jueves, 12 de noviembre de 2009

CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS RESIDUALES

GENERALIDADES
La definición de suelo residual varía de un país a otro pero; según Blight (1997)la definición razonable podría ser la de un material proveniente de proceso de meteorización de la roca in situ y que no ha sido transportado de su lugar de origen.

Estos suelos son encontrados en gran parte de la superficie terrestre, principalmente asociados con los climas tropicales donde los fenómenos de meteorización son más intensos, los perfiles de meteorización pueden alcanzar centenares de metros , y pueden poseer características geotécnicas completamente distintas a aquellas observadas en suelos transportados.

GÉNESIS DE LOS SUELOS RESIDUALES
Los procesos de desintegración y descomposición que las rocas sufren cuando son expuestas a las condiciones atmosféricas, son conocidas como meteorización, estos procesos son responsables directos de la génesis de los suelos residuales.

El resultado es un perfil compuesto por materiales muy heterogéneos que van desde la roca sana pasando por rocas meteorizadas o “saprolitos”, hasta el “suelo” o material completamente meteorizado y a coluviones.

Este conjunto de procesos modifica la estructura y las propiedades del suelo independiente de su historia de esfuerzos , y en su mayoría originan que estos suelos se comportasen como si fuesen sobreconsolidados. La génesis de los suelos residuales presenta, de esta forma, un problema particular en relacionar la estructura del suelo y su historia de esfuerzos, pues ambas cambian continuamente.

1.2.1 Los procesos de meteorización
La meteorización involucra todos los procesos de alteración ambiental actuantes en el medio geológico que tienden a poner a las rocas y a los minerales en equilibrio con los ambientes que se encuentran en o cerca de la superficie terrestre.
En estos procesos, la energía interna es liberada a medida que los minerales son descompuestos, produciéndose como resultado sustancias de menor energía interna, y por lo tanto más estables.
1.2.1.1 Naturaleza de la meteorización
Los procesos de meteorización pueden ser agrupados de acuerdo a su naturaleza en tres clases básicas .


Figura 1.01. – Meteorización de esquistos
1.2.1.1.1 Meteorización física
La meteorización física conduce a la disgregación de la roca por diversos mecanismos como puede ser alivio de tensiones, fatiga y ruptura mecánica, ocasionando la fragmentación de sus componentes minerales, sin que hayan tenido estas alteraciones químicas. La roca se va transformando paulatinamente en una masa incoherente compuesta por granos poliédricos con varias aristas vivas.
En la meteorización física se distinguen claramente dos fenómenos actuantes paralelamente, el interno es un proceso de relajación de tensiones residuales existentes en el macizo, y el externo es un conjunto de agentes que operan desde la superficie hacia el interior del macizo.
a) Fenómeno interno
Se entiende por este fenómeno a la relajación de tensiones residuales (carga litostática) existentes en el macizo rocoso, como producto de su historia geológica. El estado tensional del macizo se mantiene en equilibrio mientras persistan las condiciones de presión y temperatura en las que se formaron. El cambio de estas condiciones produce el desequilibrio tensional, que provoca la remoción de las capas superiores.
La nueva condición de la superficie obliga a la redistribución de tensiones residuales en el interior del macizo. De esta forma acontece la progresiva relajación de las tensiones, como resultado de este proceso surgen las fracturas de alivio.


Figura 1.02. – Desintegración por alivio de carga litostática
b) Fenómeno externo
Aquí se encuentran los agentes meteorizantes que actúan desde la superficie hacia el interior del macizo. Entre ellos tenemos:
 Ciclos térmicos
En regiones que presentan considerable gradiente de temperatura, las rocas sufren el calentamiento superficial durante el día como producto de la radiación solar, lo cual dilata las rocas, gobernada por los coeficientes de dilatación de cada mineral constituyente. Las rocas son un conjunto de minerales, entonces la dilatación no es uniforme es diferencial, por lo cual se genera tensiones internas en el macizo rocoso. Con el enfriamiento nocturno el fenómeno se invierte ocurriendo contracción. La repetición del ciclo lleva a la fatiga y posterior disgregación de los minerales constituyentes.
Adicionalmente, por diferencias de conductividad térmica de la superficie rocosa y la masa interior más protegida, se producen esfuerzos laterales que favorecen la exfoliación superficial .

Figura 1.03. – Exfoliación superficial
 Ciclos de congelamiento y descongelamiento (gelifracción)
En regiones frías, el agua de infiltración que penetra por las cavidades y fisuras de la roca puede sufrir congelamiento, aumentando su volumen, por lo que ejerce gran presión sobre las paredes y puede expandir las fisuras y las cavidades.
Ciclos repetidos de gelifracción representan un proceso importante de meteorización física. El agua tiene la propiedad única de expandirse alrededor de un 9% cuando se congela. Como consecuencia, la congelación del agua en un espacio confinado, ejerce gran presión hacia afuera por las paredes del lugar donde se encuentra .


Figura 1.04. – Gelifracción
 Hidratación
Determinados tipos de materiales (arcillas, sulfatos) aumentan su volumen al sufrir hidratación, produciéndose deformaciones importantes que pueden llevar a la fracturación de la roca . La reiteración del proceso de hidratación y desecación produce desintegración efectiva.
 Cristalización de sales
La cristalización de sales produce cambios volumétricos entre 1 y 5%; este proceso ocurre más eficientemente en condiciones áridas y cálidas, pero también sucede en regiones frías, en las regiones marinas las soluciones salinas pueden alcanzar los vacios y fisuras del macizo rocoso .
La precipitación de sales por migración capilar de soluciones puede producirse en la superficie de las rocas (eflorescencias), o en el interior a lo largo de las fracturas o microfracturas (subflorescencia). La subflorecescencia constituye un muy eficiente proceso de desintegración .
1.2.1.1.2 Meteorización química
La meteorización química produce la descomposición y variación de las estructuras internas de los minerales de las rocas, los principales agentes de la meteorización química lo constituyen el agua de infiltración y los gases atmosféricos en ella disueltos (especialmente O2 y CO2).
Estas soluciones acuosas percolan el macizo y alteran los minerales (primarios) presentes en las caras expuestas de la roca, por medio de reacciones químicas, especialmente hidrólisis, produciendo la transformación de estos en nuevos minerales (secundarios) o los liberan al medio ambiente circundante.
Por consiguiente, los productos de meteorización química se mantendrán esencialmente inalterados mientras permanezcan en un ambiente similar a aquel en el cual se formaron .
Los principales procesos de meteorización química pueden acontecer en forma simultánea, o en forma secuencial; el agua juega un papel importante en cada una de ellos. Entre ellos tenemos, disolución e hidrólisis, reacciones REDOX y carbonatación.
 Disolución e hidrólisis
Consiste en la disolución de los elementos que componen los minerales por el contacto que tienen con las soluciones acuosas, que percolan en el macizo rocoso, cuya intensidad depende de la cantidad de solución circulante y de la solubilidad de los diferentes minerales.
El grupo mineral más común, el de los silicatos, se descompone sobre todo mediante el proceso de hidrólisis, que consiste básicamente en la reacción de cualquier sustancia con el agua.
Idealmente, la hidrólisis de un mineral podría tener lugar en agua pura conforme algunas de las moléculas de agua se disocian para formar los iones más reactivos hidrógeno (H+) e hidroxilo (OH-). Son los iones de hidrógeno los que atacan y sustituyen a otros iones positivos encontrados en el retículo cristalino. Con la introducción de los iones hidrógeno en la estructura cristalina, se destruye la disposición ordenada original de los átomos y se descompone el mineral.
Los minerales removidos son aquellos situados en las esquinas de los bloques rocosos más expuestos, con lo cual se produce el redondeamiento de los bloques característicos en suelos residuales. Los iones liberados son lixiviados, pudiendo también participar en la nueva formación o transformación de otros minerales.
Hidrólisis del feldespato potásico a la caolinita
4KAlSi3O8 + 22H2O → 4K+ + 4(OH)- + Al4 (OH)8 Si4O10 + 8H4SiO4
Hidrólisis de la caolinita a la gibbsita
Al4(OH)8Si4O10 + 10H2O → 4Al(OH)3 + 4H4SiO4
 Reacciones REDOX
Implica ganancia o perdida de electrones según el potencial REDOX de los minerales presentes.
Los ambientes con disponibilidad de oxígeno , este se combina con los minerales ferromagnesianos como el olivino, el piroxeno y la hornblenda para oxidarlos, da el color rojizo a los suelos tropicales. Sin embargo, la oxidación solo puede ocurrir después de que el hierro es liberado de la estructura del silicato por el proceso de hidrólisis.
En ambientes reductores , el hidrógeno actúa como agente reductor generando minerales que dan al suelo coloración gris, azul y verde.
4Fe2+ + 3O2 → 2Fe2O3 (hematita)
 Carbonatación
Consiste en la reacción química de iones de carbonato y bicarbonato con los minerales originales. Este proceso es muy activo cuando en el ambiente abunda el anhídrido carbónico. La capacidad corrosiva del agua se incrementa cuando se forma acido carbónico (por la combinación de CO2 con el agua). Se produce así la disolución de los minerales carbonatados y se favorece la descomposición de la superficie de otros minerales por la naturaleza acida del medio.
CO2 + H2O → H2CO3 (aguas relativamente frías)
CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2(HCO3-)
1.2.1.1.3 Meteorización biológica
La meteorización biológica consiste en el proceso de transformación de las rocas y minerales por acción de elementos vivos, pudiendo tener características de meteorización física y química (procesos de desintegración o de descomposición).
Diversos procesos de meteorización biológicos pueden acontecer en forma simultánea, aislada o secuencial. Entre ellos tenemos :
 Bioturbación
Las raíces vegetales crecen entre las fracturas en busca de sostenimiento, nutrientes y agua, y, conforme crecen aumentan su volumen y profundidad. Este proceso de ruptura por actividad orgánica que lleva a la fracturación y remoción de rocas, sedimentos o suelos. En el caso de los árboles, por acción del viento son capaces de desestabilizar grandes bloques de rocas al transmitirle por medio de su raíz esfuerzos elevados. Nosotros al realizar distintas obras relacionadas a ingeniería civil tenemos el efecto particularmente notable de generar caras expuestas a la intemperie (minerales primarios, propensos a la acción de los procesos de meteorización química).

Figura 1.05. – Efecto mecánico de las raíces
 Intercambio catiónico
Reacciones por las cuales las plantas absorben nutrientes que pueden producir cambios en el pH, dado que por lo común se absorben cationes básicos y se elimina hidrógeno con la consecuente acidificación del medio.
 Quelación
Los procesos biológicos producen sustancias orgánicas denominadas quelatos que descomponen las rocas y los minerales por remoción de sus cationes metálicos.

Figura 1.06. – Meteorización biológica del granito
1.2.1.2 Condicionantes de la Meteorización
La presencia y grado de actividad de estos tres tipos de procesos de meteorización depende de cinco factores condicionantes que actúan de forma coordinada para producir la meteorización, los cuales son:
1.2.1.2.1 Litología
La composición de las rocas es un factor esencial, ya que se trata del material que va ser sometido a los procesos de meteorización, y tienen incidencia directa en el resultado final del perfil de meteorización. Los aspectos que influyen son:
• Composición mineralógica. Las diferentes fases que componen las rocas presentan comportamientos (resistencia mecánica, potencial REDOX, etc.) no uniformes, por lo que la alteración ocurrirá a diferentes velocidades dentro de la masa rocosa (grado de meteorización). Dependiendo del tipo de roca habrá diferenciación de los productos finales de meteorización, dando lugar a suelos arenosos, limosos o arcillosos en función de los minerales presentes.
• Nivel de fracturamiento. La frecuencia o espaciamiento de las discontinuidades de los macizos rocosos son también elementos que ejercen influencia sobre las características e intensidad de la meteorización, ya que constituyen los microcaminos de acceso para las soluciones, agentes de la meteorización química y/o biológica. Producen un aumento de superficie expuesta, dejando al macizo más susceptible de ser alterado.
• Permeabilidad y porosidad. Estas dos propiedades controlan la accesibilidad y movimiento de los agentes de meteorización química hacia los núcleos rocosos, marcando así un ritmo de alteración de los mismos. La permeabilidad puede ser un sub-producto de la meteorización, pero a su vez, la permeabilidad afecta los procesos tanto físicos como químicos por que determina la disponibilidad de humedad y de flujo de agua, los cuales tienen gran influencia en el grado de meteorización.
Desde el punto de vista de la conductividad hidráulica, el perfil del suelo residual puede dividirse en dos subsistemas de alta y baja permeabilidad . Las condiciones de drenaje son las responsables del tipo de material presente en el suelo, este detalle es muy importante pues los minerales influyen de manera decisiva en el comportamiento del suelo, cada uno tiene influencia diferente, y eso determina en el suelo comportamientos diferentes.
1.2.1.2.2 Clima
Temperatura, humedad ambiental y nivel de precipitaciones, influyen de forma conjunta para generar condiciones particulares de meteorización, determina el tipo e intensidad, en cada región. A ello deben agregarse los ambientes hidrológicos y biológicos, condicionantes esenciales de los procesos de meteorización. El clima ejerce una profunda influencia en la meteorización, especialmente la temperatura y la humedad ambiental, en la meteorización química, cada aumento de 10°C de la temperatura duplica la velocidad a la que se producen la mayoría de las reacciones químicas.
Peltier (1950), relaciona la naturaleza de la meteorización con la temperatura media anual y la precipitación anual (Véase Figura 1.07).
La influencia de la temperatura y la humedad en la descomposición de la roca en Sudáfrica ha sido relacionada por Weinert’s (1974) por medio de un índice climático, N:
N = 12*EJ/Pa
Donde:
EJ: Evaporación en el mes de Enero, el mes más cálido.
Pa: Lluvia anual
El valor de N = 5 indica la transición de las condiciones cálidas, sub-húmedas, en las cuales predomina la meteorización química y la condición caliente semiárida en las cuales predominan los fenómenos físicos. Donde N es menor que 5 se deben esperar grandes espesores de suelo residual. De forma general la meteorización física es predominante en climas secos y la meteorización química en ambientes húmedos y calientes.
En ambientes tropicales dominados por temperatura alta y cambiante, y por lluvia abundante, la meteorización de los materiales es muy fuerte .

Figura 1.07. – Naturaleza de la meteorización según distintas condiciones (Peltier (1950), Cooke y Doorkamp (1990))
1.2.1.2.3 Morfología
La topografía local y regional influye sobre la tasa de infiltración y de escorrentía superficial de las aguas precipitadas, en función de las características de la superficie topográfica y del tipo de vegetación allí existente. Las zonas inclinadas favorecen a la escorrentía superficial en contraposición las zonas planas y los valles favorecen a la infiltración, por lo tanto en estos lugares la profundidad de meteorización es mayor que en las zonas inclinadas, y su espesor aumenta en la parte baja del talud.
Es por eso que un perfil residual con una mayor profundidad puede ser generalmente encontrado con mayor facilidad en valles y laderas suaves que en terrenos altos con pendientes altas.
1.2.1.2.4 Actividad biológica
Esta afecta también a los mecanismos de meteorización activos. En términos generales, la presencia de una cubierta vegetal continua favorece a los procesos de meteorización química, mientras que la ausencia de esta favorece los de tipo físico.
1.2.1.2.5 Tiempo
Debe tenerse especial consideración al tiempo en que los procesos de meteorización operan sobre el macizo rocoso, y la frecuencia con que dichos procesos son activos.
1.2.1.3 Productos de la meteorización
Los productos de la meteorización pueden ser solubles, coloidales o residuales.
Los productos solubles y coloidales son removidos del complejo de meteorización, por las soluciones que atraviesan (sulfatos, cloratos, carbonatos, etc.), y los productos residuales se acumulan en donde ocurre la meteorización.
Entre los productos residuales de la meteorización, se incluyen minerales insolubles o poco solubles, como cuarzo, ópalo, calcedonia, minerales de arcilla (caolinitas, montmorillonitas, illita, etc.), micas, óxidos e hidróxidos de aluminio y de hierro (gibsita, hematita, goethita, limonita, etc.). En el Cuadro 1.1 se presentan los productos de meteorización de algunos de los silicatos más comunes.
Cuadro 1.1.- Silicatos y sus productos de meteorización
Mineral original Productos de meteorización Componentes eliminados
Cuarzo Cuarzo --------------
Feldespatos Minerales de arcilla hasta bauxitas. SiO2, K+, Na+, Ca2+
Anfíboles y piroxenos Minerales de arcilla, limonita, hematita hasta bauxitas SiO2, Ca2+, Mg2+
Olivino Limonita, hematita SiO2, Mg2+

1.2.2 Perfil de meteorización
El perfil de meteorización es la secuencia de zonas, con diferentes propiedades físicas, y se encuentran en el mismo lugar donde la roca madre fue alterada. Generalmente, los perfiles de los suelos residuales se componen de zonas de diferente grado de meteorización que van desde el suelo propiamente dicho hasta la roca sana.
El perfil de meteorización es producción de la interacción de cinco factores modificadores, los cuales cambian horizontalmente, por lo cual el perfil de meteorización puede variar en distancias relativamente cortas.
1.2.2.1 Clasificaciones para el perfil de meteorización
Toda clasificación es una herramienta potente, por su capacidad de transmitir ideas, y su objetivo es ofrecer una terminología no ambigua.
Varios estudios fueron realizados teniendo como objetivo el entendimiento de los perfiles de meteorización de los suelos residuales (Véase Cuadro 1.2), los sistemas de clasificación presentan diferentes estados de meteorización y separan los perfiles en diferentes zonas, tratando de definir zonas homogéneas, aunque en realidad la variación es gradual con la profundidad.
A continuación se presentan dos trabajos entre los varios existentes sobre perfiles de meteorización.
1.2.2.1.1 Deere y Patton (1971)
Realizaron un extenso estudio sobre los perfiles de meteorización, propusieron tres zonas con subdivisiones, resultando en tres zonas de suelo y tres zonas de roca:
 Zona I; de suelo residual subdividido en:
• Zona I-A; coluvión, generalmente con presencia de materia orgánica;
• Zona I-B; suelo maduro, suelo está constituido por minerales secundarios y primarios que resistieron la meteorización, presenta gradación variable y no tiene ninguna herencia de su roca de origen, siendo su comportamiento similar al de un suelo sedimentario. Se trata principalmente de un suelo homogéneo con estructura porosa;
Zona I-C; suelo de alteración de roca (saprolito), el suelo está constituido por minerales primarios y secundarios, que tiene estructuras heredadas de la roca original. Puede tener bloques rocosos intactos en su masa.
 Zona II; de roca alterada, subdividido en:
• Zona II-A; de transición entre el saprolito y la roca alterada, con características extremadamente heterogéneas, presenta variaciones sensibles en diversas propiedades físicas y mecánicas.
• Zona II-B; de roca alterada, en donde la roca mantiene su estructura original, presentando alteraciones en las propiedades físico-químicas como coloración, permeabilidad y resistencia, presentando zonas descompuestas, especialmente junto a las discontinuidades.
 Zona III; de roca esencialmente sana, sectores del macizo donde aun no ha sido afectada por la meteorización. Los minerales no presentan signos de haber sufrido alteración.
El mayor problema de separación de estos horizontes consiste en la subdivisión, que es arbitraria, depende mucho de la experiencia de cada investigador.
El comportamiento de las zonas superficiales (zona I-A y zona I-B), debe ser tratado de acuerdo con los métodos convencionales de mecánica de suelos. La zona I-C, suelo saprolítico, tendrá el comportamiento predominante de un suelo, pero se debe tener en consideración las heterogeneidades y discontinuidades de las estructuras reliquiares. Finalmente la zona II, saprolito, su comportamiento debe ser analizado por la mecánica de rocas.
1.2.2.1.2 ISRM – International Society of Rock Mechanics (1981)
A partir de 1981 parece existir una tendencia internacional de utilización de clasificaciones subdivididas en seis clases de meteorización, normalmente designadas de la siguiente forma:
 (VI) Suelo residual; la roca está totalmente descompuesta en suelo, y no existen vestigios de la estructura original. El material permanece in situ y existe significativo cambio de volumen aparente.
 (V) Roca completamente meteorizada; todo el material está descompuesto a suelo, la estructura original de la roca se mantiene intacta.
 (IV) Roca meteorizada; más de la mitad está descompuesto a suelo, aparece roca sana o ligeramente meteorizada de forma discontinua.
 (III) Roca moderadamente meteorizada; menos de la mitad del material está descompuesto, o transformado en suelo, aparece roca sana o ligeramente meteorizada de forma continua, o en zonas aisladas.
 (II) Roca ligeramente meteorizada; existen apenas marcas de meteorización a lo largo de las discontinuidades existentes en el macizo. La decoloración indica alteración del macizo, y de las discontinuidades.
 (I) Roca sana; la roca no presenta signos visibles de meteorización, pueden existir ligeras pérdidas de color, o pequeñas manchas de óxidos en las discontinuidades existentes.
De esta clasificación, I y II corresponden a roca, V y VI corresponden a suelo, III y IV corresponde a material de meteorización intermedia denominado saprolitos.
1.2.2.2 Caracterización de las zonas del perfil de meteorización
Son presentados criterios, cualitativos y cuantitativos que describen las zonas componentes del perfil de meteorización, con base en las características usualmente encontradas en la definición de los diversas zonas del perfil típico de meteorización, con base, principalmente, en las clasificaciones presentadas anteriormente y en otros trabajos .
 Suelo residual maduro - VI (Suelo residual); esta zona corresponde al horizonte B pedológico y corresponde al último estado de meteorización in situ de la roca madre, que debido a su avanzado estado de meteorización, no presenta vestigios de la estructura original; todo el material esta reducido a suelo.
 Suelo de alteración, saprolito o suelo residual joven - V (Roca completamente meteorizada); esta zona corresponde al horizonte C pedológico y es fácilmente reconocido por evidenciar la estructura heredada de la roca de origen. Presentan un porcentaje de bloques de roca extremadamente alterados, que se disgregan fácilmente con la presión de los dedos. Este material es fácilmente muestreado y en general ser perfectamente caracterizado por los ensayos rutinarios de mecánica de suelos; aunque a veces existe una estructuración significativa en determinadas regiones del perfil. Esta zona tiene sus mecanismos de comportamiento más orientados hacia la Mecánica de Suelos. En su estado compactado, se presenta como excelente material de construcción de terraplenes.
 Saprolito fino – IV (Roca meteorizada); en esta zona se presentan bloques normalmente originados a partir del sistema de fracturamiento original del macizo. Tales bloques son de difícil disgregación con la presión de los dedos, pero sus bordes si se quiebran con facilidad cuando son sometidos a esfuerzos de flexión. Este material, debido a la presencia numerosa, de bloques alterados, o por la fuerte estructuración heredada de su roca de origen, no puede ser perfectamente caracterizado por los ensayos de mecánica de suelos convencional. Estos bloques presentan cierta resistencia a la desintegración cuando son inmersos en agua, pudiendo originar bloques menores que se mantienen inalterados. Por la manipulación forman fragmentos menores.
 Saprolito grueso – III (Roca moderadamente meteorizada); en comparación con la zona anterior tiene mayor presencia de bloques rocosos, sustancialmente más resistentes que los primeros; porque tienen menor grado de meteorización. La matriz de finos presentes, en general, es una fracción arenosa bien graduada, con eventual presencia de limos y ausencia de fracción arcillosa. En este material la matriz de finos no necesariamente envuelve totalmente los bloques meteorizados. Los bloques inmersos en agua permanecen generalmente inalterados. Los resultados de RQD se sitúan desde 0 a 50%. Los fragmentos son difícilmente quebrados manualmente. Cuando son compactados los saprolitos duros dan origen a un material bastante permeable.
 Roca dura, poco alterada – II (Roca ligeramente meteorizada); bajo el saprolito aparece la roca con un poco grado de meteorización, resumiéndose prácticamente a una meteorización a lo largo de las fracturas existentes en el macizo. Para su uso es necesario recurrir al uso de explosivos. Los resultados de RQD indican, normalmente una variación entre 50 a 75%. Los bordes de los fragmentos no son quebrados por la acción manual.
 Roca sana – I; parte final del perfil. Roca sana que prácticamente no presenta meteorización, estando totalmente preservada. Esporádicamente se pueden notar pequeñas alteraciones a lo largo de las mayores fracturas. RQD normalmente superior a 75%, valores medios del orden de 90%.
Cuadro 1.2.- Perfil de meteorización, según diferentes autores
Vargas (1951) Sowers
(1954, 1963) Chandler
(1969) Deere y Patton
(1971) International Society for Rock Mechanics
ISRM (1981)
Ígneas y areniscas Ígneas y metamórficas Margas y limolitas Ígneas y metamórficas Ígneas y metamórficas
Suelo residual maduro Zona superior V
Completamente alterada Horizonte IA
(Suelos transportados) VI
Suelo residual
Parcialmente alterada IV Suelo Residual Horizonte IB
(Suelo maduro)
Suelo residual joven Zona intermedia III Horizonte IC
(Saprolito) V
Roca completamente meteorizada
Capas de roca desintegrada Zona parcialmente alterada Zona de transición Horizonte IIA
(Transición entre el saprolito y la roca alterada) IV
Roca meteorizada
II Horizonte IIB
(Roca alterada) III
Roca moderadamente meteorizada
II
Roca ligeramente meteorizada
Roca sana Roca inalterada I
Roca inalterada Horizonte III
(Roca sana) Roca sana

a) b)
Figura 1.08. – Perfil de meteorización: a) roca metamórfica (gneis); b) rocas ígneas intrusivas (granito)

Figura 1.09. – Clasificación ISRM para el grado de meteorización
1.2.3 Grado de Meteorización
Para cuantificar el avance de la meteorización puede realizarse utilizando los ensayos in-situ o en laboratorio. El uso de los ensayos in-situ se debe a que los suelos residuales son heterogéneos, estructurados y pueden contener partículas de gran tamaño con gravas y bloques; en laboratorio el grado de meteorización puede medirse de varias formas, varios tipos de índices han sido propuestos basados en propiedades físicas, químicas y mecánicas del material en estudio.
A continuación se presentan algunos de estos índices:
 Color; el grado de cambio del color puede describirse en función del color original de la matriz rocosa, en su descripción se pueden usar los términos, muy decolorado, decoloración tenue, localmente decolorado, o penetrantemente decolorado.
Estos términos no son cuantitativos, pero se pueden aplicar para describir el proceso de meteorización, su utilidad radica en tener la información sobre la extensión del cambio de color, y la penetración de este dentro de las discontinuidades, para determinar el avance de los procesos de meteorización.
 Índices físicos; basados en las propiedades índice de las rocas, que van cambiando conforme avanza la meteorización. Los más utilizados son el índice de alteración, índice ultrasónico, la porosidad, peso específico, dureza y resistencia de punta (arenosidad).
 Índices químicos; basados en relaciones molares, entre los diferentes elementos químicos presentes, que evolucionan con los procesos de meteorización. Podemos citar los índices molares como sílice/aluminio, sílice/oxido de hierro, e índices de meteorización basados en cantidades de sílice o alcalinos.
 Índices petrográficos; formulados a partir de técnicas microscópicas, que permiten determinar la fábrica de la roca, los minerales primarios y los minerales secundarios presentes en las microfracturas.
 Índices mecánicos; basados en las propiedades mecánicas, para diferentes estados de meteorización, definiendo índices en función del modulo de elasticidad, resistencia a la compresión simple, y resistencia al corte.
Estos índices pueden presentar resultados dispares dependiendo del tipo de roca analizada.
Cuadro 1.3.- Medición del grado de meteorización, mediante el índice físico de arenosidad
Grado de meteorización Términos de arenosidad Modo de reconocimiento
Fresco Duro No se pueden cortar por un cuchillo, ni gravado por una puntilla.
Moderado Arenoso Puede ser cortado por un cuchillo o gravado por una puntilla.
Alto Deleznable Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos.
Completo Blando Puede ser moldeado fácilmente con las manos.

1.3 COMPOSICIÓN DE LOS SUELOS RESIDUALES
Los suelos residuales representan una gran familia, con un amplio árbol genealógico caracterizado por la variedad de composiciones y matices. Estos suelos heredan de la roca madre un “ADN” mineralógico.
Con el avance de la meteorización las rocas se van alterando, de forma que su composición mineralógica y estructura sufren grandes transformaciones. Debido a la gran cantidad de rocas y las variadas condiciones ambientales producen un amplio espectro de suelos residuales.
Sin embargo esta variedad de suelos tienen ciertas características básicas comunes que gobiernan su comportamiento frente a las solicitaciones, y constituyen parte de nuestro objeto de estudio. Estas características son determinadas por la mineralogía y la estructura, dos factores fundamentales para la comprensión de estos suelos.
La mineralogía de los suelos residuales se deriva de los minerales que forman la roca de origen (primarios), que con la meteorización sufren diferentes descomposiciones y transformaciones para llegar a configuraciones más estables, denominados minerales secundarios. En estos suelos la presencia de materiales cementantes y la resistencia de los granos son influenciadas directamente por las características mineralógicas.
La estructura se refiere a la disposición física de los minerales en la masa de suelo. Esto incluye la distribución de los granos o fábrica, cementación, distribución y tamaño de poros, características heredadas como foliaciones, fisuras y superficies de falla.
1.3.1 Mineralogía de los suelos residuales
La mineralogía de los suelos residuales se deriva de los minerales que forman la roca de origen (primarios), que con la meteorización sufren diferentes descomposiciones y transformaciones para llegar a configuraciones más estables, denominados minerales secundarios. En estos suelos la presencia de materiales cementantes y la resistencia de los granos son influenciadas directamente por las características mineralógicas.
La evolución mineralógica de los minerales primarios puede ser descrita por los procesos de desintegración, descomposición, lixiviación y recementación, de intensidad variable según las condiciones locales del clima y el drenaje .
Como se indica en las Figuras 1.10 y 1.11, la susceptibilidad de los minerales a la acción meteorizante está estrechamente ligada a la energía interna asociada a los mismos, o que deriva del proceso de cristalización sufrido. Bowen (1928) analizó estos procesos y propuso una serie de cristalización de los minerales, empezando por los que cristalizan a temperaturas más elevadas hasta los que cristalizan a temperaturas más bajas.
Goldich (1938), elaboró la Serie de estabilidad mineral de Goldich, esta serie describe la susceptibilidad a la meteorización de diferentes minerales silicatados. El fundamento es que los minerales que se forman a elevada temperatura y presión son menos estables frente a los condicionantes de la meteorización. Por lo tanto, el orden de estabilidad es similar al de la Serie de Reacción de Bowen .

Figura 1.10. – Serie de Reacción de Bowen


Figura 1.11. – Serie de Estabilidad Mineral de Goldich
1.3.2 Formación de la estructura residual
La estructura residual de los macizos meteorizados es producto de alteración de la estructura de la roca original. Inicialmente la roca presenta una estructura más cerrada, compacta, con baja porosidad, y cruzada por familias de discontinuidades, así como redes de microfisuras y otras características particulares como orientaciones preferenciales y planos de debilidad.
La meteorización física actúa básicamente en la ampliación y abertura de estas macro y micro discontinuidades, fomentando la disgregación de la roca y proporcionando nuevos caminos para el ingreso de agentes de meteorización química. Esto provoca el aumento de volumen y porosidad, así como la disminución de resistencia del macizo rocoso.
La meteorización química, a su vez ataca la parte mineralógica de la roca avanzando de manera diferencial desde las superficies expuestas hacia el interior. Los minerales primarios se transforman en nuevos minerales o son disueltos y migran en forma de solución, o también precipitan como nuevos minerales. Estos procesos inducen a un aumento de la porosidad, disminución de resistencia y reducción de tamaño de los granos, y la formación de minerales de arcilla.
El resto de la estructura puede ser concebido como un esqueleto poroso de minerales (primarios) y partículas con cementación variable (macro estructura) terminado con una capa porosa formado por los minerales secundarios con una estructura propia (micro estructura).
1.3.3 Doble estructura de los suelos residuales
Los suelos residuales son comprobadamente poseedores de una doble estructura. Destacan dos niveles estructurales, la macroestructura formada por los diversos granos y partículas con vacios intergranulares, y la microestructura con sus vacios internos. Estas dos son las controladoras de la resistencia y la permeabilidad.
1.3.3.1 Macroestructura
La macro estructura de los suelos residuales, presentara de manera general las siguientes características:
 Características heredadas; fisuras, fracturas, esquistosidad, y demás características estructurales de la roca original, permaneciendo en forma de cicatrices del pasado, que condicionan las características del suelo en formación, transmitiéndole heterogeneidad, anisotropía, planos de debilidad, y orientaciones preferenciales.
 Partículas de composición variada; distribución granulométrica variada, combinando minerales primarios, y secundarios en proporciones que se producen según el grado de meteorización alcanzado. Estas partículas varían desde cristales de cuarzo no alterado, granos de feldespato de baja resistencia en proceso de meteorización, acumulaciones de micas, hasta minerales arcillosos.
 Granos quebradizos; resistencia variable, siendo común granos débiles, que se quiebran ante pequeños esfuerzos, generando nuevas partículas de menor tamaño, y mayor resistencia.
 Cementante; óxidos, y minerales secundarios en los contactos entre partículas, constituyendo uniones débiles o fuertes según sea su origen, dándole una rigidez adicional a la estructura residual. Estos cementantes pueden tener origen en la deposición de carbonatos, hidróxidos o materia orgánica, en la precipitación de silicatos anteriormente disueltos, o ser un subproducto de alteración química de ciertos minerales.
 Red de macroporos; como parte del esqueleto poroso, se forman una red de macrovacios conectados.
 No saturación; el llenado parcial de los macroporos genera meniscos, al contacto con los granos, y los minerales arcillosos.
1.3.3.2 Microestructura
La microestructura residual, a su vez, se caracteriza por:
 Minerales arcillosos; presentes como cúmulos en la macroestructura, se forma una estructura interna por los minerales con tamaño de limo y arcilla, y su correspondiente red de microporos.
 Red de microporos; añadida a la red de macroporos, constituyen una estructura de doble porosidad, y sirve para el almacenamiento del agua.
 Saturación; dentro de estos cúmulos prevalece la condición saturada, a diferencia de la masa de suelo restante que permanece en condición no saturada. Esto sin embargo no se puede verificar en algunos suelos, especialmente en zonas áridas.
 Compresibilidad y almacenamiento de agua; estos se diferencian de otros granos de la macroestructura, por ser altamente compresibles, y tener la capacidad de almacenar agua, por lo que se constituyen como microreservorios que captan y dan agua a la red de macroporos según las condiciones hidromecánicas imperantes.
1.4 COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS RESIDUALES
Las características de resistencia, compresibilidad y deformabilidad de un suelo residual se asocia a los diversos aspectos de constitución presentes, cuyas influencias se vinculan para dar una respuesta global. Entre los aspectos constitutivos se incluyen la estructura residual, anisotropía y resistencia de los granos, mientras que en los aspectos de estado son la compacidad, grado de saturación y grado de meteorización.
1.4.1 Influencia de la estructura residual
Para un mejor entendimiento de la influencia de la estructura residual, conviene analizarla en sus dos aspectos micro y macro separadamente.
 Microestructura; la microestructura está basada en lo siguiente:
• Los fenómenos físico – químicos son reversibles.
• La microfábrica no tiene orientación preferencial (es isotrópica).
• Las deformaciones de la microestructura son apenas volumétricas y elásticas.
• El principio de tensiones efectivas es válido, dada la condición de saturación.
La matriz arcillosa que constituye la microestructura de los suelos residuales tiene influencia en su comportamiento mecánico, dada sus características de alta compresibilidad y saturación, que contrasta con el esqueleto rígido y no saturado de la macroestructura. La presencia e influencia de la matriz arcillosa en el suelo residual aumenta con el grado de meteorización alcanzado.
 Macroestructura; la influencia de la macroestructura en el suelo es sobre la resistencia, deformabilidad y compresibilidad, debidos a la fabrica y la cementación.
• Fábrica. La disposición de las partículas en la masa residual tiene una organización rígida que produce una mayor fricción.
• Cementación. Los enlaces entre los granos que dan al suelo una rigidez adicional contra las deformaciones. Son muchos los factores que pueden destruir total o parcialmente la cementación .
 Colapso; los suelos pueden en virtud de la cementación mantener una estructura metaestable. En el caso de pérdida de cementación estos suelos sufren colapso, reduciendo su volumen.
1.4.2 Influencia de la anisotropía
La anisotropía inherente a la propia estructura residual del suelo influye en su respuesta, especialmente en los suelos procedentes de rocas metamórficas, y en aquellos donde los minerales de mica tengan una presencia fuerte.
El estudio de anisotropía y de sus efectos en el comportamiento del suelo está relacionado principalmente con el análisis de la macro estructura, destacan los siguientes factores:
• Anisotropía estructural asociada a la fábrica de la roca de origen, principalmente en el caso de rocas metamórficas y sedimentarias.
• Características heredadas de la roca madre, como planos de debilidad, juntas y fisuras que provocan permeabilidad diferenciada.
• Presencia de conductos formados por erosión interna o actividad animal.
Estas características anisotrópicas son más marcadas en los suelos residuales jóvenes, los efectos de la anisotropía disminuyen a medida que aumenta el grado de meteorización, siendo entonces insignificante para un suelo maduro.
1.4.3 Influencia de la resistencia de los granos
Los suelos residuales se caracterizan por la presencia de granos de resistencia mecánica variada, producto de la alteración de los minerales primarios por la acción diferencial de la meteorización química. Siendo común la rotura de granos durante las solicitaciones de carga. Según Suarez (1998), esta rotura provoca un cambio en la distribución granulométrica del suelo, lo que parece una grava arenosa puede convertirse en un limo al excavar, mezclar y compactar. Esta rotura de los granos aumenta la compacidad del suelo, lo que tiene como consecuencia el aumento de la resistencia mecánica post rotura.
1.4.4 Influencia de la compacidad
La compacidad, relacionada con la densidad o el índice de vacios, este factor tiene mucha influencia en el comportamiento del suelo, especialmente para los que presenten una cementación baja. De igual forma la compacidad tiene incidencia directa sobre la magnitud de las deformaciones volumétricas experimentadas cuando son cargados.
Los suelos residuales presentan por lo general índices de vacios elevados, como fruto de los procesos de meteorización y lixiviación. En consecuencia las contracciones volumétricas deben ser esperadas como consecuencia de la carga, inclusive colapso.
1.4.5 Influencia del grado de saturación
El estado no saturado tiene una incidencia ampliamente estudiada en el comportamiento mecánico de los suelos. La presencia de meniscos en los contactos intergranulares lleva a la masa de suelo a un estado de presión de poros negativa (succión), que ejerce influencia en el esfuerzo efectivo, resistencia y rigidez (aumento). Sin embargo la succión y el grado de saturación no guardan una relación lineal, sino que depende de la distribución y tamaño de los poros. Un incremento de la succión resulta en un incremento de la cohesión mas no afecta al ángulo de fricción interna efectivo.
1.4.6 Influencia del grado de meteorización
La influencia del grado de meteorización es sobre las propiedades índices, distribución granulométrica, estructura, parámetros de resistencia, deformabilidad y características de compresibilidad de los suelos residuales, algunas tendencias generales son detalladas:
• El aumento de la porosidad con el grado de meteorización tiene una relación casi proporcional.
• Disminuye el modulo de elasticidad con un mayor grado de meteorización.
• Disminución de la resistencia al corte conforme aumenta el grado de meteorización.
• Aumento en la cantidad de finos conforme aumenta el grado de meteorización.

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