Carrera de Ingeniería Civil

Universidad Autónoma del Beni

TEMA 3.

FORMACIÓN Y ORIGEN DE LOS SUELOS

3 GEOMORFOLOGÍA. La Geomorfología es la ciencia que estudia las formas de la corteza terrestre, para este fin necesita a su ves estudiar el relieve terrestres y los procesos geomorfológicos (geológicos) que en él actúan.

3.1 EL RELIEVE Las formas que adquiere la corteza terrestre, es decir, los montes, los valles, etc. son consecuencia de modificaciones que se están produciendo continuamente. La estructura que tiene la Tierra en una región, es producto de las fuerzas internas y del volcanismo. A veces se encuentran estructuras horizontales compuestas por rocas sedimentarias, mientras que otras veces aparecen plegamientos y fallas producto de fuerzas internas. Las estructuras creadas por las fuerzas internas son modificadas por la acción de agentes externos: el viento, el agua, las olas, el hielo, la gravedad, los cambios de temperatura, etc.

3.2 LOS PROCESOS GEOMÓRFICOS Las formas del relieve son un reflejo directo de la acción de distintos procesos geomórficos. El conjunto de procesos responsables de transformar constantemente la superficie, podemos subdividirlo en cuatro grupos: exógenos, endógenos, el papel de los organismos vivos, incluido el hombre, y los procesos extraterrestres.

a. Los exógenos o externos: Dependen de los procesos atmosféricos o del clima, los podemos subdividir en degradación y agradación. Degradación significa destrucción del relieve mediante la meteorización de las rocas, erosión de los suelos y movimientos de tierras. Agentes externos como la precipitación, la escorrentía, el hielo, el viento y el oleaje hacen posible la degradación. Dichos agentes contribuyen a su vez con el transporte de materiales de unos lugares a otros para determinar la agradación; es decir que la acumulación de sedimentos traerá consigo la construcción de otros relieves.

Las formas nuevas generadas por las fuerzas internas están a merced de los agentes externos. Estos están modificando sin cesar esas formas.

Procesos de modelado del relieve:

Denudación: conjunto de procesos externos que producen la descomposición de los materiales de la superficie terrestre y la modificación del relieve que ésta acarrea. Suele estar compuesta por tres fases: meteorización, transporte y erosión.

Meteorización: conjunto de cambios que se producen por la acción de agentes mecánicos y físico-químicos. Es la primera fase de la denudación.

Transporte: acción por la cual el agua, el hielo de los glaciares o el viento desplaza la graba, la arena o la tierra. Los materiales transportados forman acumulaciones de sedimentos de muchas clases.

Erosión: conjunto de procesos que deshacen los materiales de la superficie en partículas, las meteorizan y las erosionan. En sentido geológico amplio abarca un proceso complementario que consiste en el transporte de los materiales y su acumulación en otro lugar.

Sedimentación: acumulación de los materiales que han dejado el agua, el viento y los demás agentes erosionantes

b. Los procesos endógenos dependen de las fuerzas internas que afectan la corteza. La teoría de la tectónica de placas nos indica que nuestro planeta está compuesto por una capa exterior (litosfera) subdividida por planos debilidad, donde unos bloques con respecto a otros se separan o chocan creando megarrelieves como cadenas montañosas, arcos volcánicos, dorsales oceánicas, fosas abisales y rifts. Esas mismas fuerzas se encargan dentro de los continentes de levantar o hundir regiones, de fracturar o de plegar las rocas.

c. El papel de los organismos vivos: Las plantas, dependiendo del grado de cobertura, se constituyen como una capa protectora de los suelos. Bien es conocido el efecto devastador de las lluvias en las zonas deforestadas, desde donde se desprenden miles de metros cúbicos de sedimentos que se trasladan vertiente abajo. La acumulación de la materia orgánica u hojarasca produce una serie de ácidos orgánicos que aceleran la meteorización de las rocas. Hay animales fosadores como las hormigas y termitas que se encargan de remover miles de toneladas de tierra de unos lugares a otros. Hay animales marinos como los corales, los cuales, debido a la acumulación de sus restos calizos, originan las llamadas costas de arrecifes. El animal de mayor poder de transformación del medio natural es el hombre. El animal humano remueve miles de toneladas de rocas destruyendo unos relieves para luego construir relieves artificiales. El hombre altera los procesos erosivos del medio natural para llevar a cabo actividades de subsistencia como la agricultura y la minería.

d. Procesos extraterrestres: Dependen del impacto de grandes meteoritos, asteroides y cometas. Por ser de menor probabilidad de ocurrencia, son relativamente de menor importancia. Gracias a la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra, la mayor parte de los meteoritos se evaporan al hacer roce con la atmósfera. Al ir acercándose a la superficie la mayoría van perdiendo masa y se convierten en estrellas fugaces. Los cuerpos de mayor tamaño son los que logran impactar para dar lugar a cráteres meteóricos, depresiones en forma de paila y poco frecuentes en el planeta. La gran cantidad de estas depresiones sobre la superficie lunar, nos hace suponer que en la tierra las huellas dejadas por los meteoritos son rápidamente borradas por los procesos erosivos.

3.3 UNIFORMITARISMO Este principio es básico para estudiar la historia de los paisajes, si "el presente es la clave del pasado", eso significa que los mismos procesos que actúan hoy en día son los mismos que actuaron en el pasado, aunque no siempre con la misma intensidad. Por ejemplo, la secuencia sedimentaria presente en un acantilado, podemos interpretar los hechos que ocurrieron en tiempos remotos: una capa de conglomerados puede indicar la antigua cercanía de vertientes montañosas; una capa de materia orgánica fósil indica la remota existencia de un ambiente pantanoso; una capa de cenizas volcánicas es una clara evidencia sobre pasados eventos volcánicos acaecidos en la región objeto de estudio. De allí que mediante la geomorfología podemos realizar proyecciones históricas, lo que, a su vez, no nos impide hacer especulaciones sobre lo que pudiese ocurrir en el futuro.

3.4 EL CICLO GEOMÓRFICO

Consiste en los sucesivos estados por los cuales evoluciona un paisaje. Las distintas fases o estadios suelen denominarse con términos aplicados a los seres vivos; así, un paisaje en la etapa de juventud es típicamente montañoso, de grandes desniveles, de vertientes escarpadas, y con valles estrechos en forma de garganta. Un paisaje en la etapa de madurez sigue siendo montañoso, de vertientes menos inclinadas, sus valles han desarrollado un lecho de inundación amplio y plano, y los ríos ya no presentan saltos ni rápidos como en la etapa anterior. Un paisaje en la etapa de vejez se ha rebajado intensamente, los ríos discurren por valles mucho más amplios y las antiguas montañas se han convertido en colinas de poco desnivel; se dice entonces que un paisaje ha alcanzado el estadio de la peniplanicie, es decir, un paisaje de topografía suavemente ondulada. La evolución de los paisajes es compleja y una región determinada no necesariamente atraviesa por todas las etapas, ya que el ciclo puede ser interrumpido por movimientos tectónicos. El ciclo completo requiere de varias decenas de millones de años y las distintas etapas no son de igual duración.

Ejemplo de la formación de un paisaje:

A) Sector con estratos horizontales no erosionada.

B) Comienzo de la erosión y del transporte en sectores más blandos (en este caso fallas o fracturas)

C) Erosión avanzadas: los valles son más profundo, abajo afloran las capas más antiguas (capa gris oscuro).

D) Erosión muy avanzada: De la capa superior se quedan solamente restos arriba de las montañas, los valles muestran una alta profundidad, abajo afloran rocas más antiguas (capa gris más claro). 

3.5 AMENAZAS GEOLÓGICAS.- Un aspecto fundamental en el cambio de la forma del relieve o del paisaje es la ocurrencia de Amenazas Geológicas, procesos o fenómenos naturales que se son la causa de desastres, que implican perdidas de vida y económicas. Las amenazas Geológicas, pueden ser prevenidas y en algunos casos mitigadas, siendo el trabajo de profesionales como lo geólogos e ingenieros civiles el hacerlo, mediante trabajos de evaluación del terreno (geotecnia, geofísica, geomorfología, estratigrafía, etc.) y el diseño de las obras civiles de prevención y/o mitigación, (muros de contención, gaviones, disminución de caudal, terraceos, arborización, etc.)

3.5.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES.- Debemos reconocer algunos conceptos de importancia para entender mejor a las amenazas Geológicas:

· Amenaza Natural (H). Una fuente de daño potencial para los seres humanos, propiedades y medio ambiente. En áreas donde no hay intereses humanos, los fenómenos naturales no constituyen amenazas ni tampoco resultan en desastres La amenaza se puede expresar en frecuencia y magnitud del proceso dañino.

· Vulnerabilidad (V). Corresponde a la predisposición o susceptibilidad física, económica, política o social que tiene una comunidad de ser afectada o de sufrir efectos adversos en caso de que un fenómeno peligroso de origen natural o causado por el hombre se manifieste.

· Riesgo (R). Es la probabilidad que se presente un nivel de consecuencias económicas, sociales o ambientales en un sitio particular y durante un período de tiempo definido.

Se obtiene de relacionar la Amenaza con la Vulnerabilidad de los elementos expuestos. Puede ser expresado por el producto de:

H x V = R D

Esto significa que mientras mayor Vulnerabilidad posea una zona determinada, mayor Riesgo existirá allí ante una Amenaza, que puede llevar como resultado a un Desastre, por lo tanto si reducimos la Vulnerabilidad nuestro Riesgo será mínimo, ya que es difícil si no imposible reducir la Amenaza, en lo posible estaremos evitando un Desastre.

· Desastre (D). Situación o proceso social que se desencadena como resultado de la materialización de una amenaza de origen natural, tecnológico o provocado por el hombre que, al encontrar condiciones propicias de vulnerabilidad en una población, causa alteraciones intensas, graves y extendidas en las condiciones normales del funcionamiento de la comunidad.

Representadas de forma diversa y diferenciada por, entre otras cosas, la pérdida de vidas y salud de la población o la pérdida e inutilización total o parcial de bienes de la colectividad.

· Mapa de Amenazas. Por lo general muestra zonas de baja, moderada o alta peligrosidad, expresado como intensidad del proceso amenazante (dimensión del depósito, amenazas existentes).

· Mapa de Riesgo. Exhibe las consecuencias asociadas a un proceso peligroso, específico, asociado a menudo a un período de recurrencia propio. En el interviene información de la población, de las construcciones civiles, hospitales, escuelas, etc.

· Gestión del Riesgo. La Gestión del Riesgo, también llamada Gestión de Emergencias, se define como el proceso de identificar, analizar y cuantificar las probabilidades de pérdidas, con el objeto de emprender acciones preventivas o correctivas. Tal gestión involucra dos tipos de actividades: 1) planificación de acciones en el ámbito de lo controlable en aras de reducir la vulnerabilidad, y 2) establecimiento de mecanismos de protección contra las pérdidas económicas potenciales como resultado de factores no controlables, neutralizando así la amenaza financiera.

3.5.2 ETAPAS Y CICLOS DE LA GESTIÓN DEL RIESGO

Antes

a) Prevención. Medidas y acciones dispuestas con anticipación con el fin de evitar o impedir que se presente un fenómeno peligroso o para reducir su incidencia sobre la población, los bienes, servicios y el ambiente

b) Mitigación (reducción). Planificación y ejecución de intervención estructurales y no estructurales dirigidas a reducir o disminuir el riesgo.

c) Preparación. Medidas cuyo objetivo es organizar y facilitar los operativos para el efectivo y oportuno aviso, salvamento y rehabilitación de la población en caso de desastre.

d) Alerta. Estado que se declara, con anterioridad a la manifestación de un fenómeno peligroso, con el fin de que los organismos operativos de emergencia activen procedimientos de acción preestablecidos y para que la población tome precauciones específicas debido a la inminente ocurrencia del evento previsible

Durante

e) Atención – Respuesta. Etapa que corresponde a la ejecución de las acciones previstas en la etapa de preparación y que, en algunos casos, ya han sido precedidas por actividades de alistamiento y movilización, motivadas por la declaración de diferentes estados de alerta.

Después

f) Rehabilitación – Reconstrucción. Restablecimiento de condiciones adecuadas y sostenibles de vida mediante la rehabilitación de servicios interrumpidos o deteriorados, la preparación o reconstrucción del área afectada, los bienes y servicios interrumpidos o deteriorados y la reactivación o impulso del desarrollo económico y social de la comunidad.

Tabla 1. Principales riesgos geológicos y algunas de sus causas,

Áreas de riesgo y grado de predictibilidad

3.5.3 REMOCIONES EN MASA.- Los procesos de Remoción en Masa son desplazamientos en conjuntos de masas de materiales no consolidados, producto de intemperismo superficial bajo la acción de la gravedad, en ausencia de agua (derrumbes) o en presencia de ella (deslizamientos, flujos de barro, etc.) La remoción en masa de laderas (Landslides) abarca toda la variedad de procesos de deslizamientos y remoción en masa en general.

Los procesos de remoción en masa causan más daños y pérdidas de propiedad que cualquier otro peligro natural. Las remociones en masa a menudo son mal reconocidas, debido a que la figura del acontecimiento desencadenante toma toda la atención (terremoto, erupción volcánica, huracán). No obstante, mirando el problema de cerca, los procesos remoción en masa explican la mayor parte de muertes y daños. Muchas aseguradoras no comprenden que la mayoría de daños y de muertes son consecuencias de los procesos de remoción en masa.

Por ejemplo, el terremoto de 1970 en Perú costó 70.000 vidas. En Yuanyo 20.000 personas murieron tan solo en la avalancha de escombros del Nevado de Huascarán.

Los deslizamientos destruyen comunidades, acueductos, vías de comunicación y transporte y conductos de combustible y energía. Se estima que el promedio de las muertes anuales asociadas a procesos de remoción en masa en Canadá es de 2-3 y en los EEUU es de 25 a 50. El costo económico directo e indirecto para ambos países asciende a $2000-3000 millones anuales.

3.5.3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS REMOCIONES EN MASA.- Diferentes autores toman diferentes clasificaciones, así Summerfield (1991) de acuerdo a la naturaleza de los materiales en movimientos, al contenido de agua y a la resistencia al desplazamiento, lo clasifica en movimientos rápidos y en movimientos lentos. La clasificación que es mas empleada es la de Varnes (1954,1978). Esta en función de los mecanismos de ruptura y del tipo de material. Algunas remociones en masa por su importancia y mayor ocurrencia son:

Partes de un deslizamiento

· Caída y Desprendimiento de rocas. Es la separación de fragmentos rocosos que caen saltando hasta detenerse en áreas de menor gradiente o por el impacto de una estructura. Los fragmentos de rocas pueden alcanzar velocidades que excedan los 100 m/s.

· Deslizamiento. Es un desprendimiento del macizo rocoso o de suelo, ya sea arcilloso, limoso, gravoso o una combinación de ambos, puede ser material intacto o de roca fracturada. Generalmente a lo largo de un plano de deslizamiento de alto ángulo. Poco después del desprendimiento, el deslizamiento se transfiere comúnmente a una avalancha de roca o flujo de tierra.

Estos deslizamientos pueden ser:

· Deslizamientos translacionales: Estos se mueven a lo largo de superficies de rupturas curvas y cóncavas, con poca deformación interna del material.

· Deslizamientos rotacionales: La masa se desplaza a lo largo de una superficie de ruptura plana o suavemente ondulada y superponiéndose a la superficie original del terreno.

· Deslizamientos complejos: Es una combinación de los dos anteriores.

Deslizamiento

Flujo de Barro

· Avalancha de rocas. Es un gran desprendimiento de fragmentos rocosos (generalmente millones de m3) que fluye ladera abajo con velocidades de hasta 100 m/s. Las avalanchas de rocas poseen un enorme potencial destructivo.

· Volcamiento. Tiene una inclinación y caída en el sentido de la pendiente de una masa de suelo o roca. Puede ser rápido a extremadamente lento. El centro de gravedad de una columna debe estar fuera de su base.

· Flujos Detríticos.

Por lo general, se originan en laderas empinadas como depresiones o deslizamientos que se vuelven acuosos y alcanzan velocidades de hasta 55 kilómetros por hora (15 metros por segundo o más). Continúan fluyendo pendiente abajo, convergen en canales y depositan arena, lodo, piedras y material orgánico en terreno de menor inclinación. Su consistencia puede ser de lodo acuoso a lodo espeso y rocoso (como cemento húmedo), lo suficientemente denso como para arrastrar piedras grandes, árboles y automóviles. Los flujos detríticos originados en diferentes puntos pueden combinarse en canales, lo que puede aumentar grandemente su poder de destrucción.

3.5.3.2 Mapeo de Amenazas por Remoción en Masa.- ¿Por qué mapear amenazas por remoción en masa?:

• Para reconocer el tipo de amenaza

• Para comprender qué áreas pueden ser afectadas

• Para determinar los riesgos afectados por la amenaza

• Para planificar ante la amenaza y reducir la vulnerabilidad (incluye obras civiles)

3.5.3.3 Requisitos para realizar un Mapa de Amenazas Geológicas por Remoción en Masa:

• Fotografías aéreas en la escala apropiada

• Mapas a escala adecuada

• Información histórica (informes, relatos de testigos presenciales)

• Datos climáticos (precipitación, temperatura)

• Planes de uso del territorio y mapas

• Uso de las instalaciones (ej. núm. de vehículos en un camino, núm. de personas que viven en un área urbanizada, etc.)

3.5.3.4 Mapeo de Amenazas (Peligrosidad) y Riesgo a lo largo de Corredores de Infraestructura:

3.5.3.5 Mapa Lineales de Riesgo. Los mapas lineales de riesgo para vías de transporte involucran un cálculo formal de riesgo para caminos, carreteras o ferrocarriles y representan la frecuencia de avalanchas, volumen de tráfico, tiempo de espera, daños previstos.

3.5.3.6 Estructuras de Mitigación.-

BARRERAS DE ESCOMBROS

ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN

MUROS RÍGIDOS

MURO EN GAVIONES Y EN PIEDRA

3.5.3.7 Métodos de Estabilización de Deslizamientos Asociados a las Aguas Subterráneas.- Los métodos de estabilización de deslizamientos que contemplen el control del agua, tanto superficial como subterránea son muy efectivos y son generalmente, más económicos que la construcción de grandes obras de contención, en cuanto tienden a desactivar la presión de poros, considerada como el principal elemento desestabilizante de los taludes. El drenaje reduce el peso de la masa y al mismo tiempo aumenta la resistencia del talud al disminuir la presión de poros. Existen varias Formas de drenaje, superficial y profundo. El objetivo principal de estos métodos es el de disminuir la presión de poros y en esa forma aumentar la resistencia al corte y eliminar las fuerzas hidrostáticas desestabilizantes. El factor de seguridad de cualquier superficie de falla que pasa por debajo del nivel de agua puede ser mejorado por medio de subdrenaje.

3.5.3.8 Sistemas de Control de Aguas

Los sistemas más comunes para el control del agua son:

1. Zanjas de coronación o canales colectores (Drenaje Superficial). El objetivo principal del drenaje superficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendo la infiltración y evitando la erosión. El sistema de recolección de aguas superficiales debe captar la escorrentía tanto del talud como de la cuenca de drenaje arriba del talud y llevar el agua a un sitio seguro lejos del deslizamiento. El agua de escorrentía debe en lo posible, desviarse antes de que penetre el área del deslizamiento. Esto puede lograrse con la construcción de zanjas interceptoras en la parte alta del talud, llamadas zanjas de coronación.

Derecha. Esquema en planta de canales colectores - Espina de Pescado

2. Drenaje subterráneo El drenaje subterráneo tiene por objeto disminuir las presiones de poro o impedir que estas aumenten. La cantidad de agua recolectada por un sistema de subdrenaje depende de la permeabilidad de los suelos o rocas y de los gradientes hidráulicos. Cuando se instala un dren generalmente, el nivel piezométrico se disminuye al igual que el gradiente hidráulico, lo cual disminuye el caudal inicial recolectado por los drenes.

- Cortinas subterráneas. Puede impedirse que el agua subterránea alcance la zona de inestabilidad potencial mediante la construcción de pantallas impermeables profundas. Las pantallas subterráneas pueden consistir en zanjas profundas rellenas de asfalto o concreto, tablestacados, cortinas de inyecciones, o líneas de bombeo de agua consistentes en hileras de pozos verticales. El diseño de estas cortinas debe tener en cuenta los efectos que sobre las áreas adyacentes tiene el cambio del régimen de aguas subterráneas.

- Drenes interceptores. Los subdrenes interceptores son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora, rellenas de material filtrante y elementos de captación y transporte del agua. La profundidad máxima de estas zanjas es de aproximadamente seis metros. Los hay de diversas formas así:

1. Con material de filtro y tubo colector (Figura ).

2. Con material grueso permeable sin tubo (filtro francés)

3. Con geotextil como filtro, material grueso y tubo colector.

Derecha. Sistemas de Dren de Zanjas

3. Subdrenes horizontales o de penetración. Un dren horizontal o subdren de penetración consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo mediante una perforación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca abatir el nivel freático hasta un nivel que incremente la estabilidad del talud (figura) La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar y se puede obtener un aumento importante del factor de seguridad del talud en muy poco tiempo. El diámetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4 pulgadas dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas. Los tubos utilizados son metálicos, de polietileno o PVC. , generalmente en diámetros 2 ó 3”, aunque en ocasiones se emplea otro tipo de diámetro.

5. Galerías y túneles de drenaje. La galería de drenaje es un túnel cuyo objetivo específico es el de disminuir las presiones de poros y controlar las corrientes profundas de agua subterránea en un talud Las galerías de drenaje deben tener una sección adecuada para facilitar su construcción y se colocan generalmente, por debajo de la posible zona de falla y en la parte inferior del acuífero que se desea controlar. El uso de galerías de drenaje para mejorar las condiciones de estabilidad de taludes, para el caso de presiones muy altas de poros es común para la estabilización de grandes deslizamientos. Las galerías de drenaje son empleadas especialmente, en los grandes proyectos hidroeléctricos.

Direcciones del flujo

6. Drenes verticales.

7. Trincheras estabilizadoras.

8. Pantallas de drenaje. Las pantallas de drenaje son estructuras similares en apariencia a un muro de contención, las cuales se colocan sobre la superficie del talud con el objetivo principal de impedir que se produzca erosión ocasionada por las exfiltraciones de agua subterránea.

9. Pozos de drenaje. Los pozos verticales de drenaje son perforaciones verticales abiertas que tratan de aliviar las presiones de poros, cuando los acuíferos están confinados por materiales impermeables como puede ocurrir en las intercalaciones de Lutitas y areniscas. Los pozos verticales, tienen generalmente un diámetro externo de 16 a 24 pulgadas, con un tubo perforado de 4 a 8 pulgadas de diámetro en el interior de la perforación. En ocasiones se utilizan drenes de diámetro hasta de dos metros. El espacio anular entre la perforación y el tubo se llena con material de filtro. Su sistema de drenaje puede ser por bombeo, interconectando los pozos por drenes de penetración o por medio de una galería de drenaje o empleando un sistema de sifón.

La efectividad de los sistemas varía de acuerdo a las condiciones hidrogeológicas y climáticas. En cualquier sistema de subdrenaje el monitoreo posterior a su construcción es muy importante, deben instalarse piezómetros antes de la construcción de las obras de control que permitan observar el efecto del subdrenaje y a largo plazo dar información sobre la eficiencia del sistema, el cual puede ser deteriorado por taponamiento o desgaste. El volumen de agua recolectada no es necesariamente un indicativo de su efecto, debido a que en suelos poco permeables, se puede obtener una reducción muy importante en las presiones de poro y por lo tanto un aumento en el factor de seguridad, con muy poco flujo de agua hacia el sistema de subdrenaje. En masas de roca el flujo de agua generalmente, está determinado por las juntas y por lo tanto cualquier sistema de drenaje debe estar destinado a interceptarlas.

3.6 ¿Qué es el suelo? 

Ingeniero de Minas: restos o despojos que cubren las rocas o minerales que se pueden explotar.

Geólogo: sedimento cuaternario formado por meteorización de lutitas

Ingeniero Civil: sustrato sobre el cual se construirá una obra civil.

Agricultor o dueña de casa: hábitat para las plantas. 

“material no consolidado, ubicado en la superficie de la corteza de la tierra, RESULTANTE DE LA ACCIÓN DE LOS FACTORES DE FORMACIÓN DE SUELOS.”

En ingeniería civil se utilizan los suelos con dos propósitos:

a) Material de préstamo para terraplenes o rellenos.

b) Fundaciones de estructuras.

El origen primario de los suelos se encuentra en las rocas, las cuales por efecto de un conjunto de procesos simultáneos y secuenciales de gran complejidad como la climatización e intemperismo, se van desmenuzando hasta convertirse en pequeños fragmentos. Estas transformaciones no sólo involucran cambios físicos sino también modificaciones químicas y físico-químicas. Mientras las rocas se encuentren sufriendo estas modificaciones, aún no puede denominarse un suelo. Solamente cuando aparezcan las arcillas como producto de una síntesis de minerales y comience a acumularse materia orgánica, se puede denominar un suelo. La intensidad y profundidad con que se produzcan estos cambios van a constituir un reflejo de las condiciones del medio, es decir, la cantidad e intensidad de las precipitaciones y las fluctuaciones de temperatura, sólo por considerar los dos factores más preponderantes.

Los suelos tienen mucha importancia en la Geotecnia porque la mayor parte de las construcciones ingenieriles se ejecutan sobre los suelos; la excavación en roca subyacente es necesaria solamente para la cimentación de grandes construcciones, como ser puentes de gran categoría o puentes de hormigón, porque las pistas de aterrizaje, carreteras, ferrovías y edificios se construyen generalmente sobre suelos. Por lo tanto el Geotecnista debe saber de qué clase son los materiales que componen los suelos, su calidad, las formas que adoptan en superficie y como se forman, solo entonces podrá determinar el uso que se le va a dar a estos materiales con eficiencia y economía.

3.7 PROCESOS QUE ACTUAN SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE.- Los procesos que continuamente actúan en la tierra para conformar y variar el relieve de su superficie son:

a) Procesos de Intemperización y Climatización, que por la acción de la erosión y meteorización tienden al aplanamiento del relieve.

b) Diastrofismo, es un término que se emplea para designar los procesos según los cuales determinadas porciones sólidas de la tierra, por lo general grandes, mueven unas con respecto a otras y motivan grandes transformaciones en la corteza terrestre. Se opone al Fijismo y al Catastrofismo.

c) Vulcanismo, se refiere a la acción que ejercen las rocas fundidas tanto en el interior como en la superficie de la Tierra, tiene relación con la ascensión del magma y con los volcanes.

3.7.1 PRODUCTOS DE LA DESTRUCCIÓN DE LAS ROCAS.- Los productos de la destrucción de las rocas están repartidos por toda la superficie de la Tierra y están compuestos de bloques, bolos, cantos, gravas, arenas, limos y arcillas; si estos productos están en las laderas de los cerros se llaman derrubios. Las superficies de roca expuestas se denominan afloramientos y los detritos del tamaño de la grava para abajo se denominan suelos, que pueden ser residuales (in situ) o transportados, de acuerdo al agente de transporte pueden ser: suelos de glaciar (hielo), suelos eólicos (viento), suelos aluviales o fluviales (agua) y suelos coluviales (gravedad).

3.7.2 METEORIZACIÓN.- Es la destrucción y descomposición de las rocas y minerales cercanos a la superficie de la tierra y se dividen en:

a) Físicos o mecánicos, que comprenden a la meteorización térmica, gelifracción, salina, eólica y orgánica.

b) Química, que se debe a la acción disolvente del agua intensificada por la presencia de sales y ácidos, comprenden a la meteorización por disolución, hidrolítica o feldespática, por oxidación, por hidratación y química-biológica o humosa.

3.7.3 FORMACIÓN DE RÍOS Y VALLES.- Es una corriente de agua contínua (perenne) o no (intermitente) que desemboca en el mar, en otro río (afluente) o en un lago (emisor), o que se pierde en el terreno (endorreico). Se llama valle a un terreno mas o menos llano o cóncavo entre otros más altos y se forma primero como arroyuelo, el cual en las estaciones lluviosas se transforma en torrente que excava profundas gargantas y cañones, que poco a poco se transforman en los diferentes tipos de valles. En un valle el borde superior se llama cabecera, al inferior desembocadura, a los lados flancos o laderas y al fondo talweg.

El ciclo de erosión de un valle pasa por tres etapas: Juvenil cuando longitudinalmente presenta rápidos y tiene forma de zig-zag y transversalmente tiene forma de V, Maduro, cuando presenta curvas suavemente sinusoidales, reduce su gradiente, valle amplio y aparecen los taludes y Viejo; cuando el río presenta amplios meandros y el valle se convierte en Penillanura.

3.7.4 TERRAZAS.- Son superficies planas generalmente estrechas y alargadas, que interrumpen una pendiente y que deben su origen normalmente a la acción del agua corriente son de diferentes tipos, a saber:

1. De valle o fluviales, formada por la excavación repetida de un río en el fondo de un valle antiguo y pueden ser excavados en la roca o en la arena.

2. Litorales, son las plataformas de abrasión elevadas sobre el nivel del mar.

3. Lacustres, son depósitos que rodean a los lagos.

4. Glaciales, son las formadas por erosión glaciar y las formadas en las morrenas.

5. De denudación, son los aplanamientos de la pendiente en forma de terraza, debidos a la denudación aprovechando las diferencias rocosas.

Valles y Terrazas

3.7.4.1 IMPORTANCIA DE LAS TERRAZAS EN LA INGENIERÍA.- Son muy difíciles para el trazado de carreteras y ferrocarriles, porque evitan la excavación en laderas determinando la rebaja de costos, además constituyen excelentes fuentes para el aprovisionamiento de arenas y gravas para la construcción.

3.7.5 SUELOS DE DEPÓSITOS GLACIARES.- Los glaciares son masas de hielo que bajo influencia de la gravedad se trasladan valle abajo hacia zonas más cálidas, el material rocoso es arrastrado con el glaciar y cuando él se funde da lugar a las morrenas, que constan de un material procedente del desprendimiento, meteorización, erosión glaciar, etc.

Posición de las morrenas en el glaciar

3.7.5.1 PROBLEMAS Y CUALIDADES DE LAS ZONAS GLACIARES.- Los suelos de origen glaciar son de composición absolutamente heterogénea, porque contienen gravas y arenas permeables, arcillas y bancos de limos impermeables; de acuerdo a esta conformación son materiales de elevada permeabilidad, son ventajosas para construcción de pistas y carreteras. No son aptas para construir sobre ellas estructuras que han de contener agua, como las presas y sus vasos de embalses, porque pueden ponerse en peligro, por la existencia de capas permeables ocultas. Los proyectos de cimentaciones para construcciones ligeras en estas zonas no ofrecen dificultades, pero las construcciones pesadas pueden correr riesgos a consecuencia de los asientos diferenciales (no uniformes) que pueden producir asentamientos peligrosos.

Partes de un glaciar

3.7.6 SUELOS DE DEPÓSITOS EÓLICOS.- Son suelos producidos por la acción del viento, es decir son aerotransportados y precipitados por la lluvia y por la acción protectora de las plantas y hierbas. Forman diferentes tipos de suelos como:

a) Loes, son acumulaciones de polvo y limo, pueden ser primarios (permanecen en el mismo sector donde se forman, por lo que no han sufrido mucha descomposición química) y secundarios (aquellos que han sido transportados y han experimentado descomposición química profunda).

b) Suelos de arenas, que son de grano más grueso que los loes y forman dunas (irregulares) y barjanes (media luna).

3.7.6.1 PROBLEMAS DE IDENTIFICACIÓN EN SUELOS DE LOES.- Como consecuencia de las características de hidroconsolidación (asiento), puede constituirse en un material peligroso principalmente cuando se trata de obras hidráulicas como las represas, porque los loes en contacto con el agua se consolidan y producen asentamientos en las estructuras. Otra dificultades que tienen los loes es su propensión a que se abran en ellos grietas de forma permanente, debido a la acción del agua. La remoción de unos pies de loes en la superficie y la cuidadosa compactación, puede crear una plataforma de confianza para la construcción de apoyos, muros de contención y terraplenes. Si la compactación es correcta, el loes recibe una gran resistencia tanto al esfuerzo cortante como a la erosión; además es un terreno con gran capacidad para mantenerse firme en taludes casi verticales.

3.7.7 SUELOS ALUVIALES.- Se llaman así a los suelos formados por materiales de erosión arrastrados por las aguas y depositados de acuerdo al tamaño, desde gruesos en la parte empinada del valle, hasta finos en la cuenca. Forman terrazas, llanuras, conos y abanicos.

3.7.7.1 IMPORTANCIA DE LOS DEPÓSITOS DE ALUVIÓN EN INGENIERÍA.- Los depósitos aluviales constituyen una excelente zona de suministro de materiales gruesos de construcción, tales como áridos para hormigón o materiales permeables para el relleno de las cajas de las carreteras y contienen muy poco material impermeable como arcillas y limos. Para apoyar construcciones, los suelos aluviales tienen los mismos problemas y cualidades de las morrenas.

3.7.8 CIÉNAGAS, PANTANOS Y TURBERAS.- Se llama ciénaga a un terreno cubierto con agua detenida o de infiltración, en ocasiones es un estadio de colmatación de lagos sobre suelos impermeables sin pendiente o en depresiones con nivel freático elevado. Es difícil establecer la diferencia entre ciénaga y pantano, pero se puede decir que un pantano es un terreno orgánico o ciénaga herbácea y una turbera es un pantano turbuso cubierto de turba, llamado Moor.

3.7.8.1 PROBLEMAS DE INGENIERÍA QUE PLANTEAN LAS ZONAS CENAGOSAS.- Las cualidades de sustentación de estos materiales son muy reducidas y solo pueden edificarse sobre ellas construcciones muy ligeras como ser carreteras secundarias, para lo cual se deben construir terraplenes en lugar de trincheras y evitar las cunetas profundas por la poca sustentación lateral de este tipo de suelos. Para la construcción de vías de primer orden se debe drenar el sector y en ocasiones extraer la turba y reemplazarla con materiales adecuados.

3.8 ELEMENTOS DE MECÁNICA DE SUELOS.- La mecánica del suelo, estudia las propiedades de los suelos, que son de trascendencia para la Ingeniería Civil, con énfasis en aquellas características geológicas que resulten fundamentales para la buena formulación y ejecución de obras civiles, arquitectónicas y urbanísticas. En fundaciones y en Mecánica de suelos, es necesaria más que en cualquier especialidad, la experiencia para actuar con éxito, porque se basan en reglas empíricas y para proyectos grandes, en métodos científicos que dependen de un programa de ensayos que deben ser interpretados inteligentemente. Uno de los principales propósitos de estudio es buscar métodos para diferenciar los distintos tipos de suelos de una misma categoría para reducir los riesgos en el trabajo son suelos. Las propiedades en que se basa dicha diferenciación, se conocen con el nombre de “propiedades índice” y los ensayos para determinarlas “ensayos de clasificación”.

3.8.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS EN EL CAMPO.- La falta de tiempo o de medios económicos, hace que frecuentemente el Geotecnista ejecute ensayos basados en su conocimiento y habilidad, estos ensayos son:

A) Tipos de suelo. La identificación y clasificación de suelos, en el campo, está basada en el reconocimiento de los tipos base de suelos, son cinco a saber:

1. Grava. Granos mayores de ¼’’ (6,35 mm) hasta 3’’ , las piezas hasta 10’’ se denomina piedra, las mayores a 10’’ bolos, cantos o morrillos.

2. Arena. Partículas desde1/4’’ a 0,002’’ (o,05 mm) en diámetro.

3. Limo. Partículas menores a 0,002’’ de diámetro, las cuales carecen de plasticidad y tienen poca resistencia en seco.

4. Arcilla. Contiene partículas de tamaño coloidal de gran plasticidad y resistencia en seco, que puede variar por la forma y composición mineral de las partículas.

5. Materia orgánica. Consiste en vegetales parcialmente descompuestos (turba) o en material vegetal finamente dividida.

B) Forma de los granos. Se clasifican por observación de acuerdo a su grado de angulosidad y redondez en: angular, semiangular, semirredondeada, redondeada y muy redondeada.

C) Tamaño y graduación de los granos.- Los tamaños en gravas y arenas se reconocen fácilmente por inspección visual, extendiendo la muestra sobre una superficie plana y observando la distribución y la uniformidad del tamaño de las partículas, pero si son suelos de grano fino, se agita la misma en una jarra de agua y se la deja sedimentar, la granulometría aproximada se ve por la separación de las partículas desde arriba hasta el fondo; el limo permanece en suspensión al menos por un minuto, la arcilla más de una hora.

D) Ensayo de sacudimiento. Es útil para la identificación de suelos de grano fino. Se prepara una porción de suelo húmedo y se agita horizontalmente sobre la palma de la mano, el agua sale a la superficie de la muestra dándole una apariencia blanda y satinada, luego se aprieta la muestra entre los dedos haciendo que la humedad desaparezca de la superficie, la que cambia de una apariencia brillante a otra mate, además se endurece y se desmenuza por la presión de los dedos. Se vuelven a agitar las piezas rotas hasta que fluyan otra vez juntas. La rapidez de la aparición del agua durante el sacudimiento y la exprimida, además de la facilidad con la que se junten, ayuda la identificación de los finos de un suelo: una reacción rápida índica falta de plasticidad, típico de las arenas limpias muy finas y polvo de roca. Una reacción lenta, indica un limo inorgánico ligeramente plástico. Una arcilla plástica y un material turboso no tienen reacción.

E) Ensayo de rotura. Este ensayo se usa para determinar la resistencia en seco de un suelo, que prácticamente es medir su cohesión. Se procede así: Se deja secar una porción húmeda de las muestra y se ensaya sus resistencia en seco desmenuzándola entre los dedos, una alta resistencia indica una arcilla inorgánica con gran plasticidad, que puede ser rota pero no pulverizada. Una resistencia media denota una arcilla inorgánica de plasticidad entre baja y media se requiere fuerte presión de los dedos para pulverizar la muestra. Poca resistencia, indica un limo orgánico, polvo de roca o arena limosa; sin embargo la arena cuando es pulverizada, se siente áspera.

F) Ensayos de plasticidad. La plasticidad es la propiedad de una masa de suelo que permite su deformación de manera contínua y permanente sin ruptura, durante la aplicación de un esfuerzo que exceda, incluso ligeramente, la resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Para averiguar el límite de plasticidad de un suelo se prepara una porción fina de suelo mezclándola con agua. Se forman cilindros pequeños de un diámetro de 1/8’’ aproximadamente, sobre una superficie plana. Se pliegan los cilindros formando una bola y se vuelven a rodar otra ves, este procedimiento se repite hasta que la pérdida de humedad hace que el cilindrito se desmenuce, a la humedad contenida en este punto se llama límite plástico. Cualquier suelo que se deja enrollar fácilmente con poca humedad, sin desmenuzarse, es plástico, por ejemplo: la arcilla de gran plasticidad, forma un cilindro tenaz que puede ser remoldeado por debajo del límite plástico y deformarse sin que se desmenuce. El suelo de plasticidad media forma un cilindro de tenacidad moderada, la masa se desmenuza pronto depuse que se alcanza el límite plástico y el suelo de baja plasticidad forma un débil cilindro que no puede ser amasado en conjunto por debajo del límite plástico. Los suelos que contienen material orgánico o mucha mica forman cilindros que son muy blandos y esponjosos.

G) Determinación del límite líquido. En la práctica el límite líquido se define como el contenido de humedad expresado en % de peso de la muestra secada a estufa, en el cual el suelo empieza a fluir cuando es ligeramente sacudido 10 veces. Se requiere una cápsula esférica de 10 a 11 cm de diámetro, de porcelana o de hierro enlosado, una espátula, una balanza de precisión sensible al centigramo, un acanalador y una estufa que de 100 a 110°C. Se amasa unos 30 g de suelo con una cantidad arbitraria de agua que se coloca en la cápsula en forma de una capa lisa de 1 cm de espesor en la parte media. Con el acanalador se abre un surco en el medio de manera que la muestra queda dividida en dos porciones con una separación de 2 mm, en su parte inferior; se orienta la división practicada en la dirección del operador, se mantiene la cápsula firmemente en una mano y se la golpea ligeramente 10 veces contra la palma de la otra mano. Si los bordes inferiores de las dos porciones de suelo no fluyen, el contenido de humedad es inferior al Ll, si se juntan íntimamente antes de los 10 golpes, el contenido de humedad es superior al Ll. El ensayo se repite con mayor o menor cantidad de agua, hasta que las dos porciones e suelo se junten exactamente, en 10 golpes a una longitud de 1 a 1,5 cm. En este caso, la humedad que contiene el suelo corresponde al límite líquido.

H) Ensayo de resistencia al esfuerzo cortante. Se realiza utilizando un penetrómetro de bolsillo y la técnica de operar es muy sencilla, se aprieta el pistón dentro del suelo hasta la ranura que esta torneada en el pistón a ¼ de pulgada del extremo. La lectura de penetración se marca en la escala del manguito indicador que se mantiene automáticamente en su posición una vez que se afloja la presión del pistón; la lectura es directa en Kg/cm2. Este penetrómetro de bolsillo (CL700) evalúa prácticamente la resistencia del suelo al esfuerzo cortante. Tanto en la exploración de campo, en construcción, como en estudios de laboratorio preliminares.

I) Ensayo al olor. Las muestras recientes de suelos orgánicos tienen un olor distintivo que ayuda a su identificación. El olor se manifiesta mucho mejor calentando una muestra húmeda.

J) Ensayo al ácido. Se vierte unas gotas de ácido clorhídrico sobre una muestra de suelo, por ejemplo, una reacción efervescente indica que tiene contenido de carbonato de calcio.

K) Ensayo al brillo. Se frota una muestra seca o ligeramente húmeda con la uña del dedo o con una hoja de navaja. Una superficie brillante indica una arcilla muy plástica, una superficie mate indica una arcilla o limo de baja plasticidad.

3.9 SUELOS RESIDUALES

La definición de “suelo residual” varía de un país a otro pero una definición razonable podría ser la de un suelo derivado por la meteorización y descomposición de la roca in situ, el cual no ha sido transportado de su localización original (Blight, 1997). Los términos residual y tropical se usan indistintamente pero en los últimos años se está utilizando con mayor frecuencia el término residual. Los suelos residuales se encuentran predominantemente en las zonas tropicales, donde aparecen en grandes espesores y con frecuencia se les denomina como “suelos tropicales” y son escasos en las regiones no tropicales. La zona de suelos residuales se concentra en el sector norte de América del sur, Centroamérica, Africa, Australia, Oceanía y el sur de Asia.

Como características de los suelos residuales pueden mencionarse las siguientes (Brand, 1985):

1. No pueden considerarse aislados del perfil de meteorización, del cual son solamente una parte componente. Para definir su comportamiento y la posibilidad de ocurrencia de deslizamientos, pueden ser más importantes las características del perfil que las propiedades del material en sí.

2. Son generalmente muy heterogéneos y difíciles de muestrear y ensayar.

3. Comúnmente, se encuentran en estado húmedo no saturado, lo cual representa una dificultad para evaluar su resistencia al corte.

4. Generalmente, poseen zonas de alta permeabilidad, lo que los hace muy susceptibles a cambios rápidos de humedad y saturación.

3.9.1 El proceso de meteorización de los suelos residuales

En ambientes tropicales, dominados por temperaturas altas y cambiantes y por lluvias abundantes, la meteorización de los materiales es muy fuerte, caracterizándose por la descomposición rápida de feldespatos y minerales ferromagnesianos, la concentración de óxidos de hierro y aluminio y la remoción de Sílice y de las bases Na2O - K2O- CaO- y MgO (Gidigasu-1972). Los feldespatos se meteorizan inicialmente a Kaolinita, Óxidos de Hierro y Óxidos de Aluminio y los compuestos más resistentes como las partículas de Mica y Cuarzo permanecen. La meteorización de rocas y cenizas volcánicas conducen a la formación de Montmorillonitas, Aloysitas, óxidos de hierro y aluminio en las etapas iniciales de la meteorización y finalmente se pueden formar Caolinitas, Esmectitas y Gibsitas (González y Jiménez - 1981). Algunas rocas que contienen sales (NaCl), Cal (CaSO4) y Yeso (CaSO4 -2H2O) se disuelven fácilmente en agua, especialmente en presencia de CO2, acelerando el proceso de meteorización. A medida que el proceso de meteorización continúa los contenidos de Caolinita disminuyen y se alteran los demás compuestos a Fe2O3 y Al2O3. Existen investigaciones que demuestran la disminución de los contenidos de Caolinita, con el aumento del promedio anual de lluvias (Lohnes y Demirel, 1973).

En conclusión en los lugares tropicales como el oriente boliviano la cobertura de los suelos residuales es mucho mayor a los del occidente, debido en su mayor parte al tipo de clima existente en la zona.

Alcance de flujos detríticos (medianamente frecuente)

Río

,

camino

vías

desprendimiento de rocas (frecuente)

Alcance de avalancha de rocas (muy raro)

Alud de nieve (muy frecuente)

Mediana peligrosidad

Sin riesgo

Alta peligrosidad

Alto riesgo

Baja peligrosidad

Alto riesgo

Alta peligrosidad

Alto riesgo

Alta peligrosidad

Sin riesgo

tubería

carretera

Detalles de zanjas de coronación para el control de

aguas superficiales en un talud

Canal de entrega con gradas de disipación

Arriba: Dunas. Abajo: Monigote – Árbol de Piedra- Laguna Colorada, Sud Lípez, Potosí

Meandro: En un meandro, la máxima profundidad se localiza siempre en el lado externo de la curva, donde la corriente adquiere mayor velocidad y capacidad para erosionar.

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