Propiedades índice de los suelos: clasificación, origen, meteorización y fases del suelo en geología e ingeniería

Propiedades índice de los suelos

Explique a qué se refieren las propiedades índice de los suelos:
Las propiedades índice de los suelos tratan de estudiar métodos para la diferenciación de los distintos tipos de suelos de una misma categoría, en base a ensayos denominados ensayos de clasificación. Es decir, las propiedades índice son las características particulares de cada suelo de una misma categoría. Estas características son la granulometría, consistencia, cohesión y estructura, que son las que determinan cuán bueno o malo es un suelo para su uso en la construcción de las obras civiles. Estas propiedades índice de los suelos se dividen en dos:

• Propiedades de los granos de suelos: se relacionan directamente con la forma y el tamaño de las partículas que constituyen el suelo.
• Propiedades de los agregados de los suelos: para los suelos no cohesivos, la densidad relativa; y para los suelos cohesivos, la consistencia natural a través de la consolidación.

Conceptos fundamentales

a) Mineral

Un mineral puede definirse como una sustancia inorgánica natural que tiene una composición química en particular, o una variación de su composición, y una estructura atómica regular que guarda íntima relación con su forma cristalina. Los minerales son los principales constituyentes sólidos de todas las rocas, que dan a las rocas características físicas, ópticas y químicas como el color, lustre, forma, dureza y otras. Generalmente, los minerales dominantes de los suelos son el cuarzo y los feldespatos.

b) Suelo

Para propósitos ingenieriles, se define suelo como un agregado no cementado formado por partículas minerales y materia orgánica en descomposición (partículas sólidas).

c) Roca

La roca puede definirse como un agregado natural sólido con contenido mineral, que tiene propiedades físicas y químicas. Las rocas son materiales cementados, usualmente tienen muy baja porosidad, pueden encontrarse en procesos de descomposición con sus propiedades físicas y químicas alteradas, presentan discontinuidades y su comportamiento es complejo cuando se someten a esfuerzos.

d) ¿Qué es la mecánica de suelos?

La mecánica de suelos es la rama de la ciencia que estudia las propiedades físicas del suelo y el comportamiento de las masas de suelo sometidas a varios tipos de fuerzas. Las propiedades que se estudian son: origen, distribución de tamaño de partículas, entre otras.

e) Ingeniería de suelos

Se considera la aplicación de los principios de la mecánica de suelos a problemas prácticos en la ingeniería, donde la experiencia y el conocimiento adquirido se complementan (Das, 1998).

f) Ingeniería geotécnica

La ingeniería geotécnica se define como una subdisciplina de la ingeniería civil que involucra materiales encontrados cerca de la superficie de la Tierra, como la roca, el suelo y el agua subterránea, encontrando relaciones para el diseño, construcción y operación de proyectos de ingeniería. Es altamente empírica e incluye la aplicación de los principios de la mecánica de suelos y la mecánica de rocas para el diseño de fundaciones, estructuras de retención y estructuras terrestres (Das, 1998).

Origen del suelo

Explique el origen del suelo.

El suelo es producto de la meteorización de las rocas, es decir, la desintegración de estas en pedazos de minerales cada vez más pequeños que, en contacto con el medio (agua, aire), se unen formando el suelo. La meteorización y otros procesos geológicos actúan sobre las rocas que se encuentran cerca de la superficie terrestre, transformándolas en materia no consolidada, comúnmente llamada suelo. En la pregunta cinco se explicará con más detalle el concepto de la meteorización y las partes en que se divide.

Ciclo de la roca

Explique el ciclo de la roca.

Se llama ciclo de la roca a un proceso geológico extremadamente lento que da lugar al origen de tres categorías diferentes de rocas: rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.

• Rocas ígneas: se forman por la solidificación del magma derretido, expulsado de las profundidades de la Tierra.
• Rocas sedimentarias: se forman por la compactación de minerales sueltos como gravas, arenas, limos y arcillas mediante sobrecargas, que posteriormente son cementados por agentes como el óxido de hierro, la calcita, la dolomita y el cuarzo. Los agentes cementantes son llevados generalmente por las aguas subterráneas que llenan los espacios vacíos entre las partículas.
• Rocas metamórficas: se forman por procesos metamórficos, es decir, por cambios en la composición y textura de las rocas, sin fundirse, por presión o calor.

Meteorización

Explique con claridad qué es la meteorización y en cuántas partes se divide.

Es el proceso de desintegración de rocas en pedazos más pequeños mediante procesos mecánicos y químicos. Debido a esto, la meteorización se divide en dos partes según el proceso: ¿qué son la meteorización mecánica y la meteorización química?

Meteorización mecánica

Puede ser causada por la expansión y contracción de las rocas debido a la continua pérdida y ganancia de calor, lo que produce que el agua que se escurre entre los espacios vacíos se congele y, por lo tanto, se expanda, dando como resultado un aumento de presión muy grande que finalmente desintegra la roca sin cambiar su composición química. Dentro de la meteorización mecánica se pueden mencionar: descarga mecánica, carga mecánica, expansión y contracción térmica, acumulación de sales incluyendo la acción congelante, desprendimiento coloidal, actividad orgánica y carga neumática.

Meteorización química

Se produce porque los minerales de la roca original son transformados en nuevos minerales debido a reacciones químicas. Dentro de la meteorización química se pueden mencionar: hidrólisis, carbonización, solución, oxidación, reducción, hidratación, lixiviación y cambio de cationes.

Meteorización biológica

Se produce por la acción de organismos vivos sobre las rocas.

Depósitos formados por el transporte de la meteorización de las rocas

Explique brevemente cada uno de los depósitos formados por el transporte de la meteorización de las rocas.

Los suelos producto de la meteorización pueden permanecer en el lugar de origen o pueden ser movidos a otros lugares por la acción del hielo, el agua, el viento y la gravedad. La forma de clasificación de los suelos producto de la meteorización depende de la forma de transporte y depositación.

• Suelos glaciares: formados por el transporte y deposición de los glaciares.
• Suelos aluviales: transportados por las corrientes de agua y depositados a lo largo de la corriente.
• Suelos lacustres: formados por la deposición en lagunas en reposo.
• Suelos marinos: formados por la deposición en mares.
• Suelos eólicos: transportados y depositados por el viento.
• Suelos coluviales: formados por el movimiento de los suelos de su lugar de origen por efecto de la gravedad, como los deslizamientos de tierra.
• Suelos residuales: formados producto de la meteorización que permanecen en su mismo lugar de origen. A diferencia de los suelos producto del transporte y deposición, estos están relacionados con los materiales del lugar, el clima y la topografía. Se caracterizan por presentar una gradación del tamaño de partículas, aumentando su tamaño con el incremento de la profundidad.

Fases del suelo

Explique clara y detalladamente cada una de las fases que componen el suelo y dibuje un esquema de las fases del suelo para su mejor entendimiento.

• Fase sólida: siempre está presente en el suelo y usualmente está constituida por partículas derivadas de rocas, como la arena, la grava, el limo y la arcilla, e incluso materia orgánica.
• Fase líquida: se ubica en los espacios vacíos entre partículas y consiste casi siempre de agua, y en casos particulares de otros líquidos. Para el estudio de las fases del suelo se asumirá agua en todos los casos por ser un elemento común.
• Fase gaseosa: si el líquido no llena completamente los espacios vacíos, estos espacios restantes son ocupados por la fase gaseosa, generalmente aire, aunque puede ser otro tipo de gas. Sin embargo, se asumirá aire para todos los casos.

Curva de distribución de tamaño de partículas

Explique en qué consiste la curva de distribución de tamaño de partículas.

La curva de distribución de tamaño de partículas nos permite determinar el porcentaje de grava, arena, limo y partículas de arcilla presentes en un suelo, pero no solo muestra el rango del tamaño de partículas, sino también el tipo de distribución de varios tamaños de partículas. La forma de la curva también puede ayudar a determinar el origen geológico de un suelo, y puede utilizarse para determinar algunos parámetros del suelo, como el diámetro efectivo, el coeficiente de uniformidad, el coeficiente de gradación y el coeficiente de clasificación.

Estados de consistencia del suelo

• Estado sólido: el suelo es rígido y mantiene su forma original; presenta una consistencia sólida, con muy poca humedad, aunque podría tener poca o escasa humedad.
• Estado semisólido: comienza a presentar pequeñas deformaciones; aquí ya adquiere humedad, con la diferencia de que adquiere poca cantidad de humedad.
• Estado plástico: el suelo puede moldearse sin romperse.
• Estado líquido: el suelo pierde su forma y fluye como un líquido. Es el contenido de agua en el que el suelo deja de comportarse como plástico y empieza a fluir como un líquido (se mide comúnmente con la Copa de Casagrande o el penetrómetro de cono).

Para identificar estos cambios se utilizan tres parámetros clave:

• Límite de Contracción (LC): indica el punto donde el suelo deja de reducir su volumen al perder humedad.
• Límite Líquido (LL): determina el contenido de humedad donde el suelo pasa de estado plástico a líquido.
• Límite Plástico (LP): representa el punto en el que el suelo cambia de semisólido a plástico.

Con estos valores se calcula el Índice de Plasticidad (IP): IP = LL − LP.