Efecto de la sequía en la fisuración del suelo: Revisión bibliográfica
Debido al cambio climático, debemos tomar en consideración los cambios del entorno para el análisis del comportamiento mecánico de los suelos. Entonces, el presente documento busca recopilar información relevante para el estudio del efecto de la sequía en la fisuración del suelo. De esta manera, la...
- Autores:
-
Melo Burbano, Diego Edison
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad de los Andes
- Repositorio:
- Séneca: repositorio Uniandes
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/73407
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/1992/73407
- Palabra clave:
- Sequia
Suelos arcillosos
Deficit hídrico
Evapotranspiración
Mecánica de suelos
Esfuerzo
Deformacion
Ingeniería
- Rights
- openAccess
- License
- Attribution 4.0 International
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Debido al cambio climático, debemos tomar en consideración los cambios del entorno para el análisis del comportamiento mecánico de los suelos. Entonces, el presente documento busca recopilar información relevante para el estudio del efecto de la sequía en la fisuración del suelo. De esta manera, la sequía merece un estudio multidisciplinar dentro de la ingeniería civil, pues involucra ramas como la hidrología, la hidráulica y la geotecnia. Por tal motivo, se definirá un marco teórico para entender, de manera general, los fenómenos que causan la sequía o perdida de humedad en el suelo, asimismo, se abordará la explicación de conceptos relevantes para entender la desecación y fisuración del suelo. Así pues, se discutirán algunos parámetros de cuantificación de la humedad presente en el suelo, los procesos hidrológicos que propician la entrada y salida de agua al suelo, así como la caracterización del suelo en función de su contenido de humedad, algunas de sus propiedades físicas y su comportamiento hidromecánico. Además, se analizarán los impactos generados por el cambio climático sobre la humedad del suelo. También, se expondrá de que manera funciona el mecanismo de fisuración del suelo como respuesta a la sequía, adicionalmente, se analizará la influencia de diversos factores en los procesos de desecación y fisuración del suelo y, finalmente, se recopilarán soluciones eficientes para mitigar la perdida de agua en los suelos y garantizar una buena capacidad portante. |
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Caicedo Hormaza, BernardoMelo Burbano, Diego EdisonCaicedo Hormaza, BernardoFacultad de Ingeniería2024-01-23T16:52:27Z2024-01-23T16:52:27Z2023-12-21https://hdl.handle.net/1992/73407instname:Universidad de los Andesreponame:Repositorio Institucional Sénecarepourl:https://repositorio.uniandes.edu.co/Debido al cambio climático, debemos tomar en consideración los cambios del entorno para el análisis del comportamiento mecánico de los suelos. Entonces, el presente documento busca recopilar información relevante para el estudio del efecto de la sequía en la fisuración del suelo. De esta manera, la sequía merece un estudio multidisciplinar dentro de la ingeniería civil, pues involucra ramas como la hidrología, la hidráulica y la geotecnia. Por tal motivo, se definirá un marco teórico para entender, de manera general, los fenómenos que causan la sequía o perdida de humedad en el suelo, asimismo, se abordará la explicación de conceptos relevantes para entender la desecación y fisuración del suelo. Así pues, se discutirán algunos parámetros de cuantificación de la humedad presente en el suelo, los procesos hidrológicos que propician la entrada y salida de agua al suelo, así como la caracterización del suelo en función de su contenido de humedad, algunas de sus propiedades físicas y su comportamiento hidromecánico. Además, se analizarán los impactos generados por el cambio climático sobre la humedad del suelo. También, se expondrá de que manera funciona el mecanismo de fisuración del suelo como respuesta a la sequía, adicionalmente, se analizará la influencia de diversos factores en los procesos de desecación y fisuración del suelo y, finalmente, se recopilarán soluciones eficientes para mitigar la perdida de agua en los suelos y garantizar una buena capacidad portante.La fisuración del suelo es un fenómeno que se presenta como consecuencia de la desecación o perdida de humedad del suelo. De esta manera, encontramos que la desecación del suelo puede producirse debido a diversos fenómenos, tales como: sequia meteorológica, incrementos de temperatura, desviación del curso natural del agua, deforestación y cambios en los usos del suelo. Primero, la sequía meteorológica se refiere a la escasez de lluvias que a través del proceso de infiltración abastece de agua al suelo. Segundo, el incremento de la temperatura ambiental, como consecuencia del calentamiento global, acelera las tasas de evapotranspiración, por lo que el suelo pierde humedad más rápidamente. Ambos procesos están ligados y se proyecta que, en el mediano plazo, el suelo no tendrá tiempo para reabastecerse de agua pues se esperan periodos prolongados de altas temperaturas y sequia pluviométrica, entonces, es muy probable que en la región de sur América la fisuración del suelo sea una problemática general en las zonas áridas y semiáridas. Tercero, la desviación del curso natural del agua para la construcción de diques o embalses deja a las cuencas de los ríos sin abastecimiento de agua y por ende el suelo se deseca, Cuarto, la deforestación puede alterar los ciclos hidrológicos, ya que la cobertura vegetal no solo regula la tasa en la que el agua presente en el suelo se libera a la atmosfera, en el continuo suelo-planta atmosfera, sino que también contribuye a la formación de nubes cruciales para la generación de precipitaciones que abastecen de agua al suelo. Finalmente, los cambios en los usos del suelo, principalmente la construcción de áreas urbanas e infraestructura vial, entorpecen el proceso de infiltración de agua en el suelo, pues el concreto o el pavimento obstruyen la llegada de agua al suelo y este se termina desecando. Para entender cómo se mueve el agua en la matriz del suelo, primero, debemos saber de qué manera entra. El proceso de infiltración es el paso del agua desde la superficie del terreno al interior del suelo debido a fuerzas gravitacionales y capilares. Entonces, la conductividad hidráulica del suelo juega un papel muy importante en este proceso. En este sentido, la distribución de los tamaños de partícula del suelo determina el tamaño de los poros por los cuales el agua se moverá. Así pues, los suelos se han clasificado en arcillas, limos y arenas de acuerdo con el tamaño de sus partículas, siendo que las arenas, con tamaños de partícula más grande y por ende porosidades de gran tamaño cuentan con una mayor conductividad hidráulica, es decir, son muy permeables. Por el contrario, las arcillas son poco permeables. Mientras que los limos se encuentran en un nivel medio. Los límites de Atterberg definen la consistencia de los suelos finos o arcillosos mediante su clasificación en los estados líquido, plástico, semisólido o sólido. Estos estados están delimitados por los limites líquido, plástico y de contracción, los cuales se definen en función del contenido de humedad. Así pues, cuando el suelo se encuentra en estado sólido y semisólido cuenta con un bajo contenido de humedad y se caracterizan por tener alta resistencia y presentar una falla frágil y repentina. Por su parte, un suelo arcilloso en estado plástico, tiene un contenido de agua medio, por encima del límite plástico, y se caracteriza por tener una resistencia media y presentar deformaciones plásticas o dúctiles antes de fallar completamente. Mientras, los suelos arcillosos en estado líquido tienen altos contenidos de agua, por encima del límite líquido, y presentan una baja resistencia, además, se deforman como un fluido viscoso. En cuanto a la salida de agua del suelo, el proceso de evapotranspiración es el encargado de transferir la masa de agua líquida presente en el suelo hacia la atmosfera en forma de vapor. Este proceso requiere de la energía que proporciona la radiación solar y comprende tanto la evaporación directa del agua en el suelo como la transpiración de la cobertura vegetal. Así pues, la evapotranspiración potencial para un cultivo está estrechamente relacionada con el coeficiente de cultivo, el cual depende del tipo de vegetación y su etapa de desarrollo. Además, la evapotranspiración potencial se puede estimar a través de varios métodos, entre los que se encuentran las ecuaciones empíricas, métodos de balances hídricos, métodos de balances energéticos, métodos de transferencia de masa o difusión y los métodos combinados. Aunque en el documento se recopilaron estudios que estimaban la perdida de humedad sin tener en cuenta la influencia de la cobertura vegetal, al final se analizó el impacto de la vegetación como una solución que es capaz de reducir la propagación de fisuras en el suelo. De esta manera, la investigación de Cheng et al. (2020) sugieren que el proceso de evaporación sucede en tres fases bien definidas. Durante la primera etapa, la tasa de evaporación permanece constante, se observa una deformación vertical del suelo y la tensión por tracción aumenta gradualmente. En la segunda etapa, la tasa de evaporación decrece linealmente y el contenido de humedad del suelo también decrece, aquí se presenta una contracción lateral y la tensión de tracción aumenta dramáticamente hasta alcanzar un valor máximo, que corresponde a la resistencia a tracción del suelo, en este momento, también se inicia el agrietamiento del suelo. Finalmente, en la tercera etapa, se observa una caída repentina de la tensión que se mantiene como una tensión de tracción residual. Además, se reconoció que el contenido de agua de craqueo y la resistencia a la tracción del suelo está fuertemente relacionado con el contenido de arcilla, a mayor contenido de arcilla mayor resistencia a la tracción y mayor contenido de humedad de craqueo, es decir, el contenido de agua residual, posterior al agrietamiento, es mayor. Adicionalmente, Tang et al. (2022) estudiaron la propagación de las redes de fisuras a través del procesamiento de imagen y logro determinar que las nuevas fisuras se desarrollan de forma perpendicular a las ya existentes, además, encontró que pueden producirse deflexiones durante el desarrollo de las grietas debido a la influencia de otras grietas. Mas aun, se revelo que existe un centro de contracción en los terrones que se forman producto de la fisuración y el desplazamiento de partículas de suelo aumenta gradualmente desde el centro de contracción hasta el borde del terrón. Se supo además que este centro de contracción no necesariamente coincide con el centro de gravedad del terrón y que su ubicación varia con el tiempo de secado. También, se encontró que generalmente las grietas se desarrollan alrededor de defectos en la superficie del suelo debido a la concentración de tensiones, por ejemplo, alrededor de hendiduras (fosas o valles) y partículas de arena presentes en la matriz de suelo. La revisión bibliográfica también revelo que la propagación de las grietas por desecación en suelos arcillosos está determinada no solo por las propiedades del suelo sino también por las condiciones ambientales. Por un lado, las propiedades del suelo que son relevantes incluyen la composición mineral, la distribución granulométrica del suelo, la condición de compactación, tamaño y espesor de la muestra de suelo. Por otro lado, en cuanto a las condiciones ambientales, son principalmente relevantes la temperatura, la humedad relativa del ambiente y las condiciones de saturación y secado límites. Además, generalmente, las fisuras más anchas y los patrones de fisuras más densos corresponden a suelos constituidos por una mayor proporción de arcilla como lo demostraron Cheng et al. (2020). En este sentido, el estudio de Zeng et al. (2022) concluyeron que el comportamiento del agrietamiento se ve fuertemente influenciado por las condiciones de humedad relativa ambiental, pues esta controla la tasa de evaporación. Por un lado, se encontró que con una mayor humedad relativa ambiental la tasa de evaporación disminuye, además, el contenido de agua residual aumenta a medida que humedad relativa se incrementa. Mas aun, se encontró que cuando la humedad relativa aumenta del 15% al 93,7%, el correspondiente contenido de agua de craqueo del suelo analizado aumenta aproximadamente del 41% al 80%. Esto puede deberse a la interacción directa entre las profundidades del suelo y la atmosfera cuando se forma las grietas. Por otro lado, cuando se tienen altos niveles de humedad relativa la formación de fisuras exhibe un desarrollo jerárquico, es decir, se puede ver claramente la formación lenta de grietas primarias anchas a partir de las cuales se forman subfisuras finas que se propagan rápidamente. En cambio, en condiciones de baja humedad relativa, se generan una gran cantidad de grietas en la superficie del suelo de manera simultánea por lo que se hace difícil distinguir el proceso de formación de la red de grietas. El agrietamiento del suelo también acelera la evaporación del agua presente en el suelo, esto debido a que el área superficial expuesta a la radiación solar aumenta. Así pues, la investigación de Zeng et al. (2023) determinaron a través de un modelo numérico que el contenido de agua disminuye rápidamente cerca de la superficie del suelo y se distribuye de manera normal alrededor de la fisura, además, sugiere que las tasas de evaporación en diferentes puntos de profundidad de la grieta son de 1,54 mm/día durante la etapa de tasa constante, esto debido a que existen las mismas condiciones iniciales de suelo y aire a cualquier profundidad. Sin embargo, la duración de la primera etapa, de tasa constante, aumenta con la profundidad del suelo y la distancia a la grieta, específicamente, se encontraron duraciones de 0.73, 2.38, 4.38, 5.94 y 11,99 días para los puntos S1, S2, S3, S4 y S5, respectivamente, donde S1 se encuentra en una posición más superficial, mientras que S5 se encuentra en la zona más profunda de la grieta. Adicionalmente, se encontró que con un mayor contenido de humedad el contenido volumétrico de agua cerca de la superficie disminuye. Se discutieron también el uso del biocarbón y de cobertura vegetal para mitigar los impactos de la desecación y reducir la propagación de grietas en el suelo. Yang et al. (2021) encontraron que incorporar biocarbón en suelos sódicos reduce las tasas de evaporación durante el secado del suelo, asimismo, se reduce la tasa de agrietamiento y disminuye la dimensión fractal del suelo sódico, es decir, se tienen redes de fisuras más ordenadas pues el biocarbón reduce el desarrollo de grietas secundarias en suelos sódicos. Adicionalmente, al añadir biocarbón la densidad aparente del suelo sódico se reduce y el contenido de materia orgánica del suelo aumenta, lo que resulta en un suelo menos compacto. Por su parte, Bordoloi et al. (2020) recopilaron información acerca de la influencia que tiene la presencia de cobertura vegetal sobre el proceso de iniciación y propagación de las grietas por desecación del suelo. Por un lado, encontraron que la succión inducida en suelos con vegetación puede ser varias veces mayor que la del suelo desnudo, esto produce una reducción de la conductividad hidráulica del suelo y un aumento de la resistencia al corte. La absorción de agua por parte de las raíces contribuye a los procesos de desecación del suelo, por lo que se ha reconocido que la cobertura vegetal puede causar daños en cimientos poco profundos y en el pavimento de carreteras en suelos arcillosos, más aún, las plantaciones densas o la productividad excesiva pueden desencadenar redes de agrietamiento mucho más densas en el suelo. Por otro lado, las raíces de las plantas pueden aumentar la llamada “cohesión aparente” o “cohesión radicular” ya que pueden tratarse como fibras naturales que brindan un refuerzo mecánico al suelo al aumentar su resistencia a la tracción, aunque también pueden promover la fisuración del suelo al retrasa el cierre de las grietas abiertas, ya que las raíces pueden proliferar dentro de las grietas, aumentando aún más el ancho y la profundidad de las grietas. Adicionalmente, se encontró que las raíces de la cobertura vegetal exudan una amplia gama de compuestos durante la transpiración, estos compuestos biológicos aumentan exponencialmente la tenacidad a la fractura y la energía de enlace en los suelos arcillosos expansivos, lo que mejora la estabilidad de los agregados, aunque dicha mejora también depende de si los minerales arcillosos del suelo son expansibles o no. Asimismo, cuando el suelo se encoge debido al secado, las raíces de las plantas pueden proporcionar un esqueleto contra la contracción del suelo dentro de la zona de las raíces, lo que resulta en grietas más grandes fuera del límite de la zona radicular. Este proceso puede describirse con el término "contracción esquelética". Finalmente, como se discutió en el apartado del proceso de evapotranspiración, la actividad fotosintética afecta directamente a la succión inducida por la transpiración, lo que podría aumentar adicionalmente las fuerzas de tracción en la zona radicular. Entonces, la conductancia estomática controla la capacidad de transpiración de la planta y por ende la succión inducida que puede afectar indirectamente la propagación de grietas en el suelo. Por ultimo, se presentaron las diferentes técnicas utilizadas para la caracterización de las fisuras. Dentro de los métodos manuales se incluye el uso de sondas cableadas, láminas de polietileno, lechada de cemento e incluso se utilizan tintes como marcadores para medir la porosidad de las grietas. Sin embargo, más recientemente se han utilizado el análisis de imagen, la tomografía, la resistividad eléctrica y el modelado numérico para caracterizar las grietas de manera más detallada. Adicionalmente, se discutió sobre el uso de modelos geotécnicos centrífugos para simular el comportamiento catastrófico de taludes considerando los efectos de refuerzo tanto mecánicos como hidrológicos de las plantas. El modelado centrífugo se ha usado ampliamente para estudiar la infiltración de agua, la deformación y los mecanismos de falla en pendientes ya que se pueden simular niveles de tensión similares del prototipo en un modelo a pequeña escala aumentando las aceleraciones centrífugas, por tal motivo, recientemente se ha reconocido como una herramienta que aporta enormemente a la investigación y diseño de estructuras geotécnicas.Ingeniero CivilPregrado120 páginasapplication/pdfspaUniversidad de los AndesIngeniería CivilFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería Civil y AmbientalAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Efecto de la sequía en la fisuración del suelo: Revisión bibliográficaTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTexthttp://purl.org/redcol/resource_type/TPSequiaSuelos arcillososDeficit hídricoEvapotranspiraciónMecánica de suelosEsfuerzoDeformacionIngenieríaAckerson, J. 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