón de las cimentaciones, sobre todo si hay agua de circulación en el subsuelo, que se lleva el producto del ataque del suelo al cimiento. Se considera que por debajo de un 0.02% de sulfatos (medido en contenido de SO 3) no existen problemas de este tipo.
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Suelos colapsables Estos suelos, caracterizados por tener una estructura muy abierta y floja, mantienen su estabilidad por el estado de sequedad de la atmósfera. Inicialmente, al ser depositados por vía acuosa o eólica, lo que ayuda a formar dicha estructura no tienen ninguna cohesión, pero acaban cementándose ligeramente por cristales de sulfatos o rellenándose sus huecos con partículas más finas, lo que les da, en seco una resistencia apreciable. El suelo seco presenta una cohesión aparente a corto plazo. Pero bajo la acción del agua, se producen disoluciones en los sulfatos, con grandes reducciones de volumen y arrastre de las partículas pasando de su bajo p.e de (10 a 13 kN/m3) a estados en que se produce una disminución de volumen de hasta el 10%.
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La acción del hielo y el “permafrost” La penetración de la helada en el suelo va acompañada de diversos fenómenos físicos, entre los que destaca el aumento de volumen del agua del suelo al congelarse, que puede destruir la estructura del suelo o de la roca. Se considera que a medida que aumenta la proporción de suelo con una granulometría por debajo de 0.02 mm, lo hace susceptible a la acción del hielo. Hay suelos permanentemente congelados (permafrost) que alcanzan grandes profundidades. Por debajo de la superficie, generalmente muy dura, el suelo puede tener una estructura floja, ya que el agua congelada, al aumentar de volumen, destruye la unión y cementación entre partículas.
Mientras exista el hielo, el conjunto es resistente; pero si por algún motivo sube la temperatura en el terreno (por ejemplo, al construir un edificio con calefacción) se licúa el hielo de los poros y el terreno, flojo, se convierte en un barro poco resistente, con los consiguientes problemas de apoyo para el edificio (lo que en estas zonas lleva a cimentar sobre pilotes profundos).
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Fangos blandos y sensitivos Las desembocaduras de los ríos y algunas zonas costeras con rocas blandas están cubiertas por depósitos finos (limosos y arcillosos), saturados y muy blandos, que suelen contener materia orgánica (4-5%), se denominan como fangos. En estos materiales el contenido de agua es muy elevado (> 60%) y la estructura es muy floja.
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Suelos licuefactables Se denominan así aquellos suelos que con un contenido predominante areno-limoso, en estado saturado, al experimentar esfuerzos cortantes anómalos y rápidos, permiten un aumento de las presiones intersticiales (por falta de drenaje), hasta valores del orden de la presión total existente. En este caso la presión efectiva se anula, con lo que los granos dejan de estar en contacto, la resistencia al corte desaparece y el material se comporta como un líquido, dando lugar a movimientos verticales y horizontales de su masa, que se traducen en deslizamientos. 87
