Suolo: formazione, classificazione e significatività

La parola suolo deriva dalla parola latina 'solium' che significa strato superiore della superficie terrestre. Questa parola "suolo" ha un significato diverso per le diverse professioni. Per un agricoltore, è il materiale di superficie sciolto della terra che le piante crescono.

Per un geologo, è il materiale che viene prodotto come risultato della disintegrazione delle rocce e che non è stato trasportato dalla sua posizione originale. Per un ingegnere, i suoli sono un accumulo incrementale di minerali o particelle organiche che si verificano nella zona sovrastante la crosta rocciosa.

Il suolo è un materiale da costruzione disponibile in abbondanza e in molte regioni è essenzialmente l'unico materiale di costruzione disponibile localmente. La Terra è stata usata per la costruzione di monumenti, tombe, abitazioni, strutture di ritenzione idrica, ecc., Dai tempi del Neolitico. La meccanica del suolo è una delle discipline più giovani dell'ingegneria civile che coinvolge tutti i principi e le tecniche con cui le proprietà del suolo sono studiate scientificamente.

Definizione

Il Dr. Karl Van Terzaghi, chiamato padre della meccanica del suolo, ha definito la meccanica del suolo come segue:

La meccanica del suolo è l'applicazione delle leggi della meccanica e dell'idraulica ai problemi ingegneristici relativi ai sedimenti e ad altri accumuli non consolidati di particelle solide prodotti dalla disintegrazione meccanica e chimica delle rocce, indipendentemente dal fatto che contengano o meno un additivo o costituenti organici.

Per un ingegnere civile, lo studio del comportamento ingegneristico di diversi tipi di suolo è estremamente importante a causa del fatto che tutte le strutture di ingegneria civile dovranno essere riposate e fondate sul suolo. Il fallimento delle strutture dipende dalle caratteristiche di resistenza del suolo. La resistenza del terreno a sopportare carichi diventa un fattore importante nella progettazione sicura della fondazione della struttura.

La branca della scienza che tratta le proprietà, la natura e le prestazioni dei terreni come materiale di costruzione e di fondazione è chiamata meccanica del suolo.

IS: 2809-1972 definisce la meccanica del suolo "quella branca dell'ingegneria che si occupa dell'applicazione della scienza del suolo, delle leggi statiche e dinamiche, dei principi, della meccanica e dell'idraulica a problemi ingegneristici che riguardano il suolo come materiale da costruzione".

Gli obiettivi della meccanica del suolo sono:

(i) Eseguire indagini sul sottosuolo e sviluppare metodi per il campionamento del suolo.

(ii) Classificare le proprietà del suolo ai fini dell'ingegneria civile.

(iii) Applicare i risultati del terreno all'uso del suolo come materiale da costruzione.

Importanza degli studi sul suolo in ingegneria civile:

Fino all'inizio del presente secolo, l'importanza dello studio delle proprietà del suolo non è stata avvertita. La maggior parte degli edifici storici importanti sono stati costruiti sulla base dell'esperienza nell'area e delle conoscenze ereditate dagli antenati. Non c'erano prove di studi scientifici sul suolo per la costruzione di fondamenta di questi edifici / strutture. Il fallimento di strutture importanti richiama l'attenzione degli ingegneri civili in questo campo.

La maggior parte delle strutture civili poggia sulla superficie del suolo, quindi la vita di queste strutture dipende dalla capacità di carico del suolo. La capacità portante del terreno dipende dalle varie proprietà del suolo. Le diverse proprietà del suolo possono essere determinate da studi / indagini dettagliati del suolo.

Una volta che la capacità portante e le altre proprietà del suolo sono note, è facile per un ingegnere / progettista geotecnico decidere il tipo di fondazione adatto per un determinato terreno. Attraverso gli studi sul terreno un ingegnere può decidere se un determinato terreno è adatto per la costruzione o meno. Alcuni dei suoli come la torba e i latti organici sono così compressibili che non possono essere utilizzati come materiali di base, mentre altri come sabbia e ghiaia sono materiali di base eccellenti per la maggior parte dei progetti di costruzione.

Per i progetti di piccole dimensioni, gli ingegneri civili possono prendere la possibilità di indovinare le proprietà del suolo in base all'esperienza di tale area. Ma a volte questo può costare caro rispetto al costo risparmiato non indagando sul terreno. Una di queste storie di cassa è come di seguito. Nell'Assam doveva essere costruita una pianta di calcinazione (combustione di pietra calcarea). La capacità approssimativa dell'impianto era di 100 tonnellate al giorno.

Il proprietario del progetto non era interessato alle indagini sul terreno e i lavori di costruzione sono iniziati senza studi sul terreno. Lo scavo fu avviato per fondazione. Dopo aver completato lo scavo manuale del terreno per un giorno, il proprietario era abbastanza soddisfatto che la fondazione potesse essere posata alla profondità prestabilita in quanto il terreno era piuttosto duro. Il giorno successivo si è scoperto che il pozzo era pieno d'acqua e il terreno era completamente sciolto, si comportava come un liquido.

Questo problema è continuato e alla fine è stato deciso di interrompere lo scavo dopo 5 metri e quindi un ingegnere geotecnico è stato consultato per risolvere il problema. Alla fine sono state spinte le pile di legno e sono state costruite le fondamenta. Il proprietario doveva investire più di quello che aveva inizialmente risparmiato non decidendo di indagare sul terreno. Il problema di quell'area era che un flusso di acqua stava attraversando il sito e il terreno sotto 1 in profondità era altamente comprimibile.

Per progetti di grandi dimensioni come un aeroporto autostradale, dighe, ecc. Indovinare le proprietà del suolo possono portare a guasti alle fondamenta e alla perdita economica finale. Quindi è sempre consigliabile fare degli studi sul terreno prima della progettazione delle fondamenta della struttura. L'estensione degli studi sul suolo può variare in base all'importanza del progetto e al fondo disponibile per lo stesso.

Formazione dei suoli:

L'interno della terra è allo stato fuso, chiamato magma. Le rocce si formano a causa del raffreddamento del magma fuso e queste rocce vengono scomposte nel suolo e il terreno viene riconvertito nella roccia. Questo ciclo è chiamato ciclo geologico come mostrato nella figura 1.1.

Le rocce sono il materiale principale per i terreni. I terreni sono formati dalla disintegrazione e dalla decomposizione delle rocce.

La disintegrazione delle rocce è causata da:

(i) agenti atmosferici meccanici

(ii) decomposizione chimica

(iii) decomposizione biologica.

(1) Weathering meccanico:

È anche noto come disintegrazione fisica. In questo processo, la disintegrazione delle rocce è causata da agenti fisici come radici di piante, gelo, espansione termica ecc.

(a) Radici vegetali:

Le piante e gli alberi crescono nelle rocce. Le radici di queste piante e alberi entrano nelle fessure e nelle fessure delle rocce. Durante il periodo di tempo queste radici diventano più spesse e inducono stress sulla roccia causando la disintegrazione.

(b) gelo:

L'acqua penetra nelle fessure e nelle fessure delle rocce durante la pioggia. In climi freddi, l'acqua si ghiaccia e aumenta di volume. A causa dell'aumento di volume, le tensioni sono indotte nelle fessure causando la disintegrazione delle rocce.

(c) Espansione termica:

Le rocce hanno diversi minerali al suo interno. Diversi minerali hanno un diverso coefficiente di espansione termica. A causa delle variazioni di temperatura, questi minerali si espandono e si toccano. Le sollecitazioni si sviluppano a causa della ripetuta espansione e contrazione delle rocce, con conseguente disintegrazione e formazione del suolo.

(d) Abrasione:

L'abrasione delle rocce si verifica sotto l'azione di:

(i) Acqua corrente

(ii) Soffio di vento

(iii) Spostamento del ghiaccio, noto come ghiacciaio. Questa abrasione provoca la formazione del suolo.

(2) Decomposizione chimica:

È anche chiamato agenti atmosferici chimici. In questo processo, l'identità delle particelle minerali viene distrutta e si formano nuovi composti chimici come particelle di argilla, silicio, carbonati e ossido di ferro. La decomposizione chimica dipende dalla pressione dell'acqua, dalla temperatura e dai materiali disciolti nell'acqua. L'esposizione agli agenti chimici dipende dalla superficie disponibile per reazione, temperatura e presenza di fluido chimicamente attivo.

I seguenti processi sono coinvolti in agenti atmosferici chimici:

(i) Ossidazione:

È il processo in cui lo ione ossigeno si combina con lo ione ferroso con l'ossido ferroso. Le rocce contenenti ferro sono soggette alla decomposizione chimica per ossidazione. La reazione coinvolta in questo processo è

4Fe ⁺² + 3O ₂ - = 2Fe ₂ 0 ₃

(ii) Idratazione:

L'idratazione è il processo in cui i minerali della roccia si combinano con l'acqua per formare un nuovo composto che sarà diverso dai minerali parenti. La decomposizione della roccia avviene a causa del cambiamento di volume che crea stress fisici all'interno della roccia.

(iii) Carbonazione:

È il processo in cui l'anidride carbonica (CO ₂ ) presente nell'atmosfera si combina con l'acqua per formare l'acido carbonico. Questo acido carbonico reagisce con i minerali della roccia causando la decomposizione.

La reazione implicata nella carbonatazione è:

CaCO ₃ + H ₂ O + CO ₂ = Ca (HCO ₃ ) ₂

La carbonatazione è molto comune nelle aree che hanno una grande quantità di calcare.

(iv) Idrolisi:

L'idrolisi è un agente chimico che altera i minerali di silicati. In tali reazioni, l'acqua pura ionizza leggermente e reagisce con il minerale di silicato. Ad esempio:

Feldspato di potassio in acqua acida idrolizza a caolinite, quarzo e idrossido di potassio

2KAISi ₃ O ₈ + 3H ₂ O = Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4SiO ₂ + 2KOH

(v) Lisciviazione:

La lisciviazione è la rimozione di materiali solubili sciogliendoli dai solidi. In questo processo alcuni minerali si sciolgono dalle rocce e si depositano separatamente causando la decomposizione.

(3) Decomposizione biologica:

La disgregazione della materia organica nel suolo viene effettuata interamente dai microrganismi. I batteri e altri microrganismi inducono cambiamenti chimici nei loro dintorni producendo acidi organici, il che aiuta nell'erosione dei suoli.

Classificazione geologica del suolo:

Su base geologica, i terreni possono essere classificati in due gruppi:

(i) Suoli residui

(ii) Suoli trasportati.

Suoli residui:

I terreni che rimangono nel luogo della loro formazione sono chiamati terreni residui. Se la velocità di decomposizione della roccia supera il tasso di rimozione dei prodotti di decomposizione, si ottiene un accumulo di residui di terreno. Lo spessore dei suoli residui dipende dal clima, dal tempo e dal tipo di roccia sorgente. Questi terreni si trovano direttamente sopra la roccia madre. Ignora le rocce e le rocce sedimentarie sono il materiale principale per il terreno residuo.

Il profilo del suolo residuo può essere diviso in tre zone:

(a) Zona superiore, dove vi è un alto grado di alterazione causata dagli agenti atmosferici e rimozione del materiale.

(b) Zona intermedia, dove c'è un po 'di agenti atmosferici nella parte superiore della zona, ma c'è una deposizione verso la parte inferiore della zona.

(c) Zona parzialmente esposta agli agenti atmosferici, in cui vi è la transizione dal materiale esposto alle intemperie alla roccia madre non stagionata.

Suoli trasportati:

I terreni trasportati sono terreni che vengono trasportati dal loro luogo di formazione in un altro luogo dalle agenzie di trasporto. Le agenzie di trasporto possono essere ghiacciai, acqua, vento o gravità. Queste agenzie di trasporto agiscono singolarmente o in combinazione.

Suoli trasportati dal ghiacciaio:

I terreni trasportati dai ghiacciai comprendono materiali trasportati e ridefiniti dal ghiacciaio o dalle acque ghiacciate provenienti dai ghiacciai. I ghiacciai portano con sé enormi quantità di detriti minerali che si mescolano con il ghiaccio e si portano via. Si deposita quando il ghiaccio si scioglie a molte miglia di distanza dalla posizione originale.

Questi tipi di depositi sono differenziati usando la seguente terminologia:

(a) morena:

La morena è materiale glaciale depositato dal ghiaccio e non dalle acque di fusione.

(b) deriva:

La deriva è i materiali trasportati dai ghiacciai e depositati dall'acqua di fusione. La deriva ha una disposizione stratificata.

(c) Fino a:

Fino a quando non sono stratificate, miscele eterogenee di argilla o di limo depositate direttamente dal ghiaccio.

(d) depositi glaciofluviali:

I depositi glaciofluviali sono materiali trasportati dai ghiacciai e depositati dall'acqua di fusione con stratificazione. Questi consistono in strati sottili alternati di limacce medio-grigie e scuriscono l'argilla limosa.

Terreni trasportati dall'acqua:

Il materiale trasportato e ridefinito dall'azione dell'acqua è noto come "alluvione". I flussi si formano in una valle a causa di forti piogge. L'acqua fluente dei flussi porta con sé varie particelle di suolo in sospensione o rotolando lungo il fondo. A causa dell'abrasione rotante delle particelle del terreno avviene e quindi riduce la dimensione delle particelle.

La dimensione delle particelle che possono essere trasportate dal suolo dipende dalla velocità dell'acqua. Se la velocità è maggiore, può spostare particelle di grandi dimensioni e quando la velocità diminuisce, le particelle più grandi si depositano. Le particelle più fini vengono trasportate ulteriormente verso una porzione più lenta di corrente quando viene depositata.

I terreni trasportati dall'acqua sono classificati come:

(i) Terreno alluvionale

(ii) suolo lacustre

(iii) suolo marino.

Terreno alluvionale:

Il terreno trasportato dal suo luogo di disintegrazione dall'acqua che scorre e depositato lungo la corrente è noto come terreno alluvionale. Questi suoli sono molto comuni e su di essi sono costruiti un numero molto grande di strutture ingegneristiche. I terreni alluvionali contengono spesso strati orizzontali alternati di diversi tipi di suolo.

Suoli lacustri:

Il terreno trasportato dall'acqua che scorre e depositato nei laghi è chiamato suolo lacustre. La maggior parte dei terreni lacustri sono principalmente limo e argilla. La loro idoneità per la fondazione varia da scarsa a media.

Terreni marini:

Il terreno trasportato dall'acqua che scorre e depositato nell'oceano è noto come suolo marino. I terreni marini sono principalmente limi e argille e sono molto morbidi.

Suoli trasportati dal vento (terreni eoliani):

Il vento è un altro mezzo importante per il trasporto del suolo. I terreni trasportati e depositati dal vento sono chiamati terreni eoliani. Questo modo di trasporto produce generalmente suoli molto scarsi a causa del forte potere di selezione del vento. Questi terreni sono generalmente molto sciolti e hanno proprietà ingegneristiche equi.

I terreni eoliani sono di due tipi:

Loess:

Loess è un profondo deposito di limo prodotto dal vento. Tali depositi si trovano spesso sottovento ai deserti. Questi depositi hanno una porosità molto elevata. Loess è abbastanza forte quando è asciutto, ma diventa debole quando bagnato.

Dune di sabbia:

Le basse colline irregolari formate da accumuli di sabbia lungo alcune spiagge e in alcune zone desertiche sono chiamate dune di sabbia. È probabile che le dune di sabbia si formino dove il vento soffia costantemente da una sola direzione. Queste dune tendono a migrare sottovento. Il tasso di migrazione può essere rallentato o fermato coltivando una vegetazione appropriata sulla duna.

Suoli depositati per gravità:

I terreni depositati per gravità sono terreni sciolti o frammenti di roccia trasportati giù per pendenza sotto l'azione della gravità e depositati su o vicino a terreni in pendenza. Questi terreni sono anche conosciuti come terreni colluviali.

I movimenti verso il basso sono di due tipi:

Lento e rapido. Il movimento lento è chiamato creep che è dell'ordine di millimetri l'anno. Il rapido movimento in discesa è chiamato frana.

Profili del suolo:

La formazione del suolo inizia prima con la disgregazione della roccia causata dagli agenti atmosferici e il processo di sviluppo dell'orizzonte del suolo porta allo sviluppo di un profilo del suolo. Un profilo del suolo è la visualizzazione verticale degli orizzonti del suolo. Un profilo del suolo è diviso in strati chiamati orizzonti.

Il profilo del suolo consiste nel seguire l'orizzonte principale:

O orizzonte:

Nella parte superiore del profilo è l'O-horizon. È composto principalmente da materia organica. La materia scomposta o l'humus arricchiscono il suolo con azoto, potassio, ecc. E migliorano il suolo e migliorano la ritenzione idrica del suolo. O-horizon può essere diviso in categorie O ₁ e O ₂ . Le origini di O ₁ contengono una sostanza decomposta la cui origine può essere individuata a vista e gli orizzonti di O ₂ contengono solo materia organica ben decomposta la cui origine non può essere vista immediatamente.

A-horizon:

Sotto l'O-horizon è l'A-horizon. Segna l'inizio del vero terreno minerale. In questo orizzonte il materiale organico si mescola con prodotti inorganici di agenti atmosferici. È un orizzonte di colore scuro dovuto alla presenza di materia organica. Lo spessore di questo orizzonte è solitamente da 25 a 30 cm, ma può variare da 5 a 60 cm.

B-orizzonte:

Sotto l'orizzonte A c'è l'orizzonte B. Viene comunemente indicato come sottosuolo. B-horizon è una zona in cui si accumula materiale fine mediante percolazione dell'acqua. In alcuni terreni B-horizon è arricchito con carbonato di calcio sotto forma di noduli o come strato. Ha lo stesso colore e consistenza per tutta la sua profondità. Lo spessore di questo orizzonte è 25-30 cm ma può variare da 10 a 240 cm.

L'orizzonte B può essere diviso in tipi B ₁, B ₂ e B ₃ . B ₁ è un orizzonte di transizione da A a B orizzonte. Ha dominato le proprietà di B-horizon sotto di esso, ma contiene alcune caratteristiche di A-horizon. Gli orizzonti B hanno una concentrazione di minerali, argilla o sostanze organiche. B ₃ orizzonti e il passaggio tra gli strati B sovrastanti e il materiale sottostante.

C-horizon:

L'orizzonte C rappresenta il materiale genitore del suolo, creato in situ o trasportato nella sua posizione attuale. Sotto l'orizzonte a C si trova la roccia. Ha lo stesso colore e consistenza per tutta la sua profondità. Lo spessore di questo orizzonte varia da 5 a 30 cm. Questo orizzonte fornisce la maggior parte del materiale per la costruzione della struttura del suolo.