Estrutura do solo

Por estrutura do solo enténdese a disposición da fase sólida na masa terrosa. Como é sabido, o solo consta de partículas sólidas e poros cheos de auga, aire ou vapor de auga, na maioría das veces parcialmente con aire e parcialmente con auga. Segundo a disposición das partículas sólidas no solo, determínase a súa estrutura. As estruturas dos solos non ligados e ligados diferéncianse de maneira esencial entre si.

Estrutura do solo non ligado

A estrutura do chan non cohesivo fórmase baixo a acción da gravidade. As partículas sólidas deste chan son máis grosas e caen cara abaixo, deposítanse baixo a acción da gravidade, mentres que as forzas intermoleculares de atracción desas partículas non existen ou son insignificantes e están vencidas pola gravidade. Por iso, no chan non cohesivo, as partículas sólidas colócanse unha xunto á outra, ocupando o espazo libre entre as partículas dispostas (fig. 1_a_). Se as partículas do chan non cohesivo teñen unha forma aproximadamente redonda e o mesmo tamaño, como pode ser o caso da area de composición uniforme, entón a estrutura pode ser a máis densa (fig. 1_b_) ou a máis frouxa (fig. 1_c_), segundo a disposición das partículas sólidas no chan. A estrutura máis densa corresponde á máxima compactación posible do chan non cohesivo e a súa porosidade é nmin=26%. A estrutura máis frouxa corresponde á mínima compactación posible do chan non cohesivo e a súa porosidade é nmax=48%. Así, por exemplo, a area solta das dunas ten n=47%.

Sedimentación das partículas dun solo non cohesivo baixo a acción da gravidade

A estrutura máis compacta e a máis solta do solo sen cohesión

Fig. 1 Estrutura do solo non ligado

Se o solo non cohesivo é de distinta granulometría, de modo que as partículas máis finas enchen os ocos entre as máis grosas (fig. 2), a porosidade do solo é considerablemente menor (n=20% e menos).

Estrutura do solo non ligado de distinta granulometría

Fig. 2. Estrutura do chan non cohesivo de distinta granulometría

Estrutura do solo cohesivo

No solo cohesivo, a estrutura é diferente ca no non cohesivo. No solo cohesivo aparecen forzas de cohesión, que son máis fortes ca a forza gravitatoria das partículas finas e as pegan nas superficies de contacto. Por iso estas partículas non caen unha tras outra cara abaixo, senón que permanecen pegadas unhas a outras e unhas ao lado das outras (fig. 3_a_), creando así unha estrutura en forma de cadea e rede (fig. 3_b_), plumosa (fig. 3_c_) etc., que se denominan estruturas de orde superior. Estas estruturas teñen unha grande porosidade, que pode acadar o 60-80% da masa total, cousa que non pode ocorrer no solo non cohesivo.

Estrutura de solo cohesivo

Fig. 3. Estrutura do solo cohesivo

Porosidade e coeficiente de porosidade

A porosidade do solo defínese pola relación entre o volume dos poros e o volume total do solo (fig. 4).

Porosidade e coeficiente de porosidade do solo

Fig. 4. Porosidade e coeficiente de porosidade do solo

Se designamos con

  • Vp = o volume dos poros no solo
  • Vm = volume de partículas sólidas
  • V = o volume total do solo,

porosidade do solo n é, por definición

n = VP / V = VP / (VP + Vm),

é dicir, en % do volume total do solo

n = 100 * VP / (VP + Vm) %.

O coeficiente de porosidade do solo defínese pola relación entre o volume dos poros e o volume das partículas sólidas:

e = VP / Vm.

Da expresión da porosidade n temos:

nVP + nVm = VP, de onde Vm = VP(1-n) / n.

Substituíndo este valor na expresión de e obtemos

e = n / (1-n).

Desta ecuación obtemos

e - ne = n; n = e / (1 + e).

O coeficiente de porosidade mostra a densidade do solo. Canto maior é o coeficiente e, menor é a densidade do solo e viceversa. Se un solo compresible se asenta baixo carga, mediante o coeficiente de porosidade antes e despois do asentamento pódese determinar a magnitude do asentamento Δ_h_.

Consideremos unha capa de solo compresible de espesor h (fig. 5_a_). Se cargamos esta capa, afundirase unha altura Δ_h_, de modo que o seu espesor se reducirá, como consecuencia da carga, a h1. Polo tanto

Δ_h_ = h – h1.

Como o afundimento do solo compresible se produce a conta dos poros, xa que as partículas sólidas son practicamente incompresibles, e tamén a auga, se os poros do solo están enchidos dela parcial ou totalmente, este afundimento pode representarse esquematicamente na fig. 5_b_.

Asentamento Δh da capa compresible de solo de espesor h baixo carga

Fig. 5. Asentamento Δh da capa compresible de solo de espesor h baixo carga

Se designamos con h0 a altura imaxinada da capa de partículas sólidas sen poros, chamada altura reducida, entón podemos expresar o asentamento Δ_h_ en relación coa altura reducida h0 mediante a relación:

Relación entre o afundimento Δh e a altura reducida h₀

Se observamos unha capa de solo de anchura e lonxitude iguais a unha unidade, entón as alturas h, h1 e h0 representan volumes, e por iso

Relación dos coeficientes de porosidade antes e despois do asento

onde e é o coeficiente de porosidade antes, e1 despois do asento. Do anterior obtense o asento

Δ_h_ = h0 (e-e1).

O asentamento pódese expresar en relación coa altura da capa h antes do asentamento se substituímos o valor da altura reducida h0:

h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),

xa que n = VP / V = VP / h_,_ de onde se obtem VP = nh.

En consecuencia obtense

de 3

As distintas clases de solo presentan os seguintes valores medios da porosidade n e do coeficiente de porosidade e:

Valores medios da porosidade e do coeficiente de porosidade por tipos de solo

Humidade do solo

Tipos de auga no solo

A auga no solo aparece en forma de auga nos poros entre as partículas sólidas, a chamada auga poral, despois como auga adsorbida sobre as partículas sólidas e como auga constitucional.

A auga de poros consta de auga libre entre as partículas sólidas, cuxo movemento se realiza segundo a lei de Darcy, despois de auga gravitacional, que se move baixo a acción da gravidade de arriba abaixo en todas as direccións, mais o seu movemento non se realiza segundo a lei de Darcy, auga capilar que se move baixo a acción das forzas capilares e auga de tensión superficial, que se mantén pola tensión superficial nos ocos entre as partículas sólidas do solo e tamén se chama auga porosa angular. Toda esta auga pode eliminarse completamente secando o solo a unha temperatura de 110oC.

Auga adsorbida é a que envolve as partículas sólidas, ás que está unida por forzas moleculares. Trátase do chamado filme de auga, cuxo espesor oscila entre 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimicrón). A influencia da auga adsorbida nas partículas máis grosas é insignificante; con todo, canto máis finas son as partículas, maior é a súa influencia, porque aumenta a superficie total das partículas e, con iso, a relación da auga adsorbida coas partículas sólidas nunha unidade de volume do solo. Esta auga pode eliminarse só parcialmente mediante secado a 110oC.

Auga constitucional é a que está quimicamente unida aos cristais dos minerais das partículas sólidas do solo. Esta auga existe en moi pouca cantidade e non pode eliminarse por secado do solo. Polo tanto, esta auga pode considerarse como parte integrante da partícula sólida.

Cantidade de auga no solo

Por definición, a cantidade de auga no solo ou a humidade do solo é a relación entre o peso da auga contida no solo e o peso dos seus compoñentes sólidos. Segundo a cantidade de auga no solo distínguense tres casos: solo completamente saturado de auga, solo parcialmente saturado de auga e solo completamente seco.

Solo completamente saturado de auga

Se designamos por n a porosidade do solo, por γs o peso específico de todas as partículas e por γw o peso específico da auga, entón a humidade do solo saturado wZ pode expresarse mediante a seguinte ecuación

Ecuación da humidade dun solo totalmente saturado

Solo parcialmente saturado de auga

Se indicamos con Ww o peso da auga contida no solo e con Wd o peso das partículas sólidas, é dicir, o peso seco do solo, entón a humidade do solo w

w = Ww / Wd, é dicir, en porcentaxe do peso seco do solo: w = 100 Ww / Wd.

Neste caso, a humidade do solo pode expresarse mediante o grao de humidade Sr, que representa a relación entre o peso real da auga no solo e o peso da auga no mesmo solo que existiría se todos os poros estivesen cheos de auga, é dicir, coa relación ao peso da auga do solo saturado:

Ecuación do grao de humidade do solo parcialmente saturado

resp. para _γ_w = 1,00  Sr = w*γs / e.

Os valores límite para o grao de humidade son:

  1. para solo completamente seco w = 0; Sr = 0
  2. para solo completamente saturado w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.

Mostra de solo parcialmente saturada de auga

Sl. 6. Mostra de solo parcialmente saturada de auga

O grao de saturación (que ás veces tamén se denomina saturación ou grao de humidade) exprésase tamén como a relación entre o volume de poros cheos de auga e o volume total de poros (fig. 6):

Sr = V2 / V1

onde V2 é o volume dos poros enchidos con auga, V1 o volume total dos poros enchidos con auga, aire e gases. Se w é a humidade do solo en % do peso seco do solo Wd, entón temos

V2 * γW = w Wd, de onde V2 = w Wd / γw.

Por outra banda, temos que V1 = V – Vd, e como Vd * γs = Wd, entón

Vd = Wd / γs e V1 = V – Wd / γs.

Polo tanto, o grao de saturación do solo Sr será

Ecuación do grao de saturación do solo Sr

é dicir, en porcentaxes do peso seco do solo

Grao de saturación do solo Sr en porcentaxe do peso seco do solo

Solo completamente seco

Neste caso w = 0. Eliminouse toda a auga dos poros, mentres que a auga adsorbida só se eliminou parcialmente, é dicir, a película de auga aínda existe, pero o seu espesor diminuíu.