La física del suelo es el estudio de las propiedades y procesos físicos del suelo . Se aplica a la gestión y la predicción en ecosistemas naturales y gestionados . La física del suelo se ocupa de la dinámica de los componentes físicos del suelo y sus fases como sólidos , líquidos y gases . Se basa en los principios de física , química física , ingeniería y meteorología . La física del suelo aplica estos principios para abordar problemas prácticos de agricultura , ecología e ingeniería.
Físicos prominentes del suelo [ editar ]
- Edgar Buckingham (1867–1940)
- La teoría de la difusión de gases en el suelo y el flujo de agua de la zona vadosa en el suelo.
- Lorenzo A. Richards (1904–1993)
- Transporte general de agua en suelo no saturado, medición del potencial hídrico del suelo mediante tensiómetro .
- John R. Philip (1927–1999)
- Solución analítica para el transporte general de agua del suelo, Mecánica Ambiental.
La mecánica del suelo es una rama de la física del suelo y la mecánica aplicada que describe el comportamiento de los suelos . Se diferencia de la mecánica de fluidos y la mecánica de sólidos en el sentido de que los suelos consisten en una mezcla heterogénea de fluidos (generalmente aire y agua) y partículas (generalmente arcilla , limo , arena y grava ), pero el suelo también puede contener sólidos orgánicos y otra materia. [1] [2] [3] [4] Junto con la mecánica de rocas , la mecánica del suelo proporciona la base teórica para el análisis en ingeniería geotécnica , [5] una subdisciplina deingeniería civil y geología de ingeniería , una subdisciplina de geología . La mecánica del suelo se utiliza para analizar las deformaciones y el flujo de fluidos dentro de estructuras naturales y artificiales que se apoyan o están hechas de suelo, o estructuras que están enterradas en los suelos. [6] Ejemplos de aplicaciones son cimientos de edificios y puentes, muros de contención, presas y sistemas de tuberías enterradas. Los principios de la mecánica del suelo también se utilizan en disciplinas relacionadas, tales como ingeniería geológica, ingeniería geofísica , ingeniería costera , ingeniería agrícola , hidrología y física del suelo .
Este artículo describe la génesis y la composición del suelo, la distinción entre la presión del agua de los poros y el estrés efectivo intergranular , la acción capilar de los fluidos en los espacios de los poros del suelo , la clasificación del suelo , la filtración y la permeabilidad , el cambio de volumen dependiente del tiempo debido a la extracción del agua de pequeños espacios de poros, también conocidos como consolidación , resistencia al corte y rigidez de los suelos. La resistencia al corte de los suelos se deriva principalmente de la fricción entre las partículas y el enclavamiento, que son muy sensibles al esfuerzo efectivo. [6] El artículo concluye con algunos ejemplos de aplicaciones de los principios de la mecánica del suelo, como la estabilidad de taludes, la presión lateral de la tierra en los muros de contención y la capacidad de carga de los cimientos.
Génesis y composición de suelos [ editar ]
Génesis [ editar ]
El mecanismo principal de la creación del suelo es la erosión de las rocas. Todos los tipos de roca ( roca ígnea , roca metamórfica y roca sedimentaria ) pueden descomponerse en pequeñas partículas para crear tierra. Los mecanismos de meteorización son la meteorización física, la meteorización química y la meteorización biológica [1] [2] [3] Las actividades humanas como la excavación, la voladura y la eliminación de desechos también pueden crear tierra. Con el tiempo geológico, los suelos profundamente enterrados pueden verse alterados por la presión y la temperatura para convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, y si se derriten y solidifican nuevamente, completarían el ciclo geológico convirtiéndose en rocas ígneas. [3]
La meteorización física incluye efectos de temperatura, congelación y descongelación de agua en grietas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La meteorización química incluye la disolución de la materia que compone una roca y la precipitación en forma de otro mineral. Los minerales arcillosos, por ejemplo, pueden formarse por la meteorización del feldespato , que es el mineral más común presente en las rocas ígneas.
El componente mineral más común del limo y la arena es el cuarzo , también llamado sílice , que tiene el nombre químico de dióxido de silicio. La razón por la que el feldespato es más común en las rocas pero la sílice es más frecuente en los suelos es que el feldespato es mucho más soluble que la sílice.
Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos , los tamaños de partículas de limo están en el rango de 0.002 mm a 0.075 mm y las partículas de arena tienen tamaños en el rango de 0.075 mm a 4.75 mm.
Las partículas de grava son pedazos rotos de roca en el rango de tamaño de 4.75 mm a 100 mm. Las partículas más grandes que la grava se llaman adoquines y rocas. [1] [2]
Transporte [ editar ]
Los depósitos en el suelo se ven afectados por el mecanismo de transporte y deposición a su ubicación. Los suelos que no se transportan se denominan suelos residuales; existen en el mismo lugar que la roca a partir de la cual se generaron. El granito descompuesto es un ejemplo común de un suelo residual. Los mecanismos comunes de transporte son las acciones de la gravedad, el hielo, el agua y el viento. Los suelos arrastrados por el viento incluyen arenas de dunas y loess . El agua transporta partículas de diferente tamaño dependiendo de la velocidad del agua, por lo que los suelos transportados por agua se clasifican según su tamaño. El sedimento y la arcilla pueden asentarse en un lago, y la grava y la arena se acumulan en el fondo del lecho de un río. Viento soplado depósitos de suelo ( eólicosuelos) también tienden a clasificarse según su tamaño de grano. La erosión en la base de los glaciares es lo suficientemente poderosa como para recoger grandes rocas y rocas, así como tierra; Los suelos que se derriten al derretir el hielo pueden ser una mezcla bien graduada de tamaños de partículas muy variados. La gravedad por sí sola también puede transportar partículas desde la cima de una montaña para formar un montón de tierra y rocas en la base; Los depósitos del suelo transportados por gravedad se denominan coluviones . [1] [2]
El mecanismo de transporte también tiene un efecto importante en la forma de la partícula. Por ejemplo, la molienda a baja velocidad en el lecho de un río producirá partículas redondeadas. Las partículas de coluvión recién fracturadas a menudo tienen una forma muy angular.
Composición del suelo [ editar ]
Mineralogía del suelo [ editar ]
Los limos, arenas y gravas se clasifican por su tamaño y, por lo tanto, pueden consistir en una variedad de minerales. Debido a la estabilidad del cuarzo en comparación con otros minerales de roca, el cuarzo es el componente más común de arena y limo. La mica y el feldespato son otros minerales comunes presentes en arenas y limos. [1] Los componentes minerales de la grava pueden ser más similares a los de la roca madre.
Los minerales de arcilla comunes son montmorillonita o esmectita , illita y caolinita o caolín. Estos minerales tienden a formarse en estructuras en forma de láminas o placas, con una longitud que generalmente varía entre 10 −7 my 4x10 −6 my un espesor que generalmente varía entre 10 −9 my 2x10 −6 m, y tienen un área superficial específica relativamente grande . El área de superficie específica (SSA) se define como la relación del área de superficie de las partículas a la masa de las partículas. Los minerales arcillosos típicamente tienen áreas de superficie específicas en el rango de 10 a 1,000 metros cuadrados por gramo de sólido. [3]Debido a la gran área de superficie disponible para la interacción química, electrostática y de van der Waals , el comportamiento mecánico de los minerales de arcilla es muy sensible a la cantidad de fluido de poro disponible y al tipo y cantidad de iones disueltos en el fluido de poro. [1]Para anticipar el efecto de la arcilla sobre el comportamiento de un suelo, es necesario conocer los tipos de arcillas y la cantidad presente. Como los constructores de viviendas y los ingenieros de carreteras saben muy bien, los suelos que contienen ciertas arcillas de alta actividad producen material muy inestable sobre el cual construir porque se hinchan cuando están húmedos y se encogen cuando están secos. Esta acción de contracción e hinchazón puede romper fácilmente los cimientos y provocar el colapso de los muros de contención. Estas arcillas también se vuelven extremadamente pegajosas y difíciles de trabajar cuando están mojadas. Por el contrario, las arcillas de baja actividad, formadas en diferentes condiciones, pueden ser muy estables y fáciles de trabajar.
Los minerales de los suelos están formados predominantemente por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en varias formas cristalinas. Estos elementos junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de los suelos. [1]
Distribución del tamaño de grano [ editar ]
Los suelos consisten en una mezcla de partículas de diferente tamaño, forma y mineralogía. Debido a que el tamaño de las partículas obviamente tiene un efecto significativo en el comportamiento del suelo, el tamaño de grano y la distribución del tamaño de grano se utilizan para clasificar los suelos. La distribución del tamaño de grano describe las proporciones relativas de partículas de varios tamaños. El tamaño de grano a menudo se visualiza en un gráfico de distribución acumulativa que, por ejemplo, traza el porcentaje de partículas más fino que un tamaño dado en función del tamaño. El tamaño medio del grano,, es el tamaño para el cual el 50% de la masa de partículas consiste en partículas más finas. El comportamiento del suelo, especialmente la conductividad hidráulica , tiende a estar dominado por las partículas más pequeñas, de ahí el término "tamaño efectivo", denotado por, se define como el tamaño para el cual el 10% de la masa de partículas consiste en partículas más finas.
Las arenas y gravas que poseen una amplia gama de tamaños de partículas con una distribución uniforme de tamaños de partículas se denominan suelos bien clasificados . Si las partículas de suelo en una muestra están predominantemente en un rango de tamaños relativamente estrecho, la muestra se clasifica de manera uniforme . Si una muestra de suelo tiene huecos distintos en la curva de gradación, por ejemplo, una mezcla de grava y arena fina, sin arena gruesa, la muestra puede ser clasificada como hueca . Los suelos con clasificación uniforme y con clasificación de separación se consideran pobremente clasificados . Existen muchos métodos para medir la distribución del tamaño de partícula . Los dos métodos tradicionales son el análisis de tamiz y el análisis de hidrómetro.
Análisis de tamiz [ editar ]
La distribución del tamaño de las partículas de grava y arena se mide típicamente mediante análisis de tamiz. El procedimiento formal se describe en ASTM D6913-04 (2009). [7]Se utiliza una pila de tamices con orificios dimensionados con precisión entre una malla de cables para separar las partículas en contenedores de tamaño. Un volumen conocido de tierra seca, con terrones desglosados en partículas individuales, se coloca en la parte superior de una pila de tamices dispuestos de grueso a fino. La pila de tamices se agita durante un período de tiempo estándar para que las partículas se clasifiquen en contenedores de tamaño. Este método funciona razonablemente bien para partículas en el rango de tamaño de arena y grava. Las partículas finas tienden a adherirse entre sí y, por lo tanto, el proceso de tamizado no es un método efectivo. Si hay muchos finos (limo y arcilla) presentes en el suelo, puede ser necesario hacer correr agua a través de los tamices para lavar las partículas gruesas y los terrones.
Una variedad de tamaños de tamiz están disponibles. El límite entre arena y limo es arbitrario. De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos , un tamiz # 4 (4 aberturas por pulgada) que tiene un tamaño de abertura de 4.75 mm separa la arena de la grava y un tamiz # 200 con una abertura de 0.075 mm separa la arena del limo y la arcilla. Según el estándar británico, 0.063 mm es el límite entre arena y limo, y 2 mm es el límite entre arena y grava. [3]
Análisis de hidrómetro [ editar ]
La clasificación de los suelos de grano fino, es decir, los suelos que son más finos que la arena, se determina principalmente por sus límites de Atterberg , no por su tamaño de grano. Si es importante determinar la distribución del tamaño de grano de los suelos de grano fino, se puede realizar la prueba del hidrómetro. En las pruebas de hidrómetro, las partículas de tierra se mezclan con agua y se agitan para producir una suspensión diluida en un cilindro de vidrio, y luego se deja reposar el cilindro. Se utiliza un hidrómetro para medir la densidad de la suspensión en función del tiempo. Las partículas de arcilla pueden tardar varias horas en asentarse más allá de la profundidad de medición del hidrómetro. Las partículas de arena pueden tomar menos de un segundo. Ley de Stokeproporciona la base teórica para calcular la relación entre la velocidad de sedimentación y el tamaño de partícula. ASTM proporciona los procedimientos detallados para realizar la prueba del hidrómetro.
Las partículas de arcilla pueden ser lo suficientemente pequeñas como para que nunca se depositen porque se mantienen en suspensión por el movimiento browniano , en cuyo caso pueden clasificarse como coloides .
Relaciones masa-volumen [ editar ]
Hay una variedad de parámetros utilizados para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define estos parámetros y algunas de sus interrelaciones. [2] [6] La notación básica es la siguiente:
, y representar los volúmenes de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, y representar los pesos de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, y representar las masas de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, y representar las densidades de los constituyentes (aire, agua y sólidos) en una mezcla de suelo;
Tenga en cuenta que los pesos, W, se pueden obtener multiplicando la masa, M, por la aceleración debida a la gravedad, g; p.ej,
La gravedad específica es la relación de la densidad de un material en comparación con la densidad del agua pura ()
Gravedad específica de sólidos ,
Tenga en cuenta que el peso específico , convencionalmente denotado por el símbolose puede obtener multiplicando la densidad ( ) de un material por la aceleración debida a la gravedad, .
Densidad , densidad aparente o densidad húmeda ,, son nombres diferentes para la densidad de la mezcla, es decir, la masa total de aire, agua, sólidos dividida por el volumen total de agua, aire y sólidos (se supone que la masa de aire es cero para fines prácticos):
Densidad seca ,, es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos:
Densidad flotante ,, definida como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, es útil si el suelo está sumergido bajo el agua:
dónde es la densidad del agua
Contenido de agua ,es la relación de masa de agua a masa de sólido. Se mide fácilmente pesando una muestra de tierra, secándola en un horno y volviendo a pesarla. Los procedimientos estándar son descritos por ASTM.
Relación nula ,, es la relación del volumen de huecos al volumen de sólidos:
porosidad ,, es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total, y está relacionada con la relación de vacíos:
Grado de saturación ,, es la relación entre el volumen de agua y el volumen de huecos:
A partir de las definiciones anteriores, se pueden derivar algunas relaciones útiles mediante el uso de álgebra básica.
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