Inicio | Acerca del Autor | E-mail

jueves, 4 de noviembre de 2010

GSI (1) - Quebrada El Perro (2) - Geomorfología (2)

" En este estado quedó el sector de Expoferias en la ola invernal de noviembre del 2008. El área hace parte de la zona oriental de Manizales, donde una avalancha de lodo y piedras inundó el sector dejando el barrio Chachafruto aislado. "


A mediados de noviembre de 2008 se presentó el primer evento que atrajo la atención pública sobre la actividad torrencial de QEP afectando la glorieta Expoferias y los barrios Chachafrutos (de ocupación) y Sierra Bonita (urbanización).

En la cabecera los movimientos masales visibles sobre las áreas dedicadas al pastoreo, demuestran un carácter remontante y se alistan a contribuir a la próxima "avalancha" de lodo, troncos, escombros y rocas generada por intensas lluvias ("empalizada").

"Una empalizada desembocó tras un deslizamiento en la ladera del Cerro de Oro y desbordó la Quebrada El Perro, lo que formó un lago en el box coulvert (alcantarilla de cajón) y pareció echar al traste las obras de intervención que valen unos $2 mil 700 millones. La primera vez que ocurrió eso fue en noviembre del 2008, cuando declararon la Urgencia Manifiesta.

Lo que dijo Carlos Alberto García Montes, Jefe de la Oficina Municipal para la Prevención y Atención de Desastres (OMPAD), es que las obras aún no se han terminado. "Se construyeron pantallas en tres frentes de la ladera y como se preveían posibles desprendimientos de tierra en otros costados de la ladera se inició la construcción de un dique para retener los sólidos y evitar el desbordamiento de la quebrada". De los 25 metros que mide el dique, faltan 11."

LA PATRIA 29-10-2010

Los procesos de urbanización de la ladera hacia áreas marginales y vecinas a cuerpos de agua traen consigo la construcción de infraestructura vital para el desarrollo, especialmente en lo que concierne a vías y redes de acueducto y alcantarillado.

Los abanicos aluviales, o conos de deyección, son cuerpos sedimentarios de acumulación, formados en áreas donde los flujos lateralmente confinados de cauces (torrenciales en este caso) se expanden al reducir la velocidad del flujo y dan origen a una geometría cónica.

Estas geoformas se ubican en zonas donde existe un cambio importante de pendiente a lo largo del cauce durante su periodo sedimentario, por lo que representan un reajuste de masas producto de la variación de las condiciones de equilibrio. Están condicionadas por la intensidad, dirección, sentido y energía de los procesos que los originan.

Los factores que controlan la geometría y dimensiones de los abanicos aluviales son:

  • La litología,
  • Tipo de superficie,
  • Pendientes principales,
  • Cobertura vegetal,
  • Gradiente del canal principal suministrador de detritus,
  • Tipo y calidad de las descargas acuosas,
  • Régimen climático,
  • Movimientos tectónicos y
  • Forma de la cuenca.

El área ocupada por el abanico es directamente proporcional a la cuenca de drenaje, dependiendo del clima y de la litología. Materiales de arrastre gruesos producen abanicos más inclinados y de menor tamaño.

Al incrementarse la descarga proveniente de el área fuente, se produce un decrecimiento de la pendiente del abanico. La pendiente general varía entre 5° y 10° en la zona de la cabecera y de 1° a 2° en el pie.

En la imagen a continuación puede apreciarse el abanico aluvial conformado por acción del hombre una vez se realizó la canalización de QEP y relleno lateral en la glorieta Expoferias:

  

Anteriormente la vaguada de QEP fluía hacia el río Chinchiná al sur (parte superior de la fotografía) contando con un área de descarga aguas abajo del "barrio Chachafrutos" (ocupación antrópica), este canal de desagüe fue retrocediendo a medida que se ampliaba la infraestructura complementaria a las urbanizaciones adelantadas (la Avenida Alberto Mendoza y principalmente la glorieta Expoferias) hasta ubicarse en la actualidad en la región de los puentes.

En las siguientes imagenes se aprecia la construcción de un canal de sección rectangular (y amplitud de aproximadamente 12 mts) sobre QEP, bajo los puentes que conforman la glorieta Expoferias (durante el primer semestre de 2010) y que antecede a una alcantarilla de cajón (box coulvert) en concreto reforzado, confinada por un relleno adyacente a la plazoleta de Expoferias, de unos 10 mts de altura aproximada:



En temporada con régimen de lluvias medio, el cauce demuestra una pequeña lámina de agua, tal y como se observa en la fotografía inferior. Por tratarse de un torrente, en época de lluvias intensas, la pequeña cuenca, por su elevada pendiente y cobertura vegetal baja, exhibe tiempos de concentración muy cortos, incrementando rápidamente la altura de la lámina de agua, su velocidad y potencial de socavación.

El relleno sobre la alcantarilla de cajón actúa como una presa de sedimentos arrastrados por el caudal sólido, que es incapaz de ser conducido a través de la conducción cerrada debido a sus características hidráulicas y estructurales (baja pendiente y sección).

Este comportamiento natural del proceso de equilibrio del nivel base, señala la manera de ejercer control al torrente durante avenidas, tal y como se ha utilizado con resultados positivos en otros torrentes cercanos y de características similares a QEP, como el de la quebrada El Silencio (barrio Minitas) y que se muestra a continuación, consistente en una barrera en gaviones de 12 mts de altura aproximadamente:



Ésta imagen corresponde a una presa en gaviones, de retención de sedimentos (material aluvial transportado por el cauce) provenientes de la erosión de las riberas y arrastre aguas abajo.

La presa recibe en su cara aguas arriba los sedimentos, reduce la velocidad e impacto del caudal e impide que sean arrastrados aguas abajo en forma de avenidas durante lluvias intensas como ha venido ocurriendo periódicamente el QEP.

De acuerdo a los resultados de un levantamiento topográfico detallado del perfil longitudinal (altimétrico) del cauce, y conforme al estudio de un modelo de las condiciones hidráulicas e hidrológicas de la cuenca de QEP, puede llegar a obtenerse una propuesta de construcción de una serie de presas o diques de retención de sedimentos, formando escalones (caídas sucesivas) a lo largo de la quebrada, con el objeto de reducir la energía del caudal y de controlar las avalanchas (avenidas) hacia el sector de Expoferias, como se muestra en el esquema a continuación:


La nueva morfología resultante (topografía en forma de abanicos o valles) sobre el cauce responde a un perfil estable diseñado de acuerdo a las características geotécnicas de los sitios de emplazamiento de los diques de retención y de su altura.

La velocidad de llenado del área disponible (cara aguas arriba del dique) responderá a la capacidad de arrastre de sedimentos del cauce y puede tardar varios meses (o eventualmente con una sola avenida torrencial como la del 28 de octubre de 2010 será suficiente) para ocupar completamente su capacidad, cuando se pretende ser ocupado por material proveniente del mismo drenaje.

También puede efectuarse un relleno controlado mediante el acarreo (transporte) de material seleccionado posteriormente compactado, pero requiere de vías de acceso en buenas condiciones.

Si el diseño indica que se permitirá el llenado modo natural, este es en general lento, y cualquiera que sea el método de ocupación, se requiere de medidas de drenaje subterráneas complementarias para consolidar el material depositado. Durante el proceso de llenado tienden a generarse estanques o lagos (ya que el material depositado es fino y tiende a impermeabilizar el fondo) que requieren cerramiento particular y demarcación de seguridad industrial para evitar accidentes derivados del acceso de la comunidad.

El proceso constructivo es, al igual que la velocidad de llenado, lento, por cuanto debe efectuarse en sentido de abajo hacia arriba e ir avanzando de forma gradual.

Para las condiciones conurbanas de la Quebrada El Perro y sus afluentes, en la zona del sector de Expoferias, de acuerdo a las observaciones de comportamiento de los fenómenos ocurridos durante los últimos 2 años y de las características de la cuenca, el procedimiento de mitigación del impacto de las avenidas torrenciales más aconsejable, es diseñar y construir un sistema de diques de retención de sedimentos (del cual se ha venido hablando que ya se encuentra en ejecución) para obtener un perfil de compensación de estabilidad de las márgenes del cauce.

Para obtener efectos positivos a corto plazo, deberá utilizarse el llenado controlado antes descrito y así, agilizar el proceso de construcción de los diques posteriores hacia la cabecera de la cuenca para recuperar la estabilidad de las laderas situadas en la parte alta a medida que se controle el potencial de socavación del cauce en este sector (ver Geología y Clima).

Los diques de retención deberán ser complementados con medidas de bioingeniería que incrementen la altura de la vegetación rastrera (pastos) sobre las márgenes de la cabecera, a una de altura tipo rastrojo (liviana y densa). En la parte media y baja del tramo de cauce entre el Cerro de Oro y Expoferias (donde la energía es mayor), deberán utilizarse árboles de porte medio a alto que contribuyan a densificar la cubierta del terreno (efecto sombrilla) y reducir el impacto de sedimentos arrastrados.

Los costos de inversión en los que se incurre a mediano plazo al realizar este tipo de obras son recobrados en corto plazo ya que el periodo de retorno de 2 años en la ocurrencia del evento, implica disponer de recursos financieros permanentes para la recuperación, monitoreo y mantenimiento de la infraestructura.

El eje lineal de tratamiento puede convertirse en un área de protección ambiental y ecoturística mediante la creación de un parque ecológico demostrativo con recorridos con visitas guiadas y monitoreo permanente al comportamiento de las obras.

De acuerdo a lo antes mencionado respecto de la construcción en la actualidad de un dique de retención, es importante que la Alcaldía municipal informe a la comunidad sobre el alcance y costos de éste proyecto para incentivar sentimiento de pertenencia alrededor de ésta importante solución.

Ir a:




Ir al Índice de Entradas 1-50 ...
Guardar en PDF

miércoles, 3 de noviembre de 2010

GSI (1) - Quebrada El Perro (1) - Geomorfología (1)



Esta foto de portada contrasta con otra publicada por el mismo diario en 26-05-2010 donde se describe el avance de las obras de manejo de aguas a nivel del cruce sobre la glorieta Expoferias:


El caso de la quebrada El Perro (QEP) da inicio a la serie que denomino GSI (Geotechnical Scene Investigation - "Investigación de la Escena Geotécnica"), con el objeto de revisar diferentes aspectos de la situación, desde el punto de vista geotécnico.

Las cuantiosas inversiones de presupuesto realizadas en la parte baja de una cuenca muy inestable (glorieta Expoferias) son rápidamente recuperadas por la naturaleza mediante detonantes como la acción hidrometeorológica y susceptibilidad geotécnica, tal y como se aprecia en las imágenes del más reciente evento torrencial sobre QEP en 28-10-2010 evidencian gran parte de la problemática:




QEP se ubica al oriente de la ciudad de Manizales con relieve máximo entre 2330 (cabecera) y 2040 msnm (glorieta Expoferias):


La cuenca con drenaje de tipo dendrítico, denso a muy denso, que se delimita como se muestra a continuación (se destaca el control estructural en dirección N-S):


De acuerdo a la forma de la cuenca (caso a la izquierda) tenemos las siguientes hidrógrafas:




El perfil de QEP corresponde al caso de la izquierda.

Las pendientes van de fuertes (20% - 30%) - muy fuertes (30% - 50%) a escarpadas (> 50%) (USSCS, 1966).

QEP afecta principalmente las conducciones de abastecimiento del acueducto municipal procedentes de Gallinazo (en la parte baja) y de Río Blanco (en la parte alta), la circulación por la Avenida Alberto Mendoza y la Vía al Magdalena, y urbanizaciones recientemente construidas sobre la ladera (Sierra Bonita).

En la imagen se observa parte del escarpe de un movimiento masal en 31-10-2010, en el sector Cerro de Oro:


En 01-11-2010 la situación en la parte alta de la cuenca es:



Los drenajes de tipo dendrítico como QEP, se presentan en áreas con presencia de sedimentos erosionables, correspondientes a depósitos recientes de cenizas volcánicas originados en la actividad del complejo volcánico Ruiz-Tolima. En este tipo de drenaje se forman bolsas de agua (micro represamientos) a lo largo de las curvas de las corrientes pues están en proceso de madurez.


Procesos de remoción en masa sobre depósitos de caída de piroclástos, característicos en la cabecera son del tipo mostrado en la siguiente fotografía:


Ir a:




Guardar en PDF

lunes, 1 de noviembre de 2010

La Consistencia del Suelo


Consistencia de Suelos Derivados de Cenizas Volcánicas (Manizales, Caldas)

La consistencia es la resistencia del suelo a ser deformado o amasado (remoldeado o roto), gobernada por las fuerzas físicas de adhesión y cohesión, las cuales dependen del contenido de humedad del material, es por esto que la consistencia se expresa en términos de seca, húmeda y mojada.

Esta cohesión y adhesión del suelo comprende:
  • El comportamiento con respecto a la gravedad, presión y tensión. 
  • La tendencia de la masa del suelo de adhesión a cuerpos extraños o sustancias. 
  • Las sensaciones que son evidenciadas y sentidas por los dedos del observador.


La consistencia del suelo, es la manifestación de las fuerzas físicas de cohesión y adhesión que actúan dentro del mismo bajo varios estados de humedad, o sea, resistencia a la deformación o ruptura cuando se aplica una fuerza. La consistencia varía con la textura, materia orgánica, cantidad y naturaleza del material coloidal hasta cierto punto con la estructura y especialmente con el contenido de humedad. 

La clasificación de la consistencia se hace con el suelo seco, húmedo y muy húmedo. Bajo condiciones de sequedad se dice que el suelo es blando, suave, duro, muy duro o cementado, cuando el suelo está húmedo se describe como muy friable, friable o poco friable, cuando está muy húmedo, (por encima de la capacidad de campo) se distinguen dos condiciones: plasticidad y pegajosidad. Así, se habla de suelos poco plásticos, plásticos, muy plásticos y suelos poco pegajosos, pegajosos y muy pegajosos. Pueden darse condiciones combinadas como de alta plasticidad y poca pegajosidad, dependiendo de los tipos de arcillas, sus cantidades y de sus cationes adsorbidos. 

A muy bajos contenidos de humedad, el agua cerca de las partículas adquiere gran coherencia y viscosidad y se estima que la viscosidad debe ser cercana a la del hielo. A mayores contenidos de humedad, el suelo se vuelve plástico y pegajoso, esto es, exhibe características de flujo. Las propiedades de viscosidad del suelo se vuelven similares a la del agua en estado líquido. 

Un suelo plástico y pegajoso pierde estas propiedades, cuando su contenido de agua decrece. Adquiere entonces características de friabilidad siendo suave al tacto. Si la pérdida de agua incrementa, el suelo pasa al estado seco volviéndose firme y mas aún, duro. 

Las sugerencias de clasificación de Atterberg, sin incluir el estado viscoso de los suelos, se han dividido en cuatro estados de consistencia : 

  • Pegajosa : característica de adherencia a los objetos. 
  • Plástica : característica para ser moldeado. 
  • Suave : caracterizado por la friabilidad. 
  • Firme : caracterizado por su dureza.

El concepto de consistencia del suelo, incluye algunas propiedades tales como la resistencia a la compresión, la friabilidad, la plasticidad, y la viscosidad. Observaciones de campo y de laboratorio, han llevado a la conclusión de que la consistencia del suelo varía con propiedades como: la textura, el contenido de materia orgánica, el total de materia coloidal, la estructura (en cierto grado) y el contenido de humedad. 

Los suelos plásticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua, de allí que se pueden determinar sus estados de consistencia si se conoce la frontera entre estos.

Los estados de consistencia de una masa de suelo plástico, en función del cambio de su contenido de humedad son: sólido, semisólido, plástico y líquido. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo varía. 
El significado de los contenidos de agua que sirven de límite para cada estado físico, fue descrito por  el científico de suelos sueco, Albert Atterberg en 1911. Estas fronteras definieron lo que se conoce hoy en día como límites de Atterberg

Para calcular los límites de Atterberg, el suelo se tamiza por la malla No 40 y la porción retenida es descartada. 

La frontera convencional entre los estados semisólido y plástico se llama límite plástico, que se determina alternativamente presionando y enrrollando una pequeña porción de suelo plástico hasta un diámetro al cual el pequeño cilindro se desmorona, y no puede continuar siendo presionado ni enrrollado. El contenido de agua a esta condición se anota como límite plástico

La frontera entre el estado sólido y semisólido se llama límite de contracción, y a la frontera entre el límite plástico y líquido, se llama límite líquido, y es el contenido de agua que se requiere adicionar a una pequeña cantidad de suelo que se colocará en una copa estándar, y ranurará con un dispositivo de dimensiones también estándar, sometido a 25 golpes por caída de 10 mm de la copa a razón de 2 golpes/s, en un aparato estándar para límite líquido; la ranura efectuada deberá cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm. 

El índice de plasticidad (IP), es el rango de contenido de agua para el cual el suelo se comporta plásticamente. Numéricamente es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico del suelo.


Los límites de Atterberg mas importantes en la Ingeniería Geotécnica, son aquellos que definen la plasticidad.

El grado máximo de consistencia se alcanza en el rango seco debido a las fuerzas de cohesión; mientras que el máximo de adhesión se localiza dentro del rango húmedo.

Variación de la Consistencia con la Humedad

Al comparar los dos "puntos máximos de las curvas", se observa que el relacionado con la adhesión, aunque origina un valor de consistencia menor en el rango húmedo, es el estado óptimo para la realización de las labores agrícolas, puesto que el suelo no opone tanta resistencia como ocurre en el rango seco.

En los rangos donde el contenido de agua es mayor (mojado y saturado), el peligro radica en la degradación estructural por la poca resistencia que ofrece el suelo a su deformación con lo cual se corre el riesgo de "amasarlo" o compactarlo.


Los Puntos de Máxima Consistencia son:
  • En estado seco debido a la cohesión.
  • En estado húmedo debido a la adhesión.


Consistencia de suelos secos

Un suelo seco con una compactación normal generalmente exhibe una extremada dureza o coherencia. La medida de esta coherencia va a variar con la estructura del suelo, ya que, la porosidad determina el número de partículas por unidad de volumen.

La coherencia de suelos secos, por lo tanto, debe ser visualizada como dependiendo de la cantidad de contactos superficiales por unidad de volumen de la masa del suelo y la magnitud de las fuerzas atractivas en la superficie; se da en ausencia de moléculas de agua en la superficie y por la atracción entre las partículas sólidas.

  • Suelo Suelto: Se utiliza en aquellos horizontes que carecen de estructura o que aquella es particular. No existen agregados y las partículas del mismo no están unidas entre sí. Los horizontes que la presentan están muy bien aireados y son muy penetrables, pero las raíces tienen poco contacto y la retención de agua es muy débil. 
  • Suelo Blando: Los agregados se rompen entre los dedos. Este tipo de consistencia suele estar asociado a estructuras migajosas o granulares. El suelo está bien aireado, es fácil de penetrar y ofrece buen contacto a las raíces. La retención de agua es, en general, buena y se laborea bien, aunque es conveniente que presente un cierto nivel de humedad para que no se destruyan los agregados. 
  • Suelo Duro: Los agregados son difíciles de romper con la mano, y en algunos casos es necesario recurrir al martillo. La aireación es escasa y las raíces penetran con mucha dificultad en los agregados y suelen crecer a través de las fisuras. Retiene gran cantidad de agua aunque el drenaje puede resultar escaso. 

Consistencia en húmedo

  • Suelo Suelto: Se corresponde con el término análogo en seco y presenta un comportamiento semejante. 
  • Suelo Friable: El término deriva de "friare" que significa desmenuzar. Se desmenuza con cierta facilidad. En seco, suele ser "blando" o algo "duro” y su comportamiento es el equivalente a ellos. 
  • Suelo Firme: No se desmenuza con facilidad. En seco suele ser duro o muy duro y con un comportamiento semejante. Puede ser muy proclive a la formación de suelas de arada. Usualmente existe una correspondencia entre la consistencia en seco y en húmedo, si bien en esta situación los agregados se desmenuzan con mayor facilidad. 

Consistencia en mojado

  • Suelo Adherente: Se utiliza para indicar que la tierra se pega a las manos. Suele ir asociada a suelos duros en seco y poco friables o firmes en húmedo. Cuando el suelo es muy adherente es debido a la presencia de partículas finas no coloidales que no se unen unas a otras para constituir agregados. La presencia de este limo hace que, al no estar adherido, el suelo húmedo se vuelva resbaladizo y se enfangue. 
  • Suelo Plástico: Tiene la capacidad de poder ser moldeado. La plasticidad se mide formando un cordón y estableciendo lo largo y fino que se hace antes de que se rompa. Está en función del contenido y tipo de arcilla. Cuando a la plasticidad se añade la presencia de arcillas expansibles que provocan grandes cambios de volumen, pueden ocasionar deslizamientos.


La Cohesión del Suelo

Esta fuerza es debida a atracción molecular en razón, a que las partículas de arcilla presentan carga superficial, por una parte, y la atracción de masas por las fuerzas de Van der Walls, por otra (gavande, 1976). Además de estas fuerzas, otros factores tales como los compuestos orgánicos, carbonatos de calcio y óxidos de hierro y aluminio, son agentes que integran el mantenimiento conjunto de las partículas.

La cohesión es la atracción entre partículas de la misma naturaleza.

La Adhesión del Suelo

Se debe a la tensión superficial que se presenta entre las partículas de suelo y las moléculas de agua. Sin embargo, cuando el contenido de agua aumenta, excesivamente, la adhesión tiende a disminuir. El efecto de la adhesión es mantener unidas las partucilas por lo cual depende de la proporción Agua/Aire. De acuerdo a lo anterior, la consistencia del suelo posee dos puntos máximos; uno cuando esta en estado seco debido a cohesión y otro cuando húmedo que depende de la adhesión.

La adhesión es la atracción entre partículas de distinta naturaleza.

Las fuerzas intermoleculares que enlazan moléculas similares entre sí, (por ejemplo puentes de hidrógeno) son llamadas fuerzas cohesivas, y las que enlazan una sustancia a una superficie se llaman fuerzas adhesivas.

La Coherencia del Suelo

Se refiere a la cohesión entre las partículas sólidas. Las fuerzas de la cohesión y coherencia explican la unión de las partículas entre sí en los distintos estados de consistencia. El número de películas de agua depende del contenido de coloides. 

Los suelos arcillosos exhiben por lo tanto mayor cohesión que los arenosos. Las partículas laminares producen mayores efectos cohesivos que las esféricas.

La Pegajosidad de los Suelos 

Representa el contenido de humedad en el cual el suelo no se adhiere más a un objeto extraño. Es generalmente determinado pasando una espátula a través de una masa húmeda y amasada de suelo. El contenido de humedad es regulado hasta que se alcance el punto en que el suelo no se adhiere a la espátula. 

En suelos altamente plásticos, el punto de despegado se encuentra levemente por debajo del limite superior. En suelos levemente plásticos, el punto de despegado se encuentra por encima del límite superior. Los efectos de la arcilla y la materia orgánica en el punto pegajoso son semejantes a sus influencias en los límites inferior y superior de plasticidad.

La Friabilidad del Suelo

La friabilidad caracteriza la facilidad de desmenuzar un terrón de suelo. 

El rango de humedad en el cual los suelos están friables, es también el rango de humedad en el cual la condición es óptima para la labranza o excavación, ya que se minimiza el efecto de cementación. Por otro lado, no hay suficiente agua presente para causar la formación de distintas películas de agua, alrededor de los contactos de partículas para producir la cohesión que existe en el rango plástico. 

Los agregados están unidos, al menos en parte, por la orientación de moléculas de agua (bipolo) entre partículas individuales.

Los límites de Atterberg o estados de consistencia de un suelo, se determinan en muestras completamente amasadas, por lo tanto deben tomarse como una medida del comportamiento de los suelos después de destruir completamente su estructura original. 

La friabilidad se caracteriza por la facilidad de desmenuzamiento de un suelo húmedo. Las condiciones de humedad que determinan la friabilidad son aquellas que mejor se adaptan a las condiciones de mecanización porque el suelo es suave y la cohesión apropiada. 

La adhesión se refiere a la atracción de la fase líquida sobre la superficie de la fase sólida, mientras la cohesión es la unión entre partículas debido a las fuerzas de atracción mutua que surgen de mecanismos físico - mecánicos, o sea, la fuerza de cohesión varía inversamente con el contenido de humedad y aumenta con el contenido de las arcillas.

La Capilaridad del Suelo

La capilaridad es una propiedad física del agua mediante la cual ella puede avanzar a través de un canal vertical de menor diámetro (desde unos milímetros hasta micras) siempre y cuando, el líquido se encuentre en contacto con ambas paredes del canal y estas paredes se encuentren cercanas.

La cohesión, la adhesión y la tensión superficial causan la capilaridad (movimiento de agua hacia arriba de un capilar). La distancia del movimiento a través del capilar, se debe a la atracción que ejerce la periferia de la superficie polar del capilar (adhesión) sobre el agua y a la tensión superficial del agua, que tiende a minimizar el área superficial.
La adhesión y la tensión superficial, ejercen tensión sobre las moléculas de agua, justamente bajo la superficie y causan su movimiento hacia la parte alta del tubo, hasta equilibrar la fuerza de adhesión con el peso de la columna de agua.

El agua se adhiere a un capilar debido a que las fuerzas adhesivas entre el agua y las paredes del capilar son más grandes que las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua.

La capilaridad, es el fenómeno al cual se debe, parcialmente, el ascenso de la savia desde las raíces hasta las hojas. El ascenso capilar es inversamente proporcional al radio del tubo.

La Plasticidad del Suelo

La plasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico.

La plasticidad del suelo, es aquella propiedad que permite a las arcillas cambiar de forma cuando están sujetas a una fuerza deformante superior a las fuerzas cohesivas, y mantener esa forma cuando la fuerza deja de ser aplicada.

La plasticidad es el efecto resultante de una presión y una deformación. La magnitud de la deformación que puede soportar un suelo, con un determinado contenido de humedad, está dada por la distancia que las partículas pueden distanciarse, sin romperse los enlaces entre estas.

La presión que se requiere para producir una deformación específica es un índice de la magnitud de las fuerzas de cohesión que mantienen las partículas juntas. Estas fuerzas, varían con el espesor de las películas de agua entre las partículas minerales del suelo. Por tanto, la plasticidad es la propiedad que expresa la magnitud de las fuerzas de las películas de agua dentro del suelo, ya que éstos, a su vez, permiten que el suelo sea moldeado sin romperse hasta un determinado punto.

Los suelos plásticos pueden clasificarse como arcillas o limos. Arcillas son aquellos suelos de tamaño menor a dos micras y que su composición química obedece a la fuerzas de atracción molecular de los átomos de Alúmina y Sílice y que sus partículas son de forma laminar. 

Carta de Plasticidad
La plasticidad de las arcillas es circunstancial y depende del contenido de humedad. Por lo que para calcular la cantidad de plasticidad se obtiene el índice de plasticidad, como la diferencia entre los límites líquido y plástico. 

La plasticidad varía también con el tamaño y forma de las partículas ya que es un fenómeno relacionado con películas de agua. Las partículas gruesas no exhiben plasticidad. Atterberg fue el primero en anotar que las partículas laminares eran las mas plásticas, o sea, que la plasticidad era función de la cantidad de superficie y número de contactos, por superficie disponible. Además, influye considerablemente la naturaleza mineralógica de la arcilla. La plasticidad en los suelos implica las características de formar masas y manejar las hasta adquirir la forma que se desee, manteniéndola después que la fuerza deformante ha cesado. Más aún, la forma permanece después que el agua ha sido removida. La orientación de las partículas también influye en la plasticidad.

La plasticidad de un suelo se debe a su contenido de partículas más finas de forma laminar, que ejerce gran influencia en la compresibilidad del suelo mientras el pequeño tamaño de tales partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea baja. 

La plasticidad puede estudiarse con base en curvas esfuerzo - deformación de los materiales, cuya forma depende de las características del material. Para esfuerzos bajos la relación esfuerzo-deformación es reversible (comportamiento elástico), para esfuerzos mayores es irreversible (comportamiento plástico). 

La distinción entre el comportamiento elástico y plástico comprende dos aspectos: 

  • Influencia de la historia de esfuerzos. 
  • Razón de variación actual de esos esfuerzos. 

El primero se relaciona con dos características o puntos de fluencia (de tensión y compresión), mostrando el material comportamiento elástico mientras el esfuerzo actual se mantenga entre esos límites; al principio tales características son aproximadamente iguales y en el caso de material perfectamente plástico, permanecen constantes. Para materiales donde hay endurecimiento por deformación progresiva, los valores de esos límites dependen de la historia de esfuerzos.

Curvas de comportamiento

Los minerales de la arcilla, y en particular el grupo de las esmectitas, son eminentemente plásticos, por lo que los materiales compuestos total o parcialmente por minerales arcillosos exhibirán un comportamiento plástico en presencia de agua, pudiendo estar ésta última presente en un amplio rango de cantidades.

El comportamiento plástico de los minerales de la arcilla se debe principalmente a su estructura laminar y a su tendencia a rodearse de numerosas moléculas de agua, que se fijan a la superficie mediante puentes de hidrógeno, además de hidratar los numerosos cationes intercambiables que se encuentran en torno a éstas. Esto hace que, como respuesta a un esfuerzo dado, los materiales arcillosos respondan deslizándose unas láminas con respecto a otras. 

Este deslizamiento tiene lugar a favor de las superficies de discontinuidad definidas a lo largo de los espacios interlaminares que existen entre dichas laminas. La presencia de agua en estos espacios favorece la separación de las láminas y, por consiguiente, la disminución de la energía de enlace entre ellas, con el consiguiente deslizamiento relativo. 

Es, por tanto, el contenido de agua en mayor o menor proporción, el factor que determina la consistencia y deformabilidad de un suelo de estas características. Desde que en 1926 Terzaghi indicó su utilidad, los límites de Atterberg han sido ampliamente estudiados y aplicados en los laboratorios de geotecnia de todo el mundo. 

Según indicó Terzaghi en 1926: "Los resultados de la determinación de los limites de Atterberg dependen precisamente de los mismos factores físicos que determinan la resistencia y permeabilidad de los suelos (forma de las partículas, tamaño efectivo,uniformidad, etc.). Si diferentes suelos con orígenes geológicos similares tienen los mismos límites sus propiedades físicas serán también idénticas, y será suficiente investigar uno de ellos con mayor detenimiento. Si conocemos los tres límites de un suelo, nos encontramos en disposición de comparar este suelo con otros y podemos, en principio, anticipar cuáles serán sus propiedades. Si además conocemos otro suelo con límites muy parecidos, podemos afirmar que ya sabemos cuál será su comportamiento"

En los problemas prácticos, el aspecto más importante consiste en reconocer si una arcilla ha sido o no preconsolidada. Casi seguramaente lo será, si la humedad natural se aproxima más al límite plástico. Los depósitos que tienen humedades cercanas al límite líquido son usualmente mas blandos que los que tienen humedades cercanas al límite plástico. 

La mayor parte de los suelos esmectíticos muestran un comportamiento plástico a lo largo de un amplio rango de humedades. Este comportamiento surge de la capacidad de los minerales de contener una gran cantidad de agua entre las partículas y todavía conservar su estructura coherente gracias a las fuerzas eléctricas existentes entre ellas.

En este contexto, el límite plástico podría considerarse la proporción de agua suficiente para hidratar todas las partículas, ya sea por adsorción directa a la superficie o por hidratación de los cationes de cambio que se encuentran en torno a ellas. Por encima de este valor, las partículas presentarán un comportamiento plástico gracias a la formación de películas de agua que permite el deslizamiento de unas con respecto a otras. 

Yong y Warkentin (1966) definen el límite plástico como la mínima humedad para la cual la cohesión entre partículas o grupos de partículas es lo suficientemente baja como para permitir su movimiento, pero lo suficientemente alta para que éstas mantengan su nueva posición tras el remoldeo.

En el intervalo existente entre límite plástico y límite líquido, la distancia entre las partículas va aumentando a medida que se incrementa la cantidad de agua en el sistema. Esto provoca una debilitación de las fuerzas de atracción existentes entre ellas.

A partir del límite liquido, las partículas están lo suficientemente alejadas como para que las fuerzas de atracción sean muy débiles. Esta situación permite el flujo del suelo (comportamiento viscoso) en cuanto éste es sometido a la acción de cualquier esfuerzo externo al sistema. En el caso de los minerales expansivos como las esmectitas, una cantidad considerable del agua del límite líquido puede encontrarse hidratando los cationes interlaminares. Esta cantidad de agua interlaminar depende engran medida del tipo de catión interlaminar. Por tanto, se puede afirmar que en los minerales del grupo de las esmectitas, la naturaleza del catión interlaminar ejerce una gran influencia sobre el valor del límite líquido que presente el material arcilloso.

La Expansividad de los Suelos

El hinchamiento es el proceso opuesto a la consolidación. Consiste en la expansión deun material arcilloso por efecto de una reducción de presión y una entrada de agua enlos poros que rodean a las partículas.

Se puede clasificar la expansividad de una arcilla (Skempton, 1953) por medio del número de actividad (A), que representa la relación del índice de plasticidad de un suelo entre el porcentaje por peso de las partículas que poseen un diámetro equivalente menor que 0.0002 mm. Si el número de expansividad es mayor que 1, la arcilla es de alta expansividad. 

Asímismo, la diferencia entre los suelos orgánicos e inorgánicos puede realizarse llevando a cabo dos ensayos para determinar dos valores de límite líquido con el mismo material; una con suelo húmedo secado al aire y otra con el suelo secado al horno. 

El suelo secado al horno produce cambios irreversibles en los componentes orgánicos y producen un límite líquido significativamente inferior al realizado con el suelo secado al aire. Si la muestra secada al horno es inferior a 0.75 veces al de la muestra secada al aire, el suelo puede clasificarse como orgánico.

La Compresibilidad del Suelo
Si se conoce la plasticidad de los suelos, se pueden conocer la deformación de estos suelos, mediante el cálculo del indice de compresibilidad (Cc). 

El Cc esta íntimamente relacionado al límite líquido (LL) de los suelos plásticos. La relación entre las dos cantidades fue formulada por Skempton en 1944 y es:

Cc = 0.009 * (LL-10)

Esto permite calcular el asentamiento aproximado de una estructura cimentada sobre un estrato plásticos. 

Otros enlaces de interés sobre el tema en este blog:

Referencias:

Guardar en PDF

domingo, 31 de octubre de 2010

El Agua en el Suelo


El agua procede de la atmósfera en forma de lluvia, nieve, granizo ó humedad atmosférica. Otras fuentes son infiltraciones laterales, ascenso desde capas freáticas, etc. Las soluciones del suelo proceden de la alteración de los minerales y de la materia orgánica. 

Ciclo del Agua

El agua puede existir en todas sus fases dentro del suelo. El agua líquida puede aparecer como agua higroscópica, capilar o gravitacional

La higroscópica y la capilar, están sostenidas por fuerzas moleculares en delgadas películas alrededor de las partículas del suelo. Cuanto más seco es el suelo y menores los intersticios entre las partículas, más fuertes son las fuerzas que sostienen ésta agua. 
El agua higroscópica (o molecular) es la fracción del agua absorbida directamente de la humedad del aire. Esta se dispone sobre las partículas del terreno en una capa de 15 a 20 moléculas de espesor y se adhiere a la partícula por adhesión superficial. El poder de succión de las raíces no tiene la fuerza suficiente para extraer esta película de agua del terreno. En otras palabras esta porción del agua en el suelo no es utilizable por las plantas) no está prácticamente disponible, y es sostenida por presiones (manométricas) negativas de 31 a 10 kbars

El agua capilar (fracción del agua que ocupa los microporos en el suelo. Se mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión superficial del agua. Esta fracción del agua es utilizable por las plantas, es la reserva hídrica del suelo) aparece cuando hay más agua disponible para llenar los espacios entre las partículas de suelo, pero de una manera discontinua. Esta agua es sostenida por presiones que van desde 0.33 a 31 bars, y puede estar conectada directamente con aguas subterráneas o en paquetes aislados. 

El agua capilar forma la zona capilar continua antes mencionada y puede ser usada por las plantas. Si las presiones negativas tienen magnitudes mayores que alrededor de 15 bars, las raíces de las plantas no pueden extraer el agua. Este nivel de sequedad se denomina punto de marchitamiento (wilting point), y la vegetación no puede sobrevivir a menores contenidos de humedad. A medida que la humedad crece, se alcanza el punto que la gravedad es suficientemente fuerte como para contrarrestar estas presiones negativas (entre 0 y 0.33 bars). 

La máxima cantidad de agua que el suelo puede sostener contra la gravedad se denomina capacidad de campo. El agua en exceso de la capacidad de campo, percola hacia abajo de la columna de suelo, y alcanza finalmente la zona de saturación limitada por un lecho de rocas, o algún otro material impermeable. 

Es razonable esperar que la humedad del suelo a cierta profundidad en la capa intermedia no varíe mucho con el tiempo. La profundidad exacta dependerá naturalmente de la historia del sitio, pero es del orden de algunos metros en la mayoría de las regiones. En áreas húmedas o bien irrigadas, la capacidad de campo es una buena estimación de la humedad para esta capa.

El agua gravitacional es la fracción del agua que ocupa los macroporos del suelo, saturándolos o no. Esta fracción del agua en el suelo se mueve impulsada por la fuerza de la gravedad, la que tiende a desplazarla hacia abajo. Esta fracción del agua del suelo puede temporalmente ser utilizada por las plantas mientras se encuentre en el estrato reticular de las plantas.

El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo (interviene decisivamente en la meteorización física y química, y translocación de sustancias) como desde el punto de la fertilidad.

Flujo de Agua en el Suelo
Entiéndase el término 'napa' como 'acuífero'  (Dr. Rafael Fernández Rubio)

La fase líquida circula a través del espacio poroso, queda retenida en los huecos del suelo, y está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales, y concretamente las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento. La fase líquida del suelo está constituida por el agua y las soluciones del suelo.

El suelo es un material complejo compuesto por materia presente en sus tres fases. La fase sólida está compuesta por minerales y materia orgánica; la fase líquida por agua y la fase gaseosa está formada esencialmente por aire y vapor de agua. 

El complejo sólido-aire, constituye la trama de las rocas y el soporte de las aguas subterráneas a la manera de esponja. 

La fase sólida rara vez es compacta, sino que presenta espacios vacíos o poros ocupados por gases o líquidos. Los elementos de la fase sólida pueden encontrarse en dos formas: 

  1. Sólidamente trabados entre sí, formando rocas coherentes o compactas (por ejemplo calizas). 
  2. Aproximadamente libres, formando rocas incoherentes o porosas (por ejemplo arenas y gravas). 

Relaciones volumétricas y gravimétricas del suelo

Las rocas compactas permitirán el flujo de agua solo a través de fisuras, mientras que en las rocas porosas, el flujo se dará a través de intersticios intergranulares o poros. Las propiedades hidráulicas que caracterizan la relación sólido-aire y sólido-aire-agua son la porosidad y la permeabilidad, respectivamente.



En función del tamaño de las partículas que conforman el suelo, este puede clasificarse granulométricamente.

Clasificación del suelo según el diámetro de partícula

CLASIFICACIÓN DEL AGUA EN EL SUELO

El agua del suelo puede clasificarse desde un punto de vista físico o desde el punto agronómico.

DISTRIBUCIÓN DEL AGUA EN EL SUELO
La distribución vertical idealizada de las zonas de humedad en el suelo, asumiendo una porción de terreno permeable, homogénea (de granulometría uniforme) e isótropa (sin estratificación, con permeabilidad uniforme en todas las direcciones) sobre un manto horizontal impermeable (por ejemplo, roca) y considerando una única fuente de entrada de agua proveniente de la infiltración en superficie (no se considera flujo de agua subterráneo), es la siguiente:

Distribución ideal del agua en el suelo

Zona de evapotranspiración (ETP): Es la zona superior, comenzando desde la superficie del terreno; se extiende hacia abajo, acompañando la capa de las raíces de las plantas. Está sometida a alteración del suelo y en ella se realiza la evapotranspiración. Normalmente, esta zona se encuentra en estado no saturado (parte de los poros de la tierra están llenos de aire, además de agua). Durante período de lluvia (o irrigación), esta zona puede volverse saturada. El espesor de esta zona es función del suelo, el clima y la cobertura vegetal, en zonas templadas alcanza 1.00 m a 2.00 m de profundidad y excepcionalmente 3.00 m.

Zona de retención: El volumen de agua es igual al coeficiente de retención específico y el peso del agua es igual a la capacidad de campo. El agua de esta zona no presenta ningún vínculo hidráulico con las capas inferiores. Es una zona de conexión con la región usualmente saturada del sistema tierra-roca. Esta zona intermedia está normalmente no saturada, excepto en períodos de extrema precipitación. Su espesor medio puede variar entre 0.60 m y 2.00 m, alcanzar los 15.00 m o, por el contrario, faltar completamente.

Franja capilar: La zona capilar yace por encima de las capas bajas saturadas. Su nombre proviene de la existencia de agua que asciende debido a las fuerzas capilares. La capilaridad es una función del tipo de sistema tierra-roca. La columna de agua ascendente puede ser una fracción de un 1.00 m para arenas, hasta decenas de metros para arcillas finas. La posición de la franja capilar se ve afectada por las fluctuaciones de la capa acuífera, pero no su potencia. La potencia varía de manera inversamente proporcional a la granulometría, con valores entre 30 y 60 cm en las arenas y de hasta 3.00 m en los limos.

Zona saturada: Llamada capa o manto acuífero. En el ejemplo considerado, se denomina también acuífero libre o freático (en la superficie superior o nivel freático, la presión del agua es igual a la presión atmosférica). Todos los espacios vacíos están ocupados enteramente por agua. El coeficiente de saturación alcanza el 100 %. De esta zona puede extraerse agua mediante el uso de métodos convencionales (bombas).

Desde el punto de vista físico:
Agua higroscópica: Es el agua adsorbida directamente de la humedad atmosférica, forma una fina película que recubre a las partículas del suelo. No está sometida a movimiento, no es asimilable por las plantas (no absorbible). Está fuertemente retenida a fuerzas superiores a 31 atmósferas (pF = 4.5).
Agua capilar: Contenida en los tubos capilares del suelo. Dentro de ella distinguimos el agua capilar absorbible y la no-absorbible.

  1. Agua capilar no absorbible: Se introduce en los tubos capilares más pequeños <0.2 micrones. Está muy fuertemente retenida y no es absorbible por las plantas; la fuerza de succión es de 31-15 atmósferas (pF de 4.5 a 4.2).
  2. Agua capilar absorbible: Es la que se encuentra en tubos capilares de 0.2-8 micrones. Es agua absorbible por las plantas, por lo tanto agua útil para la vegetación, constituye la reserva durante los períodos secos. Está fuertemente adsorbida; la fuerza de retención varia entre 15 a 1 atmósferas, y se extrae a pF de 4.2 a 3.

Agua gravitatoria: Es el agua que pierde un suelo que ha sido saturado por gravedad, es decir, no está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitatoria de flujo lento y agua gravitatoria de flujo rápido en función de su velocidad de circulación.

  1. De flujo lento: La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 micrones de diámetro.  Se admite que está retenida a un pF que varia desde 3 a un valor que varia entre 1,8 y 2,5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas.
  2. De flujo rápido: La que circula por poros mayores de 30 micrones. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada rápidamente al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de la mayoría de las plantas no la pueden tomar.

Agua Gravitacional

Desde el punto de vista agronómico:
Capacidad máxima: Contenido hídrico equivalente a todos los poros saturados de agua. No existe fase gaseosa. La porosidad total del suelo es igual al volumen total de agua en el suelo.

Capacidad de retención: Cantidad máxima de agua que el suelo puede retener. Representa el almacenaje de agua del suelo. Se produce después de las precipitaciones atmosféricas cuando el agua gravitatoria ha percolado; no obstante, durante ese período se producen pérdidas por evaporación, absorción de las plantas, etc. Por ello es muy difícil de medir. Hay una medida equivalente que se realiza en el laboratorio. Corresponde al agua higroscópica más la capilar, es decir el agua que ocupa los poros de hasta 8 micras.

Capacidad de campo: Cantidad de agua que puede tener un suelo cuando se pierde el agua gravitatoria de flujo rápido, después de pasados unos dos días de las lluvias (se habrá perdido algo de agua por evaporación y consumo de las plantas). La fuerza de retención del agua variará para cada suelo, pero se admite generalmente una fuerza de succión de 1/3 de atmósfera o pF=2,5 y corresponde a poros < 30 micras (para algunos suelos el pF de 1.8 es más representativo)..

La capacidad de campo consiste en tomar la humedad de una muestra extraída en el campo dos días después de un lluvia importante. Generalmente se considera que así se obtiene una humedad en exceso (especialmente para los suelos de texturas finas) debido a que incluiría parte del agua de desagüe lento. Por esto es que se aconseja medir la capacidad de retención en el laboratorio a través de la determinación de “humedad equivalente”.

Punto de ruptura del lazo capilar: A medida que el suelo continúa perdiendo humedad por evaporación y consumo de los vegetales, la película de agua que está adsorbida a las partículas y agregados se adelgaza cada vez más y en consecuencia el agua es cada vez retenida con mayor fuerza. El proceso continúa hasta que la película de agua pierde continuidad. La importancia de este punto radica en que se considera que los movimientos del agua son ya muy lentos, por lo que la planta encuentra la dificultad de absorberla por lo que debe moderar su ritmo vegetativo. Para suelos de textura media se considera este punto equivalente a aproximadamente un 70 % de la capacidad de retención.

Punto de marchitez: Representa el contenido de humedad de un suelo que se deseca a un nivel tal que el agua que queda está retenida con una fuerza de succión mayor que la de absorción de las raíces de las plantas. Es el agua que queda retenida a una presión de 15 atmósferas (pF = 4.2), en los poros de hasta 0.2 micras. El agua contenida corresponde al agua higroscópica más el agua capilar no absorbible. Se distinguen aquí el punto de marchitez temporario a aproximadamente 10 atm. (la planta se recupera de su estado de marchites si se entrega agua al suelo) y el punto de marchitez permanente (el estado de marchitez de la planta es irreversible).

Punto de higroscopicidad: Es el agua que el suelo toma del aire húmedo. Está retenida a tensiones mayores a 30 atmósferas.

Agua útil: Representa el agua en capacidad de campo menos el agua existente en el punto de marchitez permanente. Es decir el agua retenida en los poros entre 0.2 y 8 micrones.

De acuerdo a su granulometría, los suelos presentan diferentes características respecto del contenido de agua:

  • Suelos arenosos: muy baja capacidad de campo, pero casi toda su humedad es agua útil pues la cantidad de agua en punto de marchites es muy pequeña.
  • Suelos arcillosos: muy alta capacidad de campo, pero con gran cantidad de agua inútil en punto de marchitez.
  • Suelos de granulometrías equilibradas (francos): buenas características al compensarse los efectos de las arenas y de las arcillas.

Valores típicos de agua en el suelo para distintos tipos de suelos

El agua del suelo se puede clasificar cuantitativa o cualitativamente según su estado de energía utilizando conceptos termodinámicos.

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía. Es decir que dos suelos con igual contenido de agua no darán necesariamente iguales respuestas a una misma planta, puesto que la disponibilidad de agua para la planta depende de su estado energético.

CARACTERIZACIÓN ENERGETICA DEL AGUA DEL SUELO

El concepto de estado energético es tan importante o más que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía.

El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa). Los tipos de energía más importantes son: energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza), energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional), energía cinética (debida al movimiento), energía calorífica, energía química, energía atómica, energía eléctrica... La energía libre será la suma de todas estas energías.

Energía Libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +..

Se parte del concepto de energía libre, la que puede definirse como: "La capacidad de una sustancia de realizar un trabajo (fuerza por distancia) desde un estado de referencia a otro cualquiera".

Como no es posible determinar los valores absolutos, se trabaja con las diferencias de energía libre que en el caso de los suelos es: "la cantidad de trabajo que debe ser efectuado por unidad de masa de agua con el objeto de transportar, reversible e isotérmicamente una cantidad infinitesimal de agua desde un reservorio, situado en una elevación especificada y bajo presión atmosférica, hasta el agua del suelo".

Como resultado de esa energía libre, un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo. El grado de energía de una sustancia, representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo. Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía.

Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión. Tiene un sentido negativo y es el responsable de las fuerzas de retención del agua dentro del suelo, es igual al potencial matricial más el osmótico. Frente a él, está el potencial gravitacional que tiene un signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo.

La definición de energía libre, corresponde a lo que se conoce como la "diferencia de energía libre específica" y es sinónimo de "potencial hídrico total" (PHT).

El potencial hídrico total de un suelo generalmente posee valor negativo, ya que el agua del suelo está sometida a distintas acciones que disminuyen su energía libre. (Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión).

Los factores considerados son cuatro y se los estudia por separado como componentes del PHT.

Potencial Matricial (PM): Es, salvo en los casos de suelos salinos, el más importante cuantitativamente y depende de la "atracción hacia el agua" ejercida por la fase sólida del suelo a través de mecanismos de adsorción y capilaridad. La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.

Adsorción de moléculas de agua
Capilaridad del agua en el suelo

El potencial matricial es debido a dos fuerzas, adsorción y capilaridad. La atracción por adsorción se origina como consecuencia de superficie de sólidos descompensados eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo.

Por otra parte en los microporos del suelo queda retenida el agua por fuerzas capilares.

Potencial Osmótico (PO): Es debido a las sales y por tanto es importante en suelos salinos. Se debe a la influencia de los solutos sobre la energía libre del agua. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración la solución más concentrada atrae al agua para diluirse.

Ósmosis

Potencial Gravitatorio (PG) y Potencial Neumático (PN): Son de menor importancia y se deben a la acción de la gravedad en el primer caso (es positivo, tiende a desplazar el agua horizontes cada vez más profundos) y a las presiones efectuadas por la atmósfera y otras, en el segundo.

Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitatorio, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitatorio, el agua se desplaza hacia abajo.

PHT = PM + PO + PG + PN

De acuerdo a una convención internacional esos potenciales se simbolizan con la letra griega "psi(y) .

Es de destacar que algunos autores no consideran el potencial neumático, por ser de poca importancia, y en cambio introducen el concepto de potencial temperatura (PT). La temperatura obviamente, influye en varios aspectos del potencial total, ya que afecta la energía libre del agua del suelo.

De acuerdo a este concepto potencial hídrico total PHT, estaría compuesto por:

PHT = PM + PO + PG + PT

La dimensión de la energía libre es correspondiente a la de trabajo: ergio o julio.

Como el potencial hídrico total es la energía libre específica, es decir, trabajo sobre unidad de masa, las unidades son: ergio/gr.

Succión total del suelo: La determinación de la succión total de un suelo involucra la determinación de la succión matriz y de la succión osmótica, que corresponden a los potenciales matriz y osmótico del suelo, respectivamente.

La succión total no es exactamente igual al PHT, pero su importancia radica en que es la medida práctica de la succión que debe vencer la raíz para absorber agua. La succión se mide actualmente en Pascales, aunque se acepta la medida en barios, cm de altura de una columna de agua, etc.

0,33 atm = 33 KPa = 3,4 m col agua

Contenido hídrico del suelo: El contenido de humedad del suelo se define como: "la cantidad de agua perdida a 105-110 °C y se expresa en porcentaje de agua sobre la base de suelo seco". A veces también se expresa en volumen.

Capacidad hídrica del suelo: Es la cantidad de agua que tiene el suelo (contenido hídrico), debe expresarse en función de la fuerza a que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a que se encuentre sometida. Efectivamente si la mayor parte del agua está débilmente retenida ésta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas.

La capacidad hídrica del suelo es entonces, el contenido hídrico que corresponde a una determinada succión total o a una determinada succión matriz. En este último caso se trata de la capacidad hídrica diferencial (CHD), que es la cantidad de agua que contiene el suelo a un determinado valor de succión matriz (SM).

Curvas de retención hídrica: La succión matriz es función del contenido de agua del suelo (mayor contenido de agua menor succión y viceversa), pero cada suelo posee una propia serie de valores de capacidad hídrica diferencial, por ello no existe un valor o ecuación general y debe determinarse para cada suelo en particular.

Si las determinaciones de contenido hídrico y de succión matriz se grafican; surgen las curvas de retención hídrica, en las que se utilizan distintas unidades (cm de altura de agua, pF (potencial capilar), bares, atmósferas, etc.) y que se conocen con distintos nombres (curvas de pF, de succión, etc). 

La curva de retención hídrica no es unívoca. Para una misma muestra de suelo, la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (ciclo de secado) con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (ciclo de humedecimiento). Este distinto comportamiento del suelo según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación en relación con la fuerza con la que el agua está retenida, es el fenómeno de histéresis, y se cree se debe al diámetro variable de los sistemas capilares de la masa del suelo.


Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar una succión mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo, previamente humedecidas.

CAPACIDAD DE CAMPO Y PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE (wilting point)

De las primeras clasificaciones del agua del suelo, surgieron dos conceptos de aplicación práctica, que son la "capacidad de campo" y el “punto de marchitez permanente".

Capacidad de Campo (CC): Se la puede definir como "el contenido hídrico del suelo, luego de que el mismo haya sido saturado por la lluvia o por el riego y se ha vuelto muy lenta la percolación del agua gravitatoria (es ésta relativamente estable)". Esta situación se produce normalmente entre uno y tres días, después de la saturación.

De acuerdo a lo anterior, ésta no es una verdadera situación de equilibrio sino una condición en la que de no existir evaporación ni consumo por las plantas, el movimiento del agua es tan lento en este punto que el contenido hídrico no varía apreciablemente.

Se puede considerar que es el límite superior de retención de agua por parte del suelo, ya que el exceso se pierde más o menos rápidamente.

Si bien existen diferencias de opinión entre autores, y también entre suelos de texturas extremas, en general se considera que es el agua retenida por el suelo a una succión matriz de 0,3 bares.

Humedad Equivalente (HE): A principios de siglo, cuando era muy difícil determinar este valor, se desarrollaban métodos que daban un dato aproximadamente similar a la capacidad de campo por lo que se llamó a sus resultados humedad equivalente (HE).

Aunque se han desarrollado nuevas técnicas de campo y de laboratorio, esta determinación aún se utiliza.

Punto de Marchitez Permanente (PMP)Es "el contenido hídrico del suelo en el que las plantas se marchitan y ya no pueden recuperarse al agregar más agua".

Representa aproximadamente el límite inferior del contenido del agua del suelo que las plantas pueden absorber, aunque depende mucho de la especie vegetal considerada.

Para las plantas más comunes se encontró que es el agua retenida por una succión matriz oscilante a 10‑20 bares, en promedio 15 bares. Es importante destacar a manera de dato, que varios vegetales perennes y otra vegetación nativa presentan puntos de marchitez de hasta 66 bares.

CC: capacidad de campo (%) (contenido de humedad a 10-33 kPa)
PM: punto de marchitamiento permanente (%) (contenido de humedad a 1500 kPa)

Entre estos últimos valores considerados (CC & PMP) se encuentra lo que se llama "agua útil", es decir el agua aprovechable por las plantas.

Unidades Utilizadas en la Tabla:
Capacidad de Campo = (%) (contenido de humedad a 10-33 kPa)
Punto de Marchitez (o Marchitamiento) Permanente = (%) (contenido de humedad a  1500 kPa)


MÉTODOS PARA DETERMINAR LA HUMEDAD DEL SUELO

Para medir la humedad del suelo se efectúa por el método de la perdida de peso de una muestra húmeda tras eliminar el agua en estufa a 105ºC. Se van efectuando sucesivas pesadas hasta obtener valores constantes.

H= (Ph - Ps) / Ps x 100

donde, 
Ph = peso del suelo húmedo
Ps = peso del suelo seco

Esa cantidad de agua que tiene el suelo, debe expresarse en función de la fuerza a que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a que se encuentre sometida. Efectivamente si la mayor parte del agua está débilmente retenida esta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas.

Para medir el potencial de succión existen varios métodos para utilizar en el campo o en el laboratorio.

a) Métodos de campo. Entre los métodos modernos, indirectos y utilizables en condiciones de campo, se puede mencionar la sonda de neutrones. Para determinaciones de succión matriz son utilizados los bloques de yeso o de Bouyoucos, los tensiómetros (ambos de campo). El más sencillo es el método del tensiómetro. Consiste en introducir en el suelo una bujía (porosa en su parte inferior, generalmente cerámica) llena de agua. La bujía está cerrada herméticamente y lleva acoplada un manómetro. Al succionar el suelo parte del agua de la bujía se produce en ella un vacío que se mide en el manómetro. Más que medir potenciales de succión refleja variaciones de este y sirve para controlar in situ la cantidad de agua retenida por el suelo y por tanto para el control de riego.

Tensiómetro

b) Métodos de laboratorio. El más universal es el método la placa de presión (o membrana de Richards). En este se somete a una muestra de suelo a una serie de presiones en una olla metálica conectada a un compresor. Cuando se iguala la presión que suministramos a la fuerza de succión, el agua sale del suelo. Las medidas de fuerzas de retención del agua del suelo llegan hasta 16.000 gr/cm2. Para simplificar los datos se utilizan unidades de pF que representan los valores de los logaritmos decimales de las fuerzas de succión medidas en gr/cm2 (una fuerza de 1000gr/cm2 equivale a un pF de 3). También son frecuentes las medidas expresadas en atmósferas.


El método clásico, directo y en última instancia de referencia, es el secado en horno a 105-110 °C.

Así, las medidas de humedad del suelo se acompañan de las fuerzas de retención correspondientes, por ejemplo, 35% de humedad a un pF de 2,5 y un 20% a un pF de 4,2. El estudio de la humedad de un suelo es mucho más completo si calculamos la curva característica que relaciona gráficamente los valores de humedades y las fuerzas de retención correspondientes. Pero esta curva no es unívoca. Para una misma muestra de suelo la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (desorción) con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (sorción). Este distinto comportamiento del suelo según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación en relación con la fuerza con la que el agua está retenida, es el fenómeno de histéresis. Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar un pF mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo, previamente humedecidas.

EL AGUA SUBTERRÁNEA


Los reservorios de agua subterránea explotables se denominan acuíferos. Una formación saturada de este tipo es explotable si puede entregar una considerable cantidad de agua con relativa facilidad a costos razonables. 
Esta es una propiedad que depende del tipo de suelo y de los orígenes de la formación. Los acuíferos se clasifican en confinados y no confinados (o nivel freático). 

Los acuicludos corresponden a una unidad geológica incapaz de transmitir cantidades significativas de agua bajo la acción de gradientes de carga hidráulica ordinarios. Una formación intermedia lo constituyen los acuitardos que son lo suficientemente permeables como para transmitir cantidades de agua significativas para el estudio de flujos de aguas subterráneas regionales, pero no suficientes como para permitir la implementación de pozos de producción.

Acuífero no confinado (en 'Escorrentía Subterránea' - U. Complutense de Madrid)

Luego de perforar un pozo que penetra un acuífero no confinado (nivel freático), el agua aparecerá en el nivel que define la superficie piezométrica donde la presión de flujo sea igual a la atmosférica. Estos acuíferos tienen una superficie libre, que puede estar conectada directamente a una corriente superficial o a otras aguas. El agua en los acuíferos freáticos proviene de recargas de precipitación pluvial sobre el acuífero, de conexiones con aguas superficiales, y/o de otros acuíferos.

Acuífero confinado (en 'Escorrentía Subterránea' - U. Complutense de Madrid)

Los acuíferos confinados no tienen una superficie libre. Los lechos confinantes pueden ser completamente impermeables (acuífugos) o `llovedizos' (acuicludos). Luego de perforar un pozo que penetra un acuífero confinado, el agua se elevará hasta un cierto nivel, denominado altura piezométrica, que es igual a la elevación del techo del acuífero por encima de un nivel de referencia más la presión en el acuífero. Si esta altura se eleva por encima del nivel del suelo, entonces se tendrá un pozo artesiano del que fluye agua espontáneamente. Estos acuíferos se recargan a través de afloramientos (áreas donde el sistema del suelo se expone a la superficie) o a través de acuicludos. Este tipo de recarga puede ser limitado. Muchos acuíferos confinados poseen 'aguas fósiles' depositadas en tiempos geológicos pasados.

Si una formación roca-suelo es un acuífero, acuífugo o acuicludo, depende fuertemente de sus orígenes geológicos e historia. La información geológica nos dice mucho sobre las propiedades hidráulicas críticas, tales como la permeabilidad y la porosidad. Los acuíferos con lechos rocosos no son generalmente muy productivos. Los depósitos de sedimentos consolidados (arenisca o 'sandstone') son en general los mejores acuíferos potenciales.

Estos depósitos y otras rocas sedimentarias fuertemente aglutinadas son propensos a resquebrajarse y fracturarse. Las fracturas y las grietas pueden también desarrollarse debido a la disolución del material aglutinante. La capacidad de retención de agua es básicamente proporcional al grado de fractura. Las rocas sedimentarias como la dolomita y la piedra caliza pueden tener muy poca permeabilidad intrínseca a través de sus poros, pero son propensas a disolverse y al desarrollo de fracturas, grietas o cavidades.

Otras formaciones rocosas de estructura volcánica o cristalina tienen poca permeabilidad inherente, pero podrían potencialmente contener y transmitir agua a través de sus fisuras y fracturas. Otro camino de transmisión pueden ser los contornos entre estratos de diferente origen geológico. Plegamientos, fallas y otras fuentes de esfuerzos geológicos pueden conspirar a reducir o incrementar las fracturas en una dada formación rocosa.

Los sedimentos no consolidados son generalmente los mejores acuíferos. Estos depósitos son usualmente de origen fluvial o glaciar. Los sedimentos fluviales se depositan dentro y alrededor de cursos de agua existentes o ya no existentes. Ya que la capacidad de transportar agua depende del tamaño de las partículas, los elementos fluviales están normalmente bien clasificados y estratificados. Esto mejora la porosidad y la conductividad hidráulica, haciendo de estas formaciones muy buenos acuíferos.


Relación textura - porosidad del suelo
Rangos de valores de porosidad n en suelos y rocas
Propiedades hidráulicas de suelos típicos

k = conductividad específica (en cm²)
K = permeabilidad (en cm/seg)
n = porosidad

Agradecimiento:

El autor del blog agradece especialmente al doctor Rafael Fernández Rubio, por su gran colaboración con el presente tema.


Otros enlaces de interés:

Referencias:


NOTA: En cada página del blog, al pie de cada imagen y como parte del título, se encuentra el enlace a la fuente de la misma. En algunos casos donde no hay título, se debe hacer click (izquierdo) directamente sobre la imagen.

El autor del blog resalta que por tratarse de una colección de apuntes sobre geotecnia, es de gran importancia tener siempre presente la fuente de la información.

Guardar en PDF