Capítulo 12 METEORIZACIÓN Y SUELOS

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1 Capítulo 12 METEORIZACIÓN Y SUELOS 1. ORIGEN Y CLASIFICACIÓN METEORIZACIÓ Y SUELOS RESIDUALES GE ERALIDADES En la tierra actúan simultáneamente dos tipos de procesos: los procesos endógenos: diastrofismo 129 y vulcanismo 130, los cuales intervienen desde el interior de la tierra creando relieve. Por otra parte a través de los procesos exógenos que integran la Gradación, se trata de nivelar o allanar el relieve de la tierra. Estos procesos comprenden la meteorización, la erosión y la remoción en masa. El relieve que se observa en la tierra constituye entonces el resultado del trabajo conjunto y antagónico de fuerzas que crean relieve y fuerzas quo lo modelan. Debido a la meteorización las primeras rocas que se formaron por endurecimiento de la corteza primitiva, (primeras rocas de origen magmático), se desintegraron y se descompusieron al quedar en contacto con la atmósfera. Los materiales sueltos y débiles que resultaron de este proceso dieron origen a otros tipos de rocas y diferentes tipos de suelos. La meteorización comprende entonces un conjunto de procesos a través de los cuales las rocas liberadas de los esfuerzos de confinamiento natural por denudación, o expuestas a la acción de los agentes atmosféricos, principalmente la lluvia y la temperatura y los gases (oxígeno, anhídrido carbónico y vapor de agua), con la contribución de la materia orgánica, se desintegran o se descomponen. A los productos de la descomposición de las rocas que yacen sobre su roca parental se les conoce como suelos residuales. Los suelos residuales están conformados por un conjunto de niveles llamados horizontes de meteorización, lo cuales tienen características diferentes. La composición varía según el horizonte y la textura es en esencia saprolítica, con preservación de la estructura original de la roca parental (textura heredada o relicta). Tanto la composición como la textura definen el comportamiento de los diferentes horizontes del suelo residual e ingeniería. Por otra parte la desintegración y descomposición de las rocas forma un manto suelto e inconsolidado llamado por algunos regolito. 129 Diastrofismo: conjunto de procesos mediante los cuales se deforme la corteza terrestre debido a fuerzas tectónicas. De estas firerzasunas son predominantemente horizontales (orogenéticas); otras predominantemente verticales: (orogenéticas) 130 Vulcanismo: como resultado de la actividad de los volcanes se originan montañas de ese origen 257

2 Los productos de este manto son transportados por el agua, el viento o el hielo, para formar suelos transportados y si son transpuestos por gravedad, se forman depósitos de gravedad como coluviones o talus. Las cenizas y otros suelos debidos a actividad volcánica explosiva se les puede considerar suelos transportados por el viento. El comportamiento de los suelos en ingeniería depende de características impresas a través de estos procesos: los suelos residuales (mezclas de roca, saprolito y suelo) forman horizontes donde se preserva algo de la estructura y otras características de la roca parental. Los suelos transportados presentan características diferentes según el tipo de agente de trasporte que los haya formado: si son aluviales (transportados y depositados por el agua), las partículas que los conforman se seleccionan por tamaños y la mayoría de las veces forman capas con características diferentes; si son eólicos (trasportados y depositados por el viento), son de tamaño arena (dunas) o tamaño limo con algo de arcilla (loess); y si son glaciales (trasportados y depositados por el hielo) son muy heterogéneos. Los depósitos de gravedad por su parte, conforman masas heterogéneas de bloques roca y suelo, sin selección alguna METEORIZACIÓ FÍSICA En la meteorización física las rocas se desintegran mecánicamente sin cambios en la composición mineral. Expansión y contracción térmica Por calentamiento y enfriamiento cíclico repentino, (calor de sol y frío de la noche y otras circunstancias), los minerales de muchas rocas se expanden y contraen diferencialmente dando lugar a la desintegración mecánica de las rocas, debido a que los coeficientes de dilatación y contracción cúbica de los minerales difiere mucho de un mineral a otro. Este proceso es común en los desiertos donde las rocas están desnudas y la temperatura puede superar los 85 C con fluctuaciones medias de 50 C. En Colombia este fenómeno se ha observado en regiones como Pescadero (Santander), en el cañon del río Chicamocha. Allí en horas de la noche, se escuchan chasquidos de las rocas cristalinas que se desprenden de los macizos. Alivio por descarga Muchas rocas expuestas en superficie estuvieron sepultadas en el pasado a más de metros de profundidad y quedaron expuestas en los valles por denudación. Debido a estos procesos la presión de confinamiento disminuye y las rocas sufren agrietamientos de tensión en respuesta al alivio por descarga. Por este mecanismo se originan las diaclasas de relajación que se observan expuestas en cortes altos de carretera, con mucha frecuencia en taludes que exponen filitas, granitos y otras rocas cristalinas. Estas diaclasas son abiertas y muy juntas y se aprecian en la cara de las laderas más pendientes, especialmente cuando quedan expuestas en cortes de carreteras. En estos sitios afectan un espesor variable de aproximadamente 15 a 20 metros, y 258

3 constituyen la casa principal de desprendimientos, deslizamientos de cuñas y separación de lozas de roca. En las masas graníticas aliviadas de carga por denudación la a la vez que se alivian de carga se expanden diferencialmente, debido a que la parte mas expuestas se decompone y al descomponerse se incrementa el volumen. Es decir que la roca de superficie, mas expuesta a la descomposición, se expande y se separa de la sana; de esta manera terminar por exfoliarse como una cebolla. A nivel regional en una zona de granito sujeto a este proceso se forman colinas redondeadas conocidas como domos de exfoliación. El mismo fenómeno se presenta en los bloques individuales de granito en un proceso conocido como meteorización esferoidal. En este caso se forman grandes bolas de roca que al separarse original depósitos de esas bolas conocidos en Antioquia como organales. Estos depósitos plantean problemas espaciales en cimentaciones y excavaciones para obras de ingeniería. Desintegración por Hidro-fracturación Al congelarse el agua que penetra en las fracturas, fisuras y aun poros de las rocas a 0 C, el volumen se incrementan en un 9%, originando presiones de expansión de aproximadamente 200 Mpa, muy superiores a la resistencia de las rocas a la tensión. Como consecuencia las rocas se fracturan dando lugar a grandes bloques angulares. Este tipo de desintegración mecánica es muy efectivo pero solo opera en altas montañas donde la temperatura oscila alrededor del punto de congelación. Acción de plantas y organismos Las raíces de los árboles penetran en las rocas a través de fisuras y grietas y como consecuencia de su crecimiento en grosor y longitud agrandan las grietas donde penetran y crean nuevas fracturas, aflojando las rocas. Un papel similar desempeñan los pequeños roedores y los gusanos que penetran en las rocas aflojando aun más los fragmentos sueltos a expensas de otros mecanismos. Humedecimiento-secado cíclico Las lutitas en general se fisuran y deslíen por cambios cíclicos de humedecimientosecado provocados por lluvia e insolación alternos. Al humedecerse estos materiales se hinchan y posteriormente por desecación se contraen y agrietan. Por cambios sucesivos debidos a lluvia y desecación las fisuras se propagan cada vez más profundamente en los macizos de lutitas, principalmente de la variedad llamada shale METEORIZACIÓ QUÍMICA Este proceso comprende la descomposición de las rocas con formación de nuevos minerales, más livianos y débiles que los minerales originales. A) Factores En la Tabla I se mencionan los factores comunes del clima, la vegetación, la morfología.y la roca misma, que favorecen la descomposición. 259

4 En regiones trópicales el efecto combinado del clima y la biota favorece enormemente la formación de suelos residuales bien desarrollados y espesos. En las zonas montañosas de la tierra, especialmente las afectadas tectónicamente en el presente, la meteorización es inhibida por la tasa alta de denudación. Dentro de los procesos de meteorización física el de alivio por descarga es el de mayor interés debido a que afecta las laderas rocosas más abruptas donde se realizan excavaciones de carreteras, trabajos de minería y otras excavaciones. La estabilidad de muchos túneles viales con escasa cobertura lateral puede verse amenazada por la presencia de diaclasas de relajación en la sección de excavación. B) Procesos Oxidación Las rocas que contienen minerales ricos en hierro como olivino, augita, horblenda y biotita, son atacados por el agua portadora de oxígeno en solución, dando lugar a minerales como la Hematina, Fe 2 O 3 (color rojizo en las rocas) En presencia de agua la oxidación de los minerales ricos en hierro da lugar a la Limonita o Goetita FeO(OH) que es un óxido de hierro hidratado de color amarillento. En una reacción interesante, la pirita se oxida en presencia de agua y forma limonita con radicales sulfato y de átomos de Hidrógeno:. 2FeS 2 +15/2 O 2 + 4H 2 O 4 SO Fe nh 2 O + 8H ++ La oxidación de la pirita relaja calor y puede producir combustión espontánea en escombros de minería. Se forma ácido sulfúrico. SO H + H 2 SO 4 El ácido en solución en el agua disuelve la limonita así que los escombros de minería poseen soluciones de hierro en ácidos sulfúrico que desbastan peces. Se detecta por el piso amarillento en los canales de desagüe. Lo mejor es sellar las minas para evitar el acceso del oxigeno. Hidratación Mediante esta se adiciona agua a la estructura molecular de un mineral como en el caso del Sulfato de Calcio o Anhidrita Ca SO 4 que al incorporar agua se convierte en yeso: Ca SO 4. 2H 2 O Se trata de una reacción extremadamente lenta. La hidratación conlleva incremento de volumen. CaSO 4. 2H 2 O Yeso CaSO 4 + 2H 2 O (revesible) anhidrita 260

5 Tabla I FACTORES QUE CONTROLAN LA METEORIZACIÓN QUÍMICA Factores Agentes Efectos Climáticos Temperatura Humedad Las reacciones químicas son endotérmicas y por cada 10 C de incremento en la temperatura, la velocidad de las reacciones químicas se duplica y aún se triplica (regla de.van t Hoff s) El agua es el agente mayor, por cuanto disuelve las rocas y evacua las sustancias disueltas en el proceso de drenaje. Bióticos. Plantas La cobertura vegetal protege el suelo ya formado de la erosión y en zonas tropicales produce abundante materia orgánica que moviliza el hierro en el proceso de chelation. Geomorfológicos y topográficos Edad del relieve El relieve mismo En regiones jóvenes de la tierra como los Andes Suramericanos, aunque la velocidad de la meteorización es muy alta, la denudación es muy agresiva e impide el desarrollo de los suelos residuales en las regiones más agrestes. Por otra parte el relieve controla el drenaje, es decir, el movimiento del agua a través del subsuelo y en superficie. Si hay un buen drenaje, el agua percola el subsuelo a través de las fracturas de las rocas permitiendo el contacto con los agentes atmosféricos que producen la descomposición. Los suelos residuales no se desarrollan bien en zonas con altos gradientes donde la denudación es muy fuerte, ni en zonas de topografía muy suave o plana donde el drenaje es muy pobre. Por otra parte si el relieve es fuerte las laderas se relajan con más facilidad favoreciendo el alivio de esfuerzos y el fracturamiento inicial de las rocas. 257

6 Factores geológicos Tipo de roca Las rocas cristalinas (ígneas y metamórficas) son más susceptibles a la descomposición que las rocas sedimentarias, las cuales al fin y al cabo están constituidas por minerales que son en su mayoría productos de descomposición. Un caso especial lo constituyen las calizas que se disuelven y forman cavidades de muchos tipos en el subsuelo. De las rocas cristalinas aquellas con abundantes minerales ferromagnesianos, ricos en calcio, hierro y magnesio, como los Basaltos y los Gabros, son más susceptibles que la que poseen minerales ricos en sílice, Sodio y Potasio, como los Granitos. El acceso del agua a las rocas es más fácil entre más fracturadas estén. Factores cronológicos El Ambiente tectónicos y el ambiente climático han cambiado en la tierra constantemente y en el estudio de suelos residuales es importante tener en cuenta que los suelos de hoy pudieron ser originados en otras condiciones ambientales. 258

7 Hidrólisis Se trata del proceso más importante de descomposición de las rocas en climas tropicales. El agua, en forma ionizada (H+ OH-), muy activa químicamente, ataca minerales como los feldespatos y otros silicatos disolviéndolos. Los iones de hidrógeno H+ reemplazan los cationes metálicos en la red cristalina y los iones OH- se combinan con estos cationes desplazados para formar carbonatos y bicarbonatos que son evacuados en disolución en el proceso de lixiviación (drenaje). El carácter de los productos resultantes depende del ambiente de meteorización, en particular de la facilidad con que son removidos los cationes, en virtud de la efectividad del drenaje y del índice de acidez ph del agua, que en regiones tropicales oscila entre 5 y 7 aproximadamente. Con base en varios estudios se propone el grado de movilidad siguiente: (1) Mayor movilidad Ca ++ Na + Mg ++ K + (2) Movilidad media K + Mg ++ Si ++++ Fe ++ (ferroso) (3) Movilidad mínima Fe +++ (férrico) Al +++ El Calcio y el Sodio se movilizan muy fácilmente en tanto que el magnesio y el potasio pueden llegar a quedar en el sitio formando nuevos minerales. Por su parte la Sílica se moviliza muy poco independientemente del ph.del agua. La movilidad del Hierro y el Aluminio es de mucha importancia y se ha investigado experimentalmente. El Hierro en estado ferroso, se evacua con relativa facilidad pero lo más probable es que se combine con el oxígeno y pase al estado férrico. En este estado es muy difícil de evacuar. En el laboratorio solo ocurre con Ph menor de 3,5, poco común en ambientes de meteorización. La movilidad del Aluminio (Al 2 O 3 ) solo ocurre experimentalmente con Ph alrededor de 4 o cerca de 10, también poco frecuente en el ambiente real. En realidad los cationes de movilidad alta se evacuan con muy poco drenaje; los de movilidad intermedia permanecen un tiempo en solución aunque el drenaje sea abundante y se vuelven a depositar para formar nuevos minerales principalmente arcillosos del tipo ilita (potásica) y montmorillonita (K, Mg, Fe). Por su parte, en el Aluminio y el Hierro férrico permanecen en el sitio formando arcillas del tipo Caolinita (Al), el hidróxido de hierro Al (OH) 3 conocido como Gibsita y el hidóxido de hierro FeO (OH) llamado Goetita o Limonita. Es decir que en ambientes poco drenados se encuentra montmorillonita, acompañada por lo general de sericita y clorita, y en ambientes bien drenados, Caolinita acompañada de Goetita y Gibsita. La intensidad y profundidad de la descomposición es función de una mayor precipitación, mayor temperatura, mejor cobertura vegetal, buenas condiciones de drenaje, mayor susceptibilidad de las rocas a la descomposición y más prolongada estabilidad del relieve. En la región tropical se dan estas condiciones en las regiones 259

8 tectónicamente tranquilas. En la zona de la región Andina tectónicamente activa, la formación de suelos residuales es inhibida debido a esta circunstancia y los suelos residuales se desarrollan muy poco donde la tasa de denudación es muy alta. El procesos de Hidrólisis afecta principalmente a los feldespatos de las rocas cristalinas como los granitos y otras rocas que posen estos minerales. Algunas reacciones que pueden darse en la naturaleza en desarrollo del proceso de hidrólisis son las siguientes: 4K Al Si 3 O H 2 O Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 +4K + + 8H 4 SiO 4 + 4OH - Feld. Potásico caolinita a. o 4Na Al Si 3 O H 2 O Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 +4Na + + 8H 4 SiO 4 + 4OH - Feld. Sódico caolinita a. o. Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + n H 2 O Al 2 O 3 n H 2 O + 2 Si O 2 Caolinita bauxita (gibsita) Si bien la hidrólisis puede darse por el ataque de los iones de hidrógeno del agua en estado ionizado (H+ y OH-) y sustitución de los cationes metálicos como Ca, Na, K, Fe y Al, en los silicatos, esta sustitución es más efectiva por la presencia de iones de hidrógeno adicionales en la naturaleza, provenientes del H 2 CO 3 (ácido carbónico) que se forma por disolución de CO 2 en el agua natural. Este ácido carbónico se ioniza ( H+ HCO 3- ) y contribuye con más hidrógeno de sustitución. Tarbuck y Lutgens (1999) citan el caso de la reacción del granito, compuesto principalmente de cuarzo y feldespato potásico: 2 K Al Si3O8 + 2(H+ +HCO3-) + H20 Feldespato ácido carbónico agua Potásico Al2 Si2O5 (OH)4 + 2K+ +2HCO3-4 4SiO2 Caolinita iones: potasio y bicarbonato sílice Los iones de potasio sirven de alimento a las plantas o forman bicarbonato soluble que es lixiviado y evacuado por corrientes. Además de formarse caolinita (arcilla muy común en el ambiente tropical) como producto estable el agua subterránea extrae algo de sílice del feldespato, la cual se disuelve y precipita formando nódulos en los sedimentos o llega al océano donde se convierte en un material cementante o es alimento de minerales microscópicos que incorporan esa sílice en sus caparazones. También los granos de cuarzo (muy poco 260

9 solubles) viajan al océano para formar los granos de las areniscas mientras que la caolinita puede hacer parte de las lutitas. Chelation Se ha encontrado que en ambientes tropicales el hierro es evacuado por la acción de ácidos orgánicos producidos por las plantas. Estos ácidos principalmente húmico y félvico son producidos en el proceso de putrefacción de las plantas y tienen un marcado efecto en la solubilidad del hierro liberado en el proceso de meteorización. Carbonatación El anhídrido carbónico CO 2 de la atmósfera se disuelve en el agua lluvia y forma un ácido débil llamado ácido carbónico (H 2 CO 3 ) el cual reacciona con los carbonatos, principalmente el CO 2 para formar bicarbonato en solución. Estos bicarbonatos son redepositados o arrastrados por las corrientes. CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 (ácido carbónico) CaCO 3 + H 2 CO 3 = Ca++ + 2HCO 3 (bicarbonato soluble). La calizas se disuelven fácilmente en zonas tropicales por estos procesos originando cavidades pequeñas y grandes, estas últimas llamada cavernas. En zonas donde existen cavernas el agua superficial se infiltra para formar cauces subterráneos. En proyectos de ingeniería es muy importante detectar la presencia en el subsuelo de tubos y cavernas de disolución que conforman un patrón de drenaje subsuperficial anómalo. Cuando se construyó el túnel de carga del proyecto Chivor II en Colombia, la presencia de este tipo de cavidades no se tubo en cuanta en el diseño. Al llenar el túnel, la presión del agua lavó estas cavidades y el agua comenzó a escaparse por la ladera. El túnel debió ser sometido a una costosa reparación. Y el agua escapada provocó grandes presiones en la base de depósitos de coluvión que cubren la roca provocando deslizamientos importante en el sitio de puente muros que afectaron la carretera a Santa María. Disolución Muchos minerales como la sal y el yeso se disuelven fácilmente en el agua. En la Tabla II se presenta en forma muy resumida los procesos y productos de descomposición más frecuentes 261

10 Tabla II Algunos ejemplos de procesos y productos de descomposición PROCESOS DESCRIPCIÓN EJEMPLOS Oxidación Reacción del los minerales ricos en hierro con el oxígeno disuelto en el agua. El hiero ferroso de muchos silicatos ferromagnesianos se oxida y pasa al estado férrico dando lugar a óxidos e hidróxidos insolubles. A partir de rocas ígneas básicas por ejemplo se forma Hematita, Limonita o Goetita y Gibsita Hidratación Adición reversible de agua a ciertos minerales La Anhidrita CaSO 4. H 2 O se tranforma en Yeso CaSO 4. Hidrólisis Acción del agua en estado iónico sobre los silicatos para formar silicatos hidratados Se forman las arcillas como la Caolinita (silicato hidratado de Aluminio) o la montmorillonita (silicato hidratado de K, Mg, Fe) y las micas hidratadas como la vermiculita, y la clorita. Carbonatación El Anhídrido carbónico se disuelve en el agua y forma ácido carbónico el cual reacciona con minerales ricos en Ca, Mg, Na y K Mediante esta reacción se disuelven las calizas. Se forman tibos y cavernas de disolución en ambientes húmedos Disolución Ciertas substancias se disuelven fácilmente en presencia del agua. La sal es solubles en agua HORIZO TES DEL SUELO RESIDUAL Como resultado de la descomposición de las rocas se forma una secuencia de horizontes cada uno de los cuales posee características físicas, químicas y mecánicas diferentes. El paso de un horizonte a otro es gradual y el comportamiento es característico para cada horizonte, dependiendo no solo del patrón estructural impuesto por las proporciones de roca sana, saprolito 131 y suelo residual; sino también de la mineralogía desarrollada en cada horizonte. 131 Roca parcialmente descompuesta con consistencia de suelo pero apariencia de roca 262

11 Según una antigua concepción agronómica, en el suelo residual se reconocen tres horizontes: HORIZONTE A, donde las partículas disueltas en el proceso de descomposición, son removidas por las aguas de percolación hacia la parte inferior del perfil (lixiviación). Se denomina Horizonte Eluvial y es generalmente poroso. En la parte superior de este horizonte se concentra la materia orgánica donde se desarrolla la vegetación. HORIZONTE B, en el cual se acumula el material eluviado de la parte superior (Horizonte Iluvial) ; se caracteriza por ser algo cementado como consecuencia del efecto aglutinante del hierro y el aluminio removido en estado de solución o suspensión desde el horizonte superior. Debajo se sitúa el HORIZONTE C, que corresponde a la Roca Madre, es decir, la roca parental. Basadas todas ellas en el concepto agronómico descrito. (Figura1) Con base en esta concepción agronómica, en geotecnia se reconocen 6 horizontes: Horizonte VI Suelo Residual. (SR) Con nuevos minerales y sin vestigio de estructura heredada de la roca parental. Corresponde a los horizonte A y B agronómico s. Horizonte V Roca Completamente Descompuesta. (RCD) Con nuevos minerales pero con vestigios de la estructura heredada. Por presentar vestigio de la roca parental se le llama Saprolito. (Saprofito Fino). Corresponde al horizonte C agronómico. Horizonte IV Roca Altamente Descompuesta.(RAD) Parcialmente contiene minerales producto de la descomposición, saprolito (S. Grueso) y pequeños fragmento de roca. Horizonte III Roca Moderadamente Descompuesta. RMD) Con alto porcentaje de rocas (boques algo entrabados mecánicamente), y algo de saprolito (Meteorización penetra algo los bloques). Horizonte II Roca Débilmente Descompuesta, (RDD) con 100% de roca fresca pero con oxidación en la cara de las diaclasas, debido a que éstas estan ligeramente abiertas y permiten el acceso al agua. Es cecir que los bloques están algo sueltos. Horizonte I entrabados 132. Roca fresca ( o descompuesta), (RF) con bloques perfectamente Desde el punto de vista de ingeniería se deben destacar algunos puntos: Los 6 horizontes del perfil de meteorización raramente se desarrollan y en la práctica se debe establecer cuáles de ellos se presentan en los sitios en investigación. Las características de los horizontes y el grado de su desarrollo 132 Los bloques de roca no están necesariamente sanos; la roca puede estar muy fracturada o cizallada dentro de una zona de falla. 263

12 dependen de la roca parental, el clima, la vegetación, la estabilidad del relieve y el tiempo de exposición de las rocas a los agentes de descomposición. No existen límites definidos entre un horizonte y otro sino una transición gradual. El comportamiento geotécnico de los horizontes (estabilidad de excavaciones y cimentaciones, erodabilidad, dificultad de excavar los materiales (manualmente, directamente con equipos pesados o con ayuda de explosivos) depende, tanto de las proporciones de roca, saprofito y suelo residual en cada horizonte como de la mineralogía, es decir que ambos aspectos deben ser investigados. El Horizonte VI por ejemplo no tiene estructura heredada y posee abundante arcilla y óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio. En los horizonte saprolíticos V y IV se presenta estructuras heredadas, es decir que las masas de roca presentan discontinuidades estructurales que deben ser analizadas. La mineralogía es diferente de la del horizonte VI. El horizonte III es de transición y de comportamiento algo complejo por esa razón. Los Horizontes I y II son muy semejantes pero las manchas de oxidación del horizonte II sugieren que la masa de roca posee diaclasas abiertas y en consecuencia esos bloques pueden estar algo flojos. Estos puede ser de interés para alguien que diseña un túnel. En la Figura1 se muestra una idealización del perfil de meteorización y en la Tabla III se describen varios aspectos: los criterios de reconocimiento de los diferentes horizontes, con base en la perdida de agua en las perforaciones, y el comportamiento de cada horizonte respecto de estabilidad (excavaciones y fundaciones) y dificultad de excavar I FLUE CIA DE LA MI ERALOGÍA Es claro que las proporciones de roca, saprolito y suelo tienen una influencia importante en la interacción puramente mecánica de estos componentes, ligada principalmente a su resistencia y anisotropía. Pero el ingeniero debe saber interpretar además, el comportamiento de los suelos residuales en cuanto a las propiedades mecánicas de los minerales mismos presentes en cada horizonte. La mineralogía controla en gran parte del tamaño, forma y propiedades físicas y químicas de los suelos y por tanto es decisiva para comprender su comportamiento. Los suelos en general contienen proporciones variables de minerales cristalinos arcillosos y no arcillosos, materiales arcillosos no cristalinos, materia orgánica y sales precipitadas. 264

13 Horizonte VI Horizonte V Horizonte IV SR RCD RAD Horizonte III RMD Horizonte II Horizonte I RDD RF Figura 1 Horizontes del perfil de meteorización Aunque los minerales arcillosos no son los más abundantes, tienen una influencia predominante en el comportamiento de muchos suelos presentes en taludes y cimentaciones, donde se presentan, aún en una pequeña proporción. SUELOS COHESIVOS Las arcillas integran un grupo de silicatos hidratados de aluminio, con algo de magnesio o hierro sustituyendo parcial o totalmente el aluminio, y con proporciones variables de sodio, potasio, calcio y magnesio en algunas ocasiones; en climas tropicales y subtropicales son producidas por descomposición de varios tipos de roca. Las partículas de arcilla son muy pequeñas (menores de 2 micras) y tienen forma laminada. Se clasifican como suelos cohesivos, debido a que su comportamiento depende fundamentalmente de la interacción físico-eléctrica entre las partículas. La superficie de estas partículas posee cargas negativas, suficientes para atraer las partículas adyacentes, junto con los electrolitos disueltos en la capa adsorbida 133 La plasticidad de estos suelos y muchas propiedades relacionadas con la plasticidad, como la resistencia, la compresibilidad y la expansividad, varían con los contenidos de humedad del suelo y el tipo de electrolitos disueltos 133 Los electrolitos de sodio, potasio, magnesio, etc disueltos en el agua de los poros son atraídos hacia la superficie de las partículas minerales, de tal manera que el agua situada en la inmediata vecindad de cada partícula tiene propiedades distintas a las del agua normal, lo cual establece la diferencia entre agua absorbida y agua adsorbida. 265

14 Tabla III Comportamiento geotécnico de los horizontes del perfil de meteorización VI SUELO RESIDUAL Horizonte laterítico V ROCA DESCOMPUESTA V ROCA COMPLETAMENTE DESCOMPUESTA Saprolito Fino V ROCA DESCOMPUESTA V ROCA ALTAMENTE DESCOMPUESTA No se reconoce fábrica relicta o heredada; a lo sumo algo de fábrica mineral. Retorno de agua turbia en la perforación, sin pérdida. Sin fábrica relicta Con fábrica relicta Roca decolorada muy deleznable con fábrica relicta. Retorno de agua turbia en la perforación, con algo de pérdida. Sin recobro Con recobro, pero sin núcleos Roca decolorada; los fragmentos se pueden desmenuzar aún con la mano. Pueden recobrarse algunos núcleos de perforación. Pérdidas de agua de lavado. Incompetente como material de fundación e inestable en excavaciones, si no se provee protección. Las fallas de taludes son semejantes a las de otros suelos, es decir sin control estructural. Se puede excavar a mano. Incompetente como fundación de grandes estructuras; cortes requieren protección vegetal. Las fallas de taludes son semicontroladas por la estructura heredada. También se puede excavar a mano sin dificultad. Las fallas de los taludes son controladas por la fábrica relicta o heredada. Se requiere parcialmente usar equipos pesados y explosivos en las excavaciones. V ROCA DESCOMPUESTA V ROCA MODERADAMENTE DESCOMPUESTA Recobro de núcleos < (30%-40%) Recobro de núcleos > (30%-40%) Roca decolorada; los fragmentos no pueden romperse con la mano y los fragmentos presentan meteorización penetrativa. Se pierde casi toda el agua de lavado si no se usa lodo. Sirve como fundación de estructuras pequeñas y puede usarse para relleno semipermeable; su estabilidad en cortes depende de su actitud estructural. Requiere el uso de explosivos para excavarse. V ROCA DESCOMPUESTA V ROCA DÉBILMENTE DESCOMPUESTA ROCA FRESCA Con meteorización penetrativa Sin metorización penetrativa La roca es algo decolorada y presenta la apariencia de roca fresca, salvo que posee meteorización superficial en las diaclasas y fracturas Con oxidación superficial Sin oxidaciónsuperficial o muy poca Roca parental sana Estable como fundación de grandes estructuras, las diaclasas abiertas y la posibilidad de que circule agua a presión por éstas, es desfavorables para la estabilidad de excavaciones. Requiere el uso de explosivos para excavarse. Estable como fundación; las fallas de taludes de corte están controladas estructuralmente. Requiere el uso de explosivos para excavarse Tabla 266

15 DESCRIPCIÓ Y COMPORTAMIE TO DEL PERFIL DE METEORIZACIÓ SUELOS NO CHESIVOS Las propiedades de los suelos no cohesivos, como arenas, gravas y algunos limos, producidos generalmente por meteorización física, dependen más bien de la interacción física entre las partículas, expresada más que todo en su estado de densidad. Sus propiedades no cambian apreciablemente con el contenido de humedad. Cuando provienen de rocas ígneas estos suelos contienen el 60% de feldespatos, 17% de piroxeno de anfiboles, 12% de cuarzo, 4% de micas y el 8% restante de otros minerales. También abundan entre los suelos no cohesivos la calcita y la dolomita en forma de precipitados, en solución o en caparazones y conchas de origen orgánico. Las gravas están constituidas esencialmente por fragmentos de roca, en tanto que el cuarzo y el feldespato son los minerales más abundantes en las arenas MI ERALES ARCILLOSOS Y OTROS SIMILARES GE ERALIDADES Los minerales arcillosos pertenecen a la familia de los filosilicatos, junto con otros minerales como serpentina, vermiculita, talco, clorita y sericita. Las arcillas están constituidas por pequeñas láminas o escamas con fuerte carga negativa en superficie, lo cual controla el intercambio de cationes dentro de la capa adsorbida. Esta circunstancia y el contenido de humedad de las arcillas hace que la plasticidad en los suelos cohesivos la plasticidad varía de una manera apreciable y con ello sus propiedades de expansividad, resistencia al corte, comprensibilidad y conductibilidad hidráulica. Las dos unidades estructurales en los filosilicatos son los tetraedros de Silica y los octaedros de Alúmina (Figura 3). La diferente manera como se enlazan fisica y químicamente estas unidades estructurales para formar láminas y conjuntos de láminas, determina el tipo de arcilla y su comportamiento. Varias unidades tetraédricas conforman una Lámina de Silicala ( Si 4 O 10 ) 4 - en la cual, 3 de 4 oxígenos de cada tetraedro son compartidos para formar una red hexagonal. Las bases de los tetraedros están todas en el mismo plano y sus puntas se orientan en la misma dirección; su carga negativa puede ser neutralizada por el reemplazo de 4 oxígenos por hidróxilos o por la unión con láminas de diferentes composición con carga positiva. A su vez varias unidades octaédricas se combinan para formar Laminas de Gibsita. Al 4 O 10 (OH) 12 o Láminas con Brucita Mg (OH) 6. En esta lámina el magnesio o el aluminio se combinan con oxígeno o hidroxilo, o en algunos casos otros cationes como el hierro y el manganeso pueden remplazar el aluminio (Bibsita) o el Magnesio (Brucita). Las láminas de sílica y Alúmina se combinan de diferente naturaleza para formar distintos tipos de arcillas u otros silicatos hidratados laminados (Filosilicatos). 267

16 Figura 3. Unidades estructurales CAOLI A SERPE TI A Los diagramas de la Figura 4 muestran esquemáticamente la estructura de la arcilla del grupo Caolinita, un silicato hidratado de Aluminio y de Serpentina, otro mineral de alteración rico en magnesio; en la Figura 5 la correspondiente estructura mostrando la distribución de la silice, el oxígeno, los hidroxilos y el aluminio en la red cristalina. Si la capa octaédrica contiene aluminio (Gibsita), se origina Caolinita y si contiene magnesio (Brucita), se forma Serpentina. En la Figura 6 se presenta una microfotografía de la caolinita. Figura 4. Esquema de la estructura de la caolinita y de la serpentina 268

17 Figura 5. Diagrama de la estructura de la Caolinita Figura 6. Microfotografía de la caolinita 269

18 En la Caolinita un conjunto de dos láminas: una de sílica y una de alúmina forman una capita 1:1 la cual se enlaza con capitas vecinas con Hidrógeno, constituyéndose así una unión relativamente fuerte y estable. Existen dos variedades importes de Caolinita: la Halosita (forma hidratada) donde las capitas de Silica-alúmina están unidas por 4 moléculas de agua y la Metahalosita (Forma no hidratada) que solo contiene 2 moléculas de agua. Estas variedades de caolinita abundantes en ambientes tropicales, son particularmente problemáticas debido a su baja densidad (debida a su estructura tubular) y a que al pasar de la forma hidratada a no hidratada, se inducen cambios drásticos en el comportamiento en taludes y rellenos. En las Figuras 7 y 8 se presentan la estructura de la haloisita y la correspondiente microfotografía. Las arcillas de este grupo son sensibles a la erosión pero relativamente estables en fundaciones debido a su baja expansividad. La variedad Haloisita es problemática en los rellenos debido a su baja densidad y alto contenido de agua y en los taludes debido a su pérdida de resistencia cuando por efecto de remoldeo se reduce drásticamente su resistencia. Este tipo de suelo abunda principalmente en la Cordillera Central de nuestro país, como producto de la descomposición de granodioritas, cuarzodioritas y rocas semejantes, propias de zonas de batolitos como el Batolito Antioqueño. Las Haloisitas en particular abundan en la misma Cordillera Central, como producto de descomposición de las cenizas volcánicas. La Serpentina es un mineral magnesiano, laminar, de color verde semejante a la clorita, producido por descomposición de rocas ricas en magnesio como los basaltos y diabasas. Se trata de un mineral inestable. Figura 7. Esquema de la estructura de la haloisita hidratada y de la haloisita no hidratada 270

19 Figura 8. Microfotografía de la haloisita ESMECITA: MO TMORILLO ITA-SAPO ITA (ESTEATITA) Este grupo de arcillas (Figura 9 y 10), corresponde a silicatos hidratados de Aluminio, con proporciones variables de hierro, magnesio, calcio y otros cationes que pueden sustituir al aluminio. Estructuralmente (Figura 11) una lámina de Gibsita se intercala entre dos láminas de Silica (estructura 2:1) para formar capitas de tres láminas. En las láminas de Gibsita el Aluminio 3+ puede estar sustituído por Magnesio 2+ o hierro 2+. De esta sustitución resulta una gran carga negativa que atrae agua y cationes metálicos de Mg y Fe entre las láminas, formando un enlace débil e inestable. Por esta razón estas arcillas son retracto-expansivas Debido a su baja permeabilidad son erodables. Es menos escasa de lo que se piensa en nuestro país. Se forman principalmente por descomposición de rocas básicas en ambientes con escaso drenaje. Abundan en la Costa Atlántica y en el interior del país, en ambientes con balance hídrico negativo, es decir, mayor evaporación potencial que precipitación ILITA VERMICULITA En la arcilla Ilita, para algunos más bien una mica hidratada, se presenta una estructura semejante a la de la montmorillonita solo que alguna Silice 4+ es sustituida por Al3+ lo cual provoca adherencia de K+ entre las láminas, dando lugar a una unión estable (Figura 12, 13 y 14). Se forman principalmente por descomposición de feldespatos y abunda en muchas rocas metamórficas y lutitas. 271

20 La Vermiculita, es una mica hidratada formada principalmente por alteración hidrotermal de la biotita, a la cual se asemeja. Es algo expansiva y muy inestable en taludes y cimentaciones. Figura 9. Esquema de la estructura de la montmorillonita Figura 10. Microfotografía de la montmorillonita 272

21 Figura 11. Diagrama de la estructura de la Montmorillonita 273

22 Figura 12. Esquema de la estructura de la Ilita y de la vermiculita Figura 13. Microfotografía de la ilita 274

23 Figura 14. Diagrama de la estructura de la Ilita OTROS MI ERALES Clorita Esta hidromica, rica en Hierro y Magnesio, es el producto de descomposición de las micas o resulta de alteración hidrotermal de rocas graníticas (Figura 15) Sericita (Variedad de moscovita) 275

24 Figura 15. Esquema de la estructura de la clorita Talco Mineral secundario producto de alteración de rocas ígneas máficas y ultramáficas como gabro o peridorita SUELOS TROPICALES GE ERALIDADES En un clima tropical la descomposición es intensa y el suelo residual se desarrolla hasta una gran profundidad. Con abundante lluvia, alta temperatura, buen drenaje y relieve estable, abundan las arcillas del grupo de la caolinita, los óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio; goetita, hematita y gibsita y arcillas especiales, no cristalinas provenientes de suelos volcánicos jóvenes, conocidas como alofanas. Según las condiciones climáticas del sitio y la profundidad en el subsuelo, en la zona tropical se reconocen diferentes tipos de suelos, entre otros los siguiente: 1. Suelos saprolíticos 2. Suelos Lateríticos 3. Suelos Andosoles 4. Suelos expansivos 5. Suelos colapsibles 276

25 SUELOS SAPROLÍTICOS Estos suelos corresponden a los horizontes V (saprofito fino) y IV (saprofito grueso) del perfil de meteorización, bien desarrolados en rocas plutónicas ácidas (granitos y granodioritas principalmente) de regiones tropicales húmedas. Estos suelos y el resto de suelos residuales plantean algunas dificultades para su caracterización en ingeniería: (1) En el tamizado de estos suelos se corre el riesgo de destruir su estructura original; (2) Es difícil aplicar los límites de Atterberg, puesto que la porción que pasa el tamiz 40 (que separa el suelo de la fracción fina del suelo de la fracción gruesa) es por lo general muy pequeña y por lo general no es representativa del comportamiento total del suelo. Otros problemas de caracterización se comentan adelante al tratar los suelos lateríticos y los andosoles, los cuales en parte son saprolíticos.. En Colombia los suelos saprolíticos abundan en la cordillera Central y el macizo Colombiano asociados a los cuerpos plutónicos como el Batolito Antioqueño, el Batolito de Sonsón y los cuerpos plutónicos de las macizos de Ibagué y Garzón SUELOS LATERITICOS El término Laterita se usó originalmente (Buchana,1807), para designar suelos rojizos que se endurecen irreversiblemente al quedar expuestos al aire. Recientemente, en Francia (Duchaufour. 1982) desarrolló una clasifiación para suelos tropicales y subtropicales, que considera 3 fases en la formación de suelos rojizos, según la intensidad de meteorización en ambientes tropicales. (Tabla IV) FASE TIPO DE SUELO ZONA T. Anual (ºC) P (mm/a) ESTACIÓN SECA 1 Fersialítico Mediterránea, subtropical Sí 2 Ferrisoles ferruginosos (transicional) Subtropical Algunas veces 3 Ferralítico Tropical >25 >1500 No ota: Las fases 2 y 3, corresponden a laterita joven y madura, respectivamente. Tabla IV Esquema de los horizontes superiores del perfil de meteorización y fases del suelo residual en varios ambientes climáticos. 277

26 En la Figura 16 se muestran los tipos de suelos que pueden encontrarse en un perfil de meteorización, según se incrementan la precipitación y el grado de meteorización. Así por ejemplo a partir de las micas; moscovita y biotita, se forman primero clorita y vermiculita, con meteorización débil; con mayor lavado la vermiculita se transforma en motmorillonita y ésta en caolinita, goetita y gibsita, a medida que se incrementa el lavado y por tanto el grado de meteorización. Obsérvese también como las arcillas y los óxidos provienen de manera similar, del feldespato potásico, el fesdespato Na-Ca y los minerales ferromagnesianos. En general en el ambiente tropical, según se incrementa el grado de meteorización se disuelve mayor cantidad de sílice y se forman diferentes tipos de arcilla, óxidos e hidróxidos. Inicialmente el feldespato se transforma en caolinita, hierro hidratado (goetita) e hidróxido de aluminio (Gibsita); el cuarzo y la moscovita no se alteran o muy poco. Cuando la descomposición continúa, decrece el contenido de caolinita, en tanto que la Goetita y Gibsita se alteran a Hematita (Fe 2 O 3 ), Boemita), Al 2 O 3. H 2 O), respectivamente, originándose así el color rojo característico de estos suelos en el trópico. Cuando se desecan estos suelos se endurecen debido a la acción cementante de los óxidos e hidróxidos. La variedad más alterada es la Ferralítica y la menos alterada la Fersialítica. Así que en un ambiente tropical, en el horizonte superior del suelo, puedo encontrar suelo ferralítico, acompañado de caolinita y a una cierta profundidad aparecerá el suelo fersialítico con montmorillonita. Estos cambios se reflejan en comportamientos diferentes en ingeniería. Los suelos ferruginosos o lateritas jóvenes tienen una plasticidad comprable a la de la caolinita. Mientras que los suelos ferralíticos o lateritas maduras, con mayor efecto aglutinante de los óxidos de hierro y aluminio y menos caolinita, son menos plásticos. Los método tradicionales de clasificación de suelos basados en granulometría y gradación no permiten predecir el comportamiento de estos suelos en ingeniería. En la determinación de las propiedades índice se presentan algunas dificultades: (1) la determinación de la distribución granulométrica es de limitada utilidad en suelos lateríticos debido a debido a que depende del grado de secado y del tratamiento del suelo antes y durante el ensayo. (2) Los métodos de preparación de la muestra y procedimientos de laboratorio, pueden influir e manera muy significativa en la determinación de las características de compactación de los suelos lateríticos, dependiendo por ejemplo de la manera como se seque la muestra (estado natural, secada al aire o secada al horno), con valores muy diferentes de la densidad máxima y de la humedad óptima A DOSOLES Los Andosoles son suelos jóvenes de grano fino derivados de la descomposición de cenizas volcánicas recientes (Edades de 500 a 1500 años) Su nombre significa: suelos oscuros (FAO-UNESCO, 1974); También se les llama andisoles (USA, JAPÓN), o suelos alofánicos en Chile Y Argentina. Están compuestos de vidrio volcánico, que se descompone fácilmente a causa de su alta superficie específica. Por meteorización se forman mezclas de vidrio, alofana, 278

27 imogolita, haloisita, caolinita y masas de materiales amorfos semejantes a geles. En climas tropicales se presentan además concentraciones de de óxidos de hierro (goetita) y aluminio (gibsita). En la etapa temprana de meteorización se puede formar montmorillonita. La alofana es un silicato amorfo con alta porosidad, alta capacidad de intercambio catiónico, alta capacidad de adsorción de agua y muy alta actividad química debido a la alta superficie especifica. Cuando la haloisita se seca por tiempo prolongado en el aire o a temperaturas superior a 60ºC, pierde parte de su agua interna (se convierte en metahaloisita.) Esta deshidratación es inrreversible y las propiedades del suelo cambian drásticamente. La alofana y la haloisita se presenta con más frecuencia en climas húmedos con precipitación mayor de mm/a, en climas tropicales. La fábrica de los suelos volcánicos es de carácter granular, con agregados de partículas en racimos que pueden estar cementados con sesquióxidos (gibsita por ejemplo). Abundan en la zona cafetera de Colombia pero en otras regiones fuera de la tropical también pueden presentarse (América Central, Chile, Argentina). Se observan como horizontes de color marrón oscuro o negro, generalmente menos oscuro en climas tropicales donde exhiben un color rojizo marrón. Presentan un contenido alto de humedad natural, altos límites líquido y plástico y bajo índice de plasticidad. La plasticidad se incrementa por amasado pero decrece con la desecación. Los andosoles son otros tipos de suelos propios del clima tropical que no se pueden caracterizar por los sistemas tradicionales. Sus características de compactación varían ampliamente: el máximo peso unitario seco de los andosoles, obtenido en ensayos de compactación tradicionales, tiende a ser mucho mas bajo que el de otros suelos tales como la laterita y por lo general se plantea un problema cuando se caracteriza este suelo con ensayos de compactación Proctor. En primer lugar, se obtienen resultados diferentes secando la muestra al aire o en el horno: el peso unitario seco puede variar de 9,5 kn/m3 a 11,5 kn/m3, si la muestra se seca al aire o en el horno respectivamente. Además este peso unitario seco es por lo general considerablemente más bajo que el contenido natural de estos suelos, de tal manera que el criterio de compactación basado en el ensayo Protor no es aplicable en la practica. Debido a su inusual composición, estructura y fábrica, estos suelos presentan un comportamiento especial: aunque son relativamente estable en su estado no perturbado, debido a su alto contenido de agua cuando son perturbados por amasado, se remoldean y se vuelven semilíquidos, causando serios problemas de estabilidad en taludes y cimentaciones. Por otro lado los problemas de caracterización relativa a la compactación y su humedad excepcionalmente alta, origina dificultades en el diseño y construcción de terraplenes. Los Andosoles abundan también en las zonas volcánicas de la Cordillera Central de Colombia, en casi toda lana Cafetera. 279

28 SUELOS EXPA SIVOS Son suelos que presentan un gran incremento de volumen en presencia del agua y una fuerte retracción cuando se desecan. Este comportamiento plantea muchos problemas en la construcción de edificios, carreteras, canales etc. El grupo de la motmorillonita representa entre lar acillas, el de los suelos más expansivos que se conocen debido a que poseen una alta capacidad de absorción con el máximo comportamiento expansivo-retractil SUELOS COLAPSIBLES Estos suelos conocidos también como metaestables, se encuentran en muchas partes del mundo y se caracterizan por un repentino y enorme decrecimiento de volumen a esfuerzo constante cuando se inundan. La colapsibilidad depende en primer lugar del estado y el estado es función de los procesos de formación y de la historia geológica. Muchos suelos pueden colapsar ejemplo, loes, coluviones, flujos de detritos y lodos, suelos residuales, tobas volcánicas, materiales aluviales y rellenos construidos por el hombre. El potencial de colapso se debe por lo general a tres condiciones: (1) estructura abierta parcialmente saturada y potencialmente inestable; (2) los enlaces intergranulares de cualquier tipo se pierden por humedecimiento (3) aplicación de esfuerzos suficientemente mayores para colapsar la estructura. Los loes se reconocen entre los suelos màs colapsibles que existen RCILLAS RAPIDAS O MUY SE SITIVAS La sensitividad se refiere a la perdida de resistencia no drenada que se puede desarrollar por perturbación de la estructura de una arcilla. La mayoría de las arcillas exigen algo de sensitividad. El término arcilla rápida se aplica a masas arcillosas que se transforman rápidamente de un estado firme y coherente a la de un liquido viscoso. Este tipo de suelos se inestabilizan muy rápidamente por sismos, trafico, vibraciones etc. En las arcillas llamada muy sensitivas esta características es menos dramática EVOLUCIÓ DE OTROS MI ERALES E AMBIE TES TROPICALES En la Figura 17a se puede apreciar el resultado de experimentos que muestran la manera como se incrementa la solubilidad del hierro en función del ph, en presencia o ausencia de ácidos orgánicos (Ong, Swanson y Bisque, 1970). La solubilidad de ambos metales se incrementa con el aumento en concentración de los ácidos orgánicos, independientemente del. ph de la solución. 280

29 Estos datos experimentales en el caso del Hierro explican la extracción de este catión por reacción directa con los ácidos, independiente del ph, en el proceso conocido como Chelation o Queluviación. En la Figura 17b se puede observar como, en climas con precipitación baja abundan la motmorillonita; y a medida que incrementa la precipitación aparecen sucesivamente la caolinita y la goetita, en concordancia con lo expresado en la Figura 16. En la Figura 18 se puede comparar el espesor y características del perfil de meteorización para diferentes tipos de clima. Así por ejemplo en una zona de Taiga (un clima sur ártico con escasa vegetación) donde la precipitación fluctúa entre 500 mm y 700mm y la temperatura es inferior a 10 C, con evaporación comprable a la precipitación, no se forman hematita y gibsita; la caolinita es escasa mientras proporcionalmente abunda la montmorillonita. La profundidad de la descomposición es pequeña. En contraste en la zona de bosque tropical con alta precipitación, por encima de los 1.800mm se presenta todos los minerales de alteración y el suelo residual es profundo, es decir que abundan los suelos lateríticos junto con la caolinita en la parte superior del perfil. Estos suelos abundan en la Cordillera Central de Colombia, junto con la haloisita y la alofana, esta última asociada a los suelos volcánicos jóvenes. 281