1.2.2 Perfil de meteorización El perfil de meteorización es la secuencia de zonas, con diferentes propiedades físicas, y se encuentran en el mismo lugar donde la roca madre fue alterada. Generalmente, los perfiles de los suelos residuales se componen de zonas de diferente grado de meteorización que van desde el suelo propiamente dicho hasta la roca sana. El perfil de meteorización es producción de la interacción de cinco factores modificadores, los cuales cambian horizontalmente, por lo cual el perfil de meteorización puede variar en distancias relativamente cortas. 1.2.2.1 Clasificaciones para el perfil de meteorización Toda clasificación es una herramienta potente, por su capacidad de transmitir ideas, y su objetivo es ofrecer una terminología no ambigua. Varios estudios fueron realizados teniendo como objetivo el entendimiento de los perfiles de meteorización de los suelos residuales (Véase Cuadro 1.2), los sistemas de clasificación presentan diferentes estados de meteorización y separan los perfiles en diferentes zonas, tratando de definir zonas homogéneas, aunque en realidad la variación es gradual con la profundidad. A continuación se presentan dos trabajos entre los varios existentes sobre perfiles de meteorización. 1.2.2.1.1 Deere y Patton (1971) Realizaron un extenso estudio sobre los perfiles de meteorización, propusieron tres zonas con subdivisiones, resultando en tres zonas de suelo y tres zonas de roca: Zona I; de suelo residual subdividido en: • Zona I-A; coluvión, generalmente con presencia de materia orgánica; • Zona I-B; suelo maduro, suelo está constituido por minerales secundarios y primarios que resistieron la meteorización, presenta gradación variable y no tiene ninguna herencia de su roca de origen, siendo su comportamiento similar al de un suelo sedimentario. Se trata principalmente de un suelo homogéneo con estructura porosa; Zona I-C; suelo de alteración de roca (saprolito), el suelo está constituido por minerales primarios y secundarios, que tiene estructuras heredadas de la roca original. Puede tener bloques rocosos intactos en su masa. Zona II; de roca alterada, subdividido en:
• Zona II-A; de transición entre el saprolito y la roca alterada, con características extremadamente heterogéneas, presenta variaciones sensibles en diversas propiedades físicas y mecánicas. • Zona II-B; de roca alterada, en donde la roca mantiene su estructura original, presentando alteraciones en las propiedades físico-químicas como coloración, permeabilidad y resistencia, presentando zonas descompuestas, especialmente junto a las discontinuidades. Zona III; de roca esencialmente sana, sectores del macizo donde aun no ha sido afectada por la meteorización. Los minerales no presentan signos de haber sufrido alteración. El mayor problema de separación de estos horizontes consiste en la subdivisión, que es arbitraria, depende mucho de la experiencia de cada investigador. El comportamiento de las zonas superficiales (zona I-A y zona I-B), debe ser tratado de acuerdo con los métodos convencionales de mecánica de suelos. La zona I-C, suelo saprolítico, tendrá el comportamiento predominante de un suelo, pero se debe tener en consideración las heterogeneidades y discontinuidades de las estructuras reliquiares. Finalmente la zona II, saprolito, su comportamiento debe ser analizado por la mecánica de rocas.
PERFIL DE METEORIZACIÓN DE DEERE Y PATTON
1.2.2.1.2 ISRM – International Society of Rock Mechanics (1981) A partir de 1981 parece existir una tendencia internacional de utilización de clasificaciones subdivididas en seis clases de meteorización, normalmente designadas de la siguiente forma: (VI) Suelo residual; la roca está totalmente descompuesta en suelo, y no existen vestigios de la estructura original. El material permanece in situ y existe significativo cambio de volumen aparente. (V) Roca completamente meteorizada; todo el material está descompuesto a suelo, la estructura original de la roca se mantiene intacta. (IV) Roca meteorizada; más de la mitad está descompuesto a suelo, aparece roca sana o ligeramente meteorizada de forma discontinua. (III) Roca moderadamente meteorizada; menos de la mitad del material está descompuesto, o transformado en suelo, aparece roca sana o ligeramente meteorizada de forma continua, o en zonas aisladas. (II) Roca ligeramente meteorizada; existen apenas marcas de meteorización a lo largo de las discontinuidades existentes en el macizo. La decoloración indica alteración del macizo, y de las discontinuidades. (I) Roca sana; la roca no presenta signos visibles de meteorización, pueden existir ligeras pérdidas de color, o pequeñas manchas de óxidos en las discontinuidades existentes. De esta clasificación, I y II corresponden a roca, V y VI corresponden a suelo, III y IV corresponde a material de meteorización intermedia denominado saprolitos. 1.2.2.2 Caracterización de las zonas del perfil de meteorización Son presentados criterios, cualitativos y cuantitativos que describen las zonas componentes del perfil de meteorización, con base en las características usualmente encontradas en la definición de los diversas zonas del perfil típico de meteorización, con base, principalmente, en las clasificaciones presentadas anteriormente y en otros trabajos . Suelo residual maduro - VI (Suelo residual); esta zona corresponde al horizonte B pedológico y corresponde al último estado de meteorización in situ de la roca madre, que debido a su avanzado estado de meteorización, no presenta vestigios de la estructura original; todo el material esta reducido a suelo. Suelo de alteración, saprolito o suelo residual joven - V (Roca completamente meteorizada); esta zona corresponde al horizonte C pedológico
y es fácilmente reconocido por evidenciar la estructura heredada de la roca de origen. Presentan un porcentaje de bloques de roca extremadamente alterados, que se disgregan fácilmente con la presión de los dedos. Este material es fácilmente muestreado y en general ser perfectamente caracterizado por los ensayos rutinarios de mecánica de suelos; aunque a veces existe una estructuración significativa en determinadas regiones del perfil. Esta zona tiene sus mecanismos de comportamiento más orientados hacia la Mecánica de Suelos. En su estado compactado, se presenta como excelente material de construcción de terraplenes. Saprolito fino – IV (Roca meteorizada); en esta zona se presentan bloques normalmente originados a partir del sistema de fracturamiento original del macizo. Tales bloques son de difícil disgregación con la presión de los dedos, pero sus bordes si se quiebran con facilidad cuando son sometidos a esfuerzos de flexión. Este material, debido a la presencia numerosa, de bloques alterados, o por la fuerte estructuración heredada de su roca de origen, no puede ser perfectamente caracterizado por los ensayos de mecánica de suelos convencional. Estos bloques presentan cierta resistencia a la desintegración cuando son inmersos en agua, pudiendo originar bloques menores que se mantienen inalterados. Por la manipulación forman fragmentos menores. Saprolito grueso – III (Roca moderadamente meteorizada); en comparación con la zona anterior tiene mayor presencia de bloques rocosos, sustancialmente más resistentes que los primeros; porque tienen menor grado de meteorización. La matriz de finos presentes, en general, es una fracción arenosa bien graduada, con eventual presencia de limos y ausencia de fracción arcillosa. En este material la matriz de finos no necesariamente envuelve totalmente los bloques meteorizados. Los bloques inmersos en agua permanecen generalmente inalterados. Los resultados de RQD se sitúan desde 0 a 50%. Los fragmentos son difícilmente quebrados manualmente. Cuando son compactados los saprolitos duros dan origen a un material bastante permeable. Roca dura, poco alterada – II (Roca ligeramente meteorizada); bajo el saprolito aparece la roca con un poco grado de meteorización, resumiéndose prácticamente a una meteorización a lo largo de las fracturas existentes en el macizo. Para su uso es necesario recurrir al uso de explosivos. Los resultados de RQD indican, normalmente una variación entre 50 a 75%. Los bordes de los fragmentos no son quebrados por la acción manual. Roca sana – I; parte final del perfil. Roca sana que prácticamente no presenta meteorización, estando totalmente preservada. Esporádicamente se pueden notar pequeñas alteraciones a lo largo de las mayores fracturas. RQD normalmente superior a 75%, valores medios del orden de 90%.
Cuadro 1.2.- Perfil de meteorización, según diferentes autores Vargas (1951) Sowers (1954, 1963) Chandler (1969) Deere y Patton (1971) International Society for Rock Mechanics ISRM (1981) Ígneas y areniscas Ígneas y metamórficas Margas y limolitas Ígneas y metamórficas Ígneas y metamórficas Suelo residual maduro Zona superior V Completamente alterada Horizonte IA (Suelos transportados) VI Suelo residual Parcialmente alterada IV Suelo Residual Horizonte IB (Suelo maduro) Suelo residual joven Zona intermedia III Horizonte IC (Saprolito) V Roca completamente meteorizada Capas de roca desintegrada Zona parcialmente alterada Zona de transición Horizonte IIA (Transición entre el saprolito y la roca alterada) IV Roca meteorizada II Horizonte IIB (Roca alterada) III Roca moderadamente meteorizada II Roca ligeramente meteorizada Roca sana Roca inalterada I
Roca inalterada Horizonte III (Roca sana) Roca sana
a) b) Figura 1.08. – Perfil de meteorización: a) roca metamórfica (gneis); b) rocas ígneas intrusivas (granito)
Figura 1.09. – Clasificación ISRM para el grado de meteorización 1.2.3 Grado de Meteorización Para cuantificar el avance de la meteorización puede realizarse utilizando los ensayos in-situ o en laboratorio. El uso de los ensayos in-situ se debe a que los suelos residuales son heterogéneos, estructurados y pueden contener partículas de gran tamaño con gravas y bloques; en laboratorio el grado de meteorización puede medirse de varias formas, varios tipos de índices han sido propuestos basados en propiedades físicas, químicas y mecánicas del material en estudio. A continuación se presentan algunos de estos índices: Color; el grado de cambio del color puede describirse en función del color original de la matriz rocosa, en su descripción se pueden usar los términos, muy decolorado, decoloración tenue, localmente decolorado, o penetrantemente decolorado. Estos términos no son cuantitativos, pero se pueden aplicar para describir el proceso de meteorización, su utilidad radica en tener la información sobre la extensión del cambio de color, y la penetración de este dentro de las discontinuidades, para determinar el avance de los procesos de meteorización. Índices físicos; basados en las propiedades índice de las rocas, que van cambiando conforme avanza la meteorización. Los más utilizados son el índice de alteración, índice ultrasónico, la porosidad, peso específico, dureza y resistencia de punta (arenosidad). Índices químicos; basados en relaciones molares, entre los diferentes elementos químicos presentes, que evolucionan con los procesos de meteorización. Podemos citar los índices molares como sílice/aluminio, sílice/oxido de hierro, e índices de meteorización basados en cantidades de sílice o alcalinos.
Índices petrográficos; formulados a partir de técnicas microscópicas, que permiten determinar la fábrica de la roca, los minerales primarios y los minerales secundarios presentes en las microfracturas. Índices mecánicos; basados en las propiedades mecánicas, para diferentes estados de meteorización, definiendo índices en función del modulo de elasticidad, resistencia a la compresión simple, y resistencia al corte. Estos índices pueden presentar resultados dispares dependiendo del tipo de roca analizada. Cuadro 1.3.- Medición del grado de meteorización, mediante el índice físico de arenosidad Grado de meteorización Términos de arenosidad Modo de reconocimiento Fresco Duro No se pueden cortar por un cuchillo, ni gravado por una puntilla. Moderado Arenoso Puede ser cortado por un cuchillo o gravado por una puntilla. Alto Deleznable Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos. Completo Blando Puede ser moldeado fácilmente con las manos.
1.3 COMPOSICIÓN DE LOS SUELOS RESIDUALES Los suelos residuales representan una gran familia, con un amplio árbol genealógico caracterizado por la variedad de composiciones y matices. Estos suelos heredan de la roca madre un “ADN” mineralógico. Con el avance de la meteorización las rocas se van alterando, de forma que su composición mineralógica y estructura sufren grandes transformaciones. Debido a la gran cantidad de rocas y las variadas condiciones ambientales producen un amplio espectro de suelos residuales. Sin embargo esta variedad de suelos tienen ciertas características básicas comunes que gobiernan su comportamiento frente a las solicitaciones, y constituyen parte de nuestro objeto de estudio. Estas características son determinadas por la mineralogía y la estructura, dos factores fundamentales para la comprensión de estos suelos. La mineralogía de los suelos residuales se deriva de los minerales que forman la roca de origen (primarios), que con la meteorización sufren diferentes descomposiciones y transformaciones para llegar a configuraciones más estables, denominados minerales secundarios. En estos suelos la presencia de
materiales cementantes y la resistencia de los granos son influenciadas directamente por las características mineralógicas. La estructura se refiere a la disposición física de los minerales en la masa de suelo. Esto incluye la distribución de los granos o fábrica, cementación, distribución y tamaño de poros, características heredadas como foliaciones, fisuras y superficies de falla. 1.3.1 Mineralogía de los suelos residuales La mineralogía de los suelos residuales se deriva de los minerales que forman la roca de origen (primarios), que con la meteorización sufren diferentes descomposiciones y transformaciones para llegar a configuraciones más estables, denominados minerales secundarios. En estos suelos la presencia de materiales cementantes y la resistencia de los granos son influenciadas directamente por las características mineralógicas. La evolución mineralógica de los minerales primarios puede ser descrita por los procesos de desintegración, descomposición, lixiviación y recementación, de intensidad variable según las condiciones locales del clima y el drenaje . Como se indica en las Figuras 1.10 y 1.11, la susceptibilidad de los minerales a la acción meteorizante está estrechamente ligada a la energía interna asociada a los mismos, o que deriva del proceso de cristalización sufrido. Bowen (1928) analizó estos procesos y propuso una serie de cristalización de los minerales, empezando por los que cristalizan a temperaturas más elevadas hasta los que cristalizan a temperaturas más bajas. Goldich (1938), elaboró la Serie de estabilidad mineral de Goldich, esta serie describe la susceptibilidad a la meteorización de diferentes minerales silicatados. El fundamento es que los minerales que se forman a elevada temperatura y presión son menos estables frente a los condicionantes de la meteorización. Por lo tanto, el orden de estabilidad es similar al de la Serie de Reacción de Bowen .
Figura 1.10. – Serie de Reacción de Bowen
