Estructura del terreno
Por estructura del suelo se entiende la disposición de la fase sólida en la masa terrosa. Como es sabido, el suelo está formado por partículas sólidas y poros llenos de agua, aire o vapor de agua, por lo general parcialmente aire y parcialmente agua. La estructura del suelo viene determinada por la disposición de las partículas sólidas en él. Las estructuras del suelo no cohesivo y del cohesivo difieren esencialmente entre sí.
Estructura del suelo no cohesivo
La estructura del suelo no cohesivo aparece bajo la acción de la gravedad. Las partículas sólidas de este suelo son más gruesas y descienden, se sedimentan bajo la acción de la gravedad, mientras que las fuerzas de atracción intermoleculares de tales partículas no existen o son insignificantes y son vencidas por la gravedad. Por ello, en el suelo no cohesivo las partículas sólidas se acomodan unas junto a otras, ocupando el espacio libre entre las partículas dispuestas (fig. 1_a_). Si las partículas del suelo no cohesivo tienen forma aproximadamente redonda y son del mismo tamaño, como puede ocurrir en la arena de composición uniforme, entonces la estructura puede ser la más densa (fig. 1_b_) o la más suelta (fig. 1_c_), lo que depende de la disposición de las partículas sólidas en el suelo. La estructura más densa corresponde a la mayor posibilidad de compactación del suelo no cohesivo y su porosidad es nmin=26%. La estructura más suelta corresponde a la menor compactación posible del suelo no cohesivo y su porosidad es nmax=48%. Así, por ejemplo, la arena suelta de las dunas tiene n=47%.
Fig. 1 Estructura de un suelo no cohesivo
Si el suelo no cohesivo presenta granos de distinto tamaño, de modo que las partículas más finas llenan los huecos entre las más gruesas (fig. 2), la porosidad del suelo es considerablemente menor (n=20% y menos).
Fig. 2. Estructura del suelo no cohesivo de diferente tamaño de grano
Estructura del suelo cohesivo
En el suelo cohesivo la estructura es diferente que en el no cohesivo. En el suelo cohesivo aparecen fuerzas de cohesión, que son más fuertes que la fuerza de gravedad de las partículas finas y las pegan en las superficies de contacto. Por eso estas partículas no caen sucesivamente hacia abajo, sino que permanecen pegadas unas a otras y unas junto a otras (fig. 3_a_), creando así una estructura en forma de red encadenada (fig. 3_b_), una estructura escamosa (fig. 3_c_) etc., que se denominan estructuras de orden superior. Estas estructuras tienen una gran porosidad, que puede alcanzar 60-80% de la masa total, lo que no puede darse en el suelo no cohesivo.
Fig. 3. Estructura del suelo cohesivo
Porosidad y coeficiente de porosidad
La porosidad del suelo se define por la relación entre el volumen de poros y el volumen total del suelo (fig. 4).
Fig. 4. Porosidad y coeficiente de porosidad del suelo
Si обозначamos con
- Vp = volumen de poros en el suelo
- Vm = volumen de las partículas sólidas
- V = el volumen total del suelo,
La porosidad del suelo n se define como
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
es decir, en % del volumen total del suelo
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
El coeficiente de porosidad del suelo se define como la relación entre el volumen de poros y el volumen de las partículas sólidas:
e = VP / Vm.
Del esquema de porosidad n tenemos:
nVP + nVm = VP, de donde Vm = VP(1-n) / n.
Sustituyendo este valor en la expresión de e obtenemos
e = n / (1-n).
De esta ecuación obtenemos
e - ne = n; n = e / (1 + e).
El coeficiente de porosidad indica la densidad del suelo. Cuanto mayor es el coeficiente e, menor es la densidad del suelo y viceversa. Si un suelo compresible se asienta bajo carga, mediante el coeficiente de porosidad antes y después del asiento puede determinarse la magnitud del asiento Δ_h_.
Consideremos una capa de suelo compresible de espesor h (fig. 5_a_). Si cargamos esta capa, se asentará una altura Δ_h_, de modo que su espesor disminuirá, debido a la carga, hasta h1. Por consiguiente
Δ_h_ = h – h1.
Como el asentamiento del suelo compresible se produce a expensas de los poros, ya que las partículas sólidas son prácticamente incompresibles, y también el agua, si los poros del suelo están parcial o totalmente llenos de ella, este asentamiento puede representarse esquemáticamente en la fig. 5_b_.
Fig. 5. Asentamiento Δh de una capa compresible de suelo de espesor h bajo carga
Si обозначamos con h0 la altura imaginaria de la capa de partículas sólidas sin poros, llamada altura reducida, entonces podemos expresar el asiento Δ_h_ con respecto a la altura reducida h0 mediante la relación:
Si consideramos una capa de suelo de ancho y longitud iguales a la unidad, entonces las alturas h, h1 y h0 representan volúmenes, y por tanto
donde e es el coeficiente de porosidad antes, e1 después del asentamiento. A partir de lo anterior se obtiene el asentamiento
Δ_h_ = h0 (e-e1).
El asentamiento puede expresarse en relación con la altura de la capa h antes del asentamiento si sustituimos el valor de la altura reducida h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
puesto que n = VP / V = VP / h_,_ de donde VP = nh.
De este modo se obtiene
Determinados tipos de suelo tienen los siguientes valores medios de porosidad n y del coeficiente de porosidad e:
Humedad del suelo
Tipos de agua en el suelo
El agua en el suelo aparece en forma de agua en los poros entre las partículas sólidas, la llamada agua poral, luego como agua adsorbida sobre las partículas sólidas y como agua de constitución.
El agua poral se compone de agua libre entre las partículas sólidas, cuyo movimiento se rige por la ley de Darcy; después, de agua gravitacional, que se mueve bajo la acción de la gravedad de arriba abajo en todas las direcciones, pero cuyo movimiento no se rige por la ley de Darcy; agua capilar, que se mueve bajo la acción de fuerzas capilares, y agua de tensión superficial, que se mantiene por la tensión superficial en los ángulos entre las partículas sólidas del suelo y también se denomina agua poral angular. Toda esta agua puede eliminarse por completo secando el suelo a una temperatura de 110oC.
El agua adsorbida es la que recubre las partículas sólidas, a las que está unida por fuerzas moleculares. Se trata del llamado película de agua, cuyo espesor varía entre 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimicrón). La influencia del agua adsorbida en las partículas más gruesas es insignificante; sin embargo, cuanto más finas son las partículas, mayor es su influencia, porque aumenta la superficie total de las partículas y, con ello, la relación entre el agua adsorbida y las partículas sólidas en una unidad de volumen de suelo. Esta agua solo puede eliminarse parcialmente mediante secado a 110oC.
El agua de constitución está químicamente unida en los cristales de los minerales de las partículas sólidas del suelo. Esta agua se encuentra en cantidad muy pequeña y no puede eliminarse mediante el secado del suelo. Por lo tanto, esta agua puede considerarse como parte integrante de la partícula sólida.
Cantidad de agua en el suelo
Por definición, la cantidad de agua en el suelo o humedad del suelo es la relación entre el peso del agua contenida en el suelo y el peso de sus componentes sólidos. Según la cantidad de agua en el suelo se distinguen tres casos: suelo completamente saturado de agua, suelo parcialmente saturado de agua y suelo completamente seco.
Suelo totalmente saturado de agua
Si обозначamos con n la porosidad del terreno, γs el peso volumétrico de todas las partículas y γw el peso volumétrico del agua, entonces la humedad del terreno saturado wZ puede expresarse mediante la siguiente ecuación
Suelo parcialmente saturado de agua
Si обозначamos con Ww el peso del agua contenida en el suelo, y con Wd el peso de las partículas sólidas, es decir, el peso seco del suelo, entonces la humedad del suelo w
w = Ww / Wd , es decir, en porcentaje del peso seco del suelo: w = 100 Ww / Wd.
En este caso, la humedad del suelo puede expresarse mediante el grado de humedad Sr, que representa la relación entre el peso real del agua en el suelo y el peso del agua en ese mismo suelo que existiría si todos los poros estuvieran llenos de agua, es decir, con respecto al peso del agua del suelo saturado:
es decir, para _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Los valores límite del grado de humedad son:
- para suelo completamente seco w = 0; Sr = 0
- para suelo totalmente saturado w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Muestra de suelo parcialmente saturada de agua
El grado de saturación (que a veces también se denomina saturación o grado de humedad) se expresa asimismo mediante la relación entre el volumen de poros llenos de agua y el volumen total de poros (fig. 6):
Sr = V2 / V1
donde V2 es el volumen de poros llenos de agua, V1 el volumen total de poros llenos de agua, aire y gases. Si w es la humedad del suelo en % del peso seco del suelo Wd, entonces tenemos
V2 * γW = w Wd, de donde V2 = w Wd / γw.
Por otra parte, tenemos que V1 = V – Vd, y como Vd * γs = Wd, entonces
Vd = Wd / γs y V1 = V – Wd / γs.
Por lo tanto, el grado de saturación del suelo Sr será
o en porcentaje del peso seco del suelo
Suelo completamente seco
En este caso w = 0. Toda el agua de poros ha sido eliminada, mientras que el agua adsorbida solo se ha eliminado parcialmente, es decir, la película de agua sigue existiendo, pero su espesor se ha reducido.