En la mecánica de suelos se distinguen tres tipos principales de suelos: no cohesivos, cohesivos y suelos de origen orgánico. Además, existen también las rocas, pero estas no se estudian en la mecánica de suelos, sino en la disciplina científica de la mecánica de rocas.
Suelos no cohesivos
Los suelos sueltos o no cohesivos son aquellos cuyos componentes no están unidos por ningún material aglutinante. En estado seco, cuando no están sometidos a la humedad, los componentes sólidos del suelo suelto se encuentran completamente libres en la masa terrosa y entre ellos existe solo fricción, llamada fricción interna. Entre los suelos sueltos se incluyen:
- Bloques, tamaño de grano 200 – 2000 mm
- Escoria, tamaño de grano 60 – 200 mm
- Grava, tamaño de grano 2 – 60 mm
- Arena, tamaño de grano 0,02 – 2 mm
- Polvo, tamaño de grano 0,002 – 0,02 mm.
Se señala que la fracción de polvo a veces se denomina limo (ingl. silt, alem. Schluff). Sin embargo, dado que entre nosotros limo significa un determinado tipo de suelo de origen orgánico, este nombre para dicha fracción podría causar un malentendido.
Fig. 1 - Suelo arenoso
Suelos cohesivos
Los suelos cohesivos o coherentes son aquellos cuyos componentes sólidos están unidos entre sí por cohesión. Los suelos coherentes pueden presentar propiedades físicas muy inestables, que cambian fácilmente bajo la acción del agua. Entre los suelos cohesivos se incluyen aquellos que contienen componentes sólidos de tamaño inferior a 0,002 mm. El suelo que contiene predominantemente componentes de tamaño de 0,002 – 0,0002 mm se llama arcilla, y si estos componentes tienen un tamaño de 0,0002 – 0,00002 mm, entonces se denomina arcilla coloidal.
En la naturaleza, la arcilla pura rara vez se encuentra; por lo general está mezclada con otros componentes, como arena y polvo, lo que se denomina marga; la arcilla con piedra caliza se llama arcilla margosa (marga), y la arcilla con magnesio es uma. Por lo general, se acepta que el suelo que contiene más de 50% de componentes arcillosos se denomina arcilla grasa o simplemente arcilla, mientras que el suelo con menos de 50% de componentes arcillosos se denomina suelo arcilloso. El suelo que contiene menos de 5% de componentes arcillosos se considera que tiene las propiedades de un suelo no cohesivo.
La forma más rápida y sencilla de determinar a qué grupo pertenece un suelo es secar la muestra e intentar desmenuzarla con los dedos. Los suelos no cohesivos se deshacen de inmediato. Los suelos arcillosos se desmenuzan con los dedos en trozos más pequeños, y la arcilla se vuelve dura casi como una piedra.
Fig. 2 - Suelo arcilloso
Suelos de origen orgánico
Estos suelos están compuestos en gran parte por materiales orgánicos o vegetales, con componentes arcillosos y otros constituyentes. Debido a la presencia de componentes orgánicos, estos suelos son muy inestables y absorben fuertemente el agua, por lo que resultan inestables y no pueden servir ni como suelo portante ni como material para la ejecución de obras de tierra. A estos suelos pertenecen humus, limo y turba.
El humus es un suelo fértil, que se encuentra en la capa superficial de la corteza terrestre, con un espesor por lo general de varios decímetros. Está compuesto por una mezcla de materias orgánicas y minerales con muchas bacterias. Al ejecutar terraplenes, firmes de carreteras y trabajos similares en el terreno, así como al excavar en la cantera de préstamo de material para la ejecución de obras de tierra, debe excavarse y retirarse toda la capa de humus, que sólo puede utilizarse para la protección de los taludes de tierra contra el arrastre por el agua.
Fig. 3 - Humus
El limo consiste en una mezcla de materias orgánicas en forma de partículas muy finas con materias minerales como arcilla, polvo y arena. Se encuentra en el fondo de antiguos ríos y lagos.
La turba se compone de una gran cantidad de materias vegetales y orgánicas en forma de fibras, con un menor contenido de materias minerales.
Origen del suelo
Si hiciéramos un corte a través de la corteza terrestre, constataríamos que se compone, por lo general, de suelo superficial – humus de escaso espesor, luego de suelo subyacente compuesto por una o más capas de distinta composición y de diversos espesores, y por último de roca sólida. El suelo superficial se ha formado principalmente por la descomposición de materias vegetales y orgánicas, mientras que el suelo subyacente se ha formado por la descomposición de la roca sólida.
La desintegración de la roca sólida se produce debido a influencias atmosféricas o debido a la acción volcánica. Las influencias atmosféricas pueden ser mecánicas o químicas. Si el proceso de desintegración de la roca sólida es la combinación de minerales con oxígeno, entonces se trata de desintegración por oxidación, y si es la combinación con agua, entonces es desintegración por hidratación. La acción volcánica es química. Debido al gran calor, la roca sólida se transforma en ceniza volcánica.
El proceso de descomposición de la roca sólida y su transformación en suelo puede producirse in situ o con transporte. El transporte de los fragmentos desintegrados se realiza por agua, en cuyo caso se forman suelos aluviales, por viento, cuando se convierten en suelos eólicos, o por hielo, cuando se forman suelos glaciares. Durante el transporte de los fragmentos y partículas de roca sólida se produce su trituración adicional debido a los golpes, la fricción y el lavado a los que están expuestos durante el transporte. Como consecuencia de esa acción, los bordes de los fragmentos rotos se redondean, las nuevas partículas se trituran, sus bordes se vuelven a redondear, y así sucesivamente mientras dure el transporte. El tamaño y la forma de los componentes sólidos dependen de la resistencia de la roca, la longitud del transporte, el tipo de transporte, etc. Por ello, la forma de las partículas sólidas en el suelo es muy diversa: redonda, ovalada, con bordes agudos o redondeados, triangular, etc. Los componentes sólidos de tamaño 0,02 – 0,002 mm, fracción que en mecánica de suelos se denomina polvo, son en su mayoría de forma redonda u ovalada. Estos componentes, de tamaño menor que 0,002 mm, cuya fracción se denomina arcilla, tienen forma laminar. Las partículas más gruesas de arena, grava y cantos rodados pueden tener distintas formas: cúbicas, redondeadas, laminares, etc. Las partículas cúbicas cambian su forma con más dificultad, las laminares con más facilidad. Por eso, los suelos compuestos predominantemente por partículas laminares pueden cambiar fácilmente su composición.
Cabe señalar que algunos suelos, cuya formación ha terminado por completo, a veces quedan posteriormente cubiertos por nuevos depósitos, de modo que el suelo ya formado anteriormente permanece en profundidad, mientras que sobre el nuevo depósito se forma otro suelo que no tiene por qué guardar ninguna relación con el anterior. Ese suelo formado anteriormente y cubierto posteriormente por un nuevo depósito se llama suelo enterrado. Se trata por lo general de tierras de cultivo, que fueron trabajadas y luego cubiertas por depósitos de polvo de loess transportado por el viento, aunque los depósitos también pueden ser fluviales. El suelo enterrado se reconoce por su color oscuro y pueden existir varios de esos estratos si ese proceso se ha repetido varias veces.
Suelos aluviales
Los suelos aluviales se forman por la sedimentación de partículas sólidas durante el transporte por el agua. La sedimentación depende de varios factores, entre los que los más importantes son la velocidad del flujo del agua, el tamaño de los materiales transportados y el contenido de otros componentes como sales, cal, etc. A grandes velocidades del flujo solo se depositan los materiales gruesos, mientras que los finos no se depositan, sino que son transportados más adelante. Por eso, los materiales sólidos más gruesos se depositan en la parte superior del curso de agua, más cerca de la fuente, donde la velocidad del flujo es grande. A medida que disminuye la velocidad del flujo, se depositan componentes cada vez más finos. En agua quieta, sin corriente, por regla general se depositan los materiales sólidos más finos. Dondequiera que se produce una desaceleración del flujo de agua, se forman grandes depósitos, como ocurre en la zona inundada cuando el agua se desborda del cauce del río, luego en la desembocadura de los ríos, delante de las presas, etc.
La sedimentación de partículas muy finas de arcilla coloidal puede durar un tiempo indefinidamente largo debido a la acción electroquímica que se produce entre partículas muy finas de tamaño inferior a 0,0002 mm cuando están sumergidas en agua. En ese caso, las partículas sólidas llevan sobre sí una carga eléctrica del mismo signo (negativa), por lo que se repelen entre sí y se desplazan en la masa líquida con velocidades tanto mayores cuanto más pequeñas son. Estos son los movimientos brownianos. Debido a estos movimientos, la sedimentación de las partículas sólidas en el agua se retrasa considerablemente y puede durar un tiempo indefinidamente largo.
Fig. 4 - Suelo aluvial
Suelos eólicos
Los suelos eólicos se forman por la deposición de partículas sólidas transportadas por el viento. Se distinguen dos tipos de suelo eólico: loess y dunas. El loess está compuesto por partículas sólidas de tamaño aproximado de 0,05 mm o algo menores, cohesionadas entre sí por carbonato cálcico. Por ello, cuando está en estado seco, el loess presenta gran resistencia. Los taludes en loess pueden mantenerse con paredes verticales a alturas muy grandes. Sin embargo, si el loess se humedece intensamente, pierde su resistencia y se desplaza con facilidad. Se conocen casos de depósitos loésicos de Bežanijska kosa, cerca de Belgrado, que se mantienen con paredes verticales a alturas superiores a 20m. No obstante, en las zonas donde se han levantado asentamientos cerca de los bordes, como es el caso de la calle Čunarska en Zemun, donde se produce un humedecimiento constante junto a la propia pendiente de la meseta loésica debido al vertido de aguas residuales, las laderas de loess se derrumban y la estabilidad del suelo loésico cerca del borde se ve comprometida.
Las dunas son colinas móviles de arena suelta depositada por el viento. Estas colinas, bajo la acción del viento, se dispersan y se vuelven a formar rápidamente, por lo que representan un peligro de sepultamiento y derrumbe de casas y vehículos de transporte.
Fig. 5 - Suelo eólico
Suelos glaciales
Los suelos glaciares se forman por el transporte de partículas sólidas del suelo mediante el hielo. Los suelos glaciares tienen una composición distinta de los aluviales, ya que están formados por partículas sólidas de granulometría aproximadamente similar, concretamente cantos rodados, grava (morrena) o arena que quedaron tras el deshielo. En las capas de antiguos lagos glaciares existe marga glaciar.
Fig. 6 - Suelo glacial