El efecto de las raíces en la resistencia al corte de suelos arenosos y suelos arcillosos
El objetivo de este trabajo fue evaluar la influencia de las raíces en la resistencia al corte de un suelo arcilloso y un suelo arenoso.
Se recolectaron muestras de suelo con y sin raíces de plantaciones experimentales de especies nativas del Bosque Atlántico (Brasil).
Luego, las muestras de suelo se caracterizaron físicamente y se probó su resistencia al corte en un laboratorio.
Los resultados indicaron que las raíces aumentaron la resistencia al corte y la resistencia a la compresión de los suelos. En el suelo arenoso, las raíces influyeron en la resistencia al corte aumentando el valor de cohesión (234%), mientras que en el suelo arcilloso influyeron en la resistencia al corte principalmente al aumentar el valor de cohesión (32%) y el ángulo de fricción interna (14,4%).
Esta información puede finalmente ser parte de las justificaciones técnicas que ratifiquen el uso de plantas en obras de control de erosión y estabilización de taludes.
INTRODUCCIÓN
El entendimiento común de que las raíces juegan un papel importante en el refuerzo del suelo se ha visto acompañado por un creciente interés en el estudio de la resistencia mecánica de los compuestos suelo-raíz.
Este tipo de estudios ha demostrado ser importante principalmente porque el mantenimiento de las raíces en el suelo, ya sea a través de la regeneración natural o con el uso de técnicas de plantación específicas, se reconoce cada vez más como un método eficaz, simple y económicamente viable para controlar los procesos erosivos y la masa superficial. (Morgan & Rickson, 1995; Gray & Sotir, 1996; Wu et al., 2014).
La determinación de la resistencia del suelo es un requisito básico en los estudios de estabilidad de taludes y generalmente se realiza mediante ensayos de resistencia al corte.
Este análisis se caracteriza por el criterio de falla de Mohr-Coulomb, el cual está representado por la ecuación lineal τ = c + σ·tg(φ) (Gerscovich, 2016). Según este criterio, la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (φ) del suelo son los parámetros que pueden ser influenciados por las raíces
Los estudios, con muestras de suelo moldeadas y preparadas en laboratorio, indican que la resistencia al corte debido a la inclusión de raíces aumenta principalmente por la influencia en la intersección cohesiva, mientras que el ángulo de fricción interna sufre poco o ningún cambio (Coppin & Richards, 2007; Ali & Osman, 2008).
En la práctica, es importante verificar si este tipo de información tiende a seguir la realidad del campo. Tal consideración requiere de la determinación de la resistencia al corte de diferentes compuestos suelo-raíz en muestras inalteradas recolectadas in situ.
Con el fin de aportar información sobre el efecto de las plantas en el refuerzo del suelo, el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la influencia de las raíces en la resistencia al corte de un suelo arenoso y un suelo arcilloso.
MATERIAL Y MÉTODOS
Toma de muestras de suelo
Se recolectaron muestras de suelo arenoso y arcilloso en distintas regiones del estado de Rio Grande do Sul.
El suelo arcilloso Red Latosol fue recolectado en Frederico Westphalen (región norte del estado), en un área de plantación experimental de 2 años de Phyllanthus sellowianus (Klotzsch) Müll. Arg. and Gymnanthes schottiania Müll. Arg. El suelo de coluvión arenoso fue recolectado en São João do Polêsine (centro del estado), en un área de plantación experimental de 1 año de edad de Phyllanthus sellowianus.
Figura 1. Recolección de muestras inalteradas con y sin raíces para ensayos de corte directo. (A) Muestreador de percusión, los números indican puntos de muestreo alrededor de la planta; (B) y (C) colecciones de muestras sin raíces; (D) ejemplo de una muestra con raíces.
En las áreas mencionadas, se recolectaron muestras de suelo sin perturbar con raíces a través de cilindros metálicos de 20 cm de largo y 10 cm de diámetro. Uno de los extremos del cilindro fue afilado para facilitar su penetración en el suelo. La inserción del cilindro en el suelo se realizó con un peso metálico de 2 kg y una varilla para centralizar la aplicación de la carga (Figura 1A). Una vez colocado en la ubicación deseada, el cilindro fue golpeado hasta que se insertó completamente en el suelo. A continuación, se muestrearon 4 puntos hasta 20 cm de profundidad en el ambiente circundante de cada planta seleccionada a una distancia entre 10 y 20 cm del tallo. Después de este muestreo, los cilindros se retiraron utilizando una pala y un azadón. Para mantener la humedad natural del suelo (humedad de campo), los extremos de los cilindros se sellaron con parafina calentada. Muestras con dimensiones de 5 × 5 × 2 cm (Figura 1D) fueron preparadas en el laboratorio en los días de las pruebas de corte directo de los cilindros recolectados. Fue posible moldear de 3 a 4 especímenes de cada cilindro recolectado.
Las colectas de muestras sin raíces se realizaron en pequeñas zanjas a 2.5 m de las plantas. Una vez asegurada la ausencia de raíces en los puntos de muestreo, se regularizó el suelo con pala y azadón a la profundidad deseada (entre 15 y 20 cm) y luego se colocaron los muestreadores de 5 × 5 × 2 cm uno al lado del otro y presionado cuidadosamente hasta su completa inserción en el suelo (Figuras 1B y 1C). Una vez colocados en el suelo, los muestreadores fueron cuidadosamente extraídos con una espátula de hoja estrecha mediante pequeñas excavaciones en los costados y debajo de la muestra para asegurar la integridad de la estructura del suelo.
Pruebas y análisis
En el laboratorio, se prepararon muestras de 5 × 5 × 2 cm para ensayos de corte directo en humedad natural (o humedad del suelo el día de la recolección de la muestra). Los ensayos se realizaron en una prensa de corte y fueron de empaque rápido, consistentes en aplicar fuerzas normales y horizontales en relación a la superficie de corte (ASTM, 2011). Las tensiones normales aplicadas a las probetas se basaron en información encontrada en la literatura: 100, 200 y 300 kPa (Silva et al., 2004; Preti & Giadrossich, 2009; Graf et al., 2009; Moradi et al., 2017).
Se realizaron cuatro repeticiones (pruebas de corte) para cada uno de los esfuerzos normales, como lo sugiere la Norma Brasileña de Estabilidad de Taludes (ABNT, 2009). Así, cada envolvente de resistencia estuvo constituida por 12 probetas, totalizando 48 ensayos entre suelo arcilloso y suelo arenoso, con y sin raíces.
Figura 2. Muestra de suelo cortado con raíces. (A) Separar las dos mitades de la muestra de suelo para observar la superficie de falla; y (B) superficie de falla con raíces perpendiculares indicadas por las flechas.
El área de la raíz de la superficie de corte se midió después de las pruebas de corte directo. Para ello, cada muestra se dividió por la mitad (Figura 2A) y luego se midió el diámetro de las raíces que cruzaban la superficie de falla (Figura 2B). Esto permitió obtener la tasa de raíces promedio por área de suelo (%), es decir, la relación entre el área de raíces y el área de suelo (Ar/As) (Gray & Ohashi, 1983).
Para la caracterización del suelo se realizaron ensayos granulométricos y determinaciones de índices físicos tales como: grado de saturación (S), porosidad (η), relación de vacíos (e), peso específico natural aparente (γn), peso específico de las partículas (γs) y peso espeícifo seco (γd), tomado como referencia a Fiori & Carmignani (2009).
Todos los datos obtenidos de los trabajos de campo y los análisis de laboratorio se compilaron y analizaron utilizando el software MS Excel.
RESULTADOS
Característcas físicas de los suelos analizados
En el Cuadro 1, es posible observar que las muestras con y sin raíces presentaron parámetros físicos promedio similares en cada tipo de suelo evaluado.
Tabla 1. Parámetros físicos y texturales medios obtenidos de suelos arcillosos y arenosos, con y sin raíces.
Las diferencias más importantes se dieron en el grado de saturación del índice físico (S%). Los mayores valores de grado de saturación tanto en suelos arenosos como arcillosos se dieron en las muestras con raíces. Las muestras con raíces tanto en suelo arenoso como arcilloso presentaron alrededor de un 10% más de vacíos en el suelo lleno de agua en comparación con las muestras sin raíces. Esta diferencia se puede atribuir a la mayor facilidad con la que el agua penetra en el suelo a través de la interfase suelo-raíz. El efecto de la disminución del contenido de agua en el suelo generalmente resulta en un aumento exponencial de su resistencia mecánica (Fredlund & Rahardjo, 1993; Coppin & Richards, 2007). Por lo tanto, se espera que los suelos con raíces tengan una parte de su resistencia reducida precisamente debido a que el agua se infiltra fácilmente en el suelo. Sin embargo, desde la perspectiva de la resistencia al corte,
Los valores del grado de saturación generalmente siempre fueron superiores al 70%, lo que indica suelos muy húmedos; una condición que disminuye la cantidad de resistencia atribuida a la succión matricial, que generalmente se espera en suelos no saturados (Fredlund & Rahardjo, 1993). En este caso, esto significa que la mayor parte de la resistencia al corte en un suelo con raíces se debe a la resistencia a la tracción de estos elementos vivos (Gray & Sotir, 1996; Wu, 2013).
Además del mayor grado de saturación, las muestras de suelos arenosos y arcillosos con raíces tenían un área media de raíces en la superficie de falla de 0,094 % y 0,082 %, respectivamente. Un trabajo similar ha indicado que el porcentaje de área de la raíz en la superficie de falla suele ser inferior al 1% cuando se trabaja con plantas individuales (Bischetti et al., 2005; Mattia et al., 2005; Schmidt et al., 2001; Abernethy & Rutherfurd, 2001). Sin embargo, los valores pueden alcanzar aproximadamente el 5% al observar el aporte de un conjunto de plantas (Liang et al., 2017; Eab et al., 2015).
Efectos de las raíces en la resistencia al corte
Suelo arenoso
La comparación entre envolventes de falla muestra que los valores de cohesión (intersección cohesiva) y ángulo de fricción interna del suelo (coeficiente angular) fueron mayores en las muestras con raíces (Figura 3).
Figura 3. Envolventes de rotura de suelo arenoso con y sin raíces. El área sombreada (suelo con raíces) y las líneas punteadas (suelo sin raíces) representan los intervalos de confianza al 95% de confiabilidad.
El valor medio de cohesión en el suelo sin raíces fue de 6,4 kPa, mientras que el suelo con raíces tuvo un valor medio de 21,4 kPa. La diferencia entre estos valores es de 15,0 kPa. En términos relativos representa que la presencia de raíces en el suelo contribuyó a incrementar la resistencia al corte en un 234%.
El valor promedio del ángulo de fricción interna en el suelo sin raíces fue de 27,38°, mientras que en el suelo con raíces fue de 29,01°. La diferencia entre los valores es de 1,63°. En términos relativos esto representa que las raíces permitieron aumentar la resistencia al corte del suelo en un 5,9% por medio del ángulo de fricción interna.
Los valores de los parámetros de resistencia del suelo arenoso siguieron la tendencia descrita en la literatura, lo que significa que la mayor contribución de las raíces a la resistencia al corte se debe principalmente a los aumentos en el intercepto cohesivo (Waldron, 1977; Gray & Ohashi, 1983; Shewbridge & Sitar, 1989). ; Wu & Watson, 1998; Veylon et al., 2015). Este resultado se ha atribuido a la pequeña cohesión natural de los suelos granulares. Desde el punto de vista del refuerzo mecánico, existe una tendencia a que las raíces contribuyan más a la resistencia al corte del suelo cuando presenta alto contenido de humedad (Coppin & Richards, 2007); la condición presentada por los especímenes de prueba.
El ángulo de fricción interna del suelo arenoso sufrió un pequeño cambio debido a las raíces. Los estudios han indicado que las partículas del suelo tienden a sufrir una reorganización menor debido a las raíces (Ali & Osman, 2008; Veylon et al., 2015). Esto puede estar asociado con la pequeña cantidad de raíces que normalmente se encuentran en la superficie de falla. En las capas más superficiales del suelo (hasta 50 cm), donde el porcentaje de presencia de raíces es mayor (Jackson et al., 1996), los valores medios informados para la tasa de raíces por unidad de área de suelo (razón de área de raíces - RAR) normalmente han sido inferiores al 1% (Bischetti et al., 2005; Mattia et al., 2005; Schmidt et al., 2001; Abernethy & Rutherfurd, 2001), lo que generalmente significa que el 99% de la superficie de falla consiste en suelo. Esta proporción parece explicar por qué un bloque de suelo con pocas raíces experimenta poca alteración en la disposición de sus partículas y, en consecuencia, poca influencia en el ángulo de fricción interna.
Por otro lado, los resultados mostraron que la pequeña proporción promedio de raíces en la superficie de falla tuvo una gran influencia en la cohesión. Esto está relacionado con la forma en que el suelo granular interactúa con las raíces. Este tipo de suelo suele tener muy poca cohesión propia, pero funciona muy bien a partir del rozamiento entre partículas (ángulo de rozamiento interno). En la superficie de falla, las raíces tienden a actuar como una barrera para las partículas del suelo. Es posible que no rompan las fibras si su resistencia es superada por la fuerza de fricción entre el suelo y la parte de las raíces que está incrustada en las capas del suelo por encima y por debajo de la superficie de falla (Schwarz et al., 2010). En este caso, las raíces tienden a actuar como varillas naturales (Gray & Sotir, 1996) que promueven la interconexión entre las diferentes capas del suelo.
Por medio de los mecanismos señalados, la presencia de las raíces hace que la deformación del suelo durante el ensayo de corte directo ocurra a una velocidad más lenta, lo que afecta directamente los picos de resistencia, y consecuentemente el incremento de la cohesión.
Suelo arcilloso
En el suelo arcilloso, la comparación entre envolventes de falla muestra que los valores de cohesión (intersección cohesiva) y ángulo de fricción interna (coeficiente angular) también fueron mayores en las muestras con raíces (Figura 4).
Figura 4. Envolventes de rotura de suelo arcilloso con y sin raíces. El área sombreada (suelo con raíces) y las líneas punteadas (suelo sin raíces) representan los intervalos de confianza al 95% de confiabilidad.
En el suelo sin raíces, el valor medio de cohesión fue de 7,2 kPa, mientras que en el suelo con raíces fue de 9,6 kPa. Por lo tanto, la contribución de las raíces fue de 2,4 kPa, lo que corresponde a un aumento del 32 % en la resistencia al corte del suelo.
El valor promedio del ángulo de fricción interna en el suelo sin raíces fue de 27,9°, mientras que en el suelo con raíces fue de 31,9°. La diferencia es de 4,0°, lo que corresponde a un aumento del 14,4% en la resistencia al corte del suelo debido a las raíces.
Como se indicó, el aumento en la resistencia al corte del suelo arcilloso debido a la presencia de raíces ocurrió por aumentos relativamente equilibrados en los valores de cohesión y el ángulo de fricción interna. Sin embargo, una vez más, el parámetro de cohesión estuvo más influenciado por la presencia de raíces.
Consideraciones del efecto de las raíces sobre los parámetros de resistencia
Como se observó anteriormente, la presencia de raíces tanto en suelo arenoso como arcilloso proporcionó aumentos en la resistencia al corte de las probetas, principalmente por aumentos en el parámetro de cohesión. Estos resultados concuerdan con lo observado por diferentes autores, tanto en suelos granulares como en suelos finos, utilizando raíces de plantas como elementos de refuerzo (Waldron, 1977; Shewbridge & Sitar, 1989; Wu & Watson, 1998; Operstein & Frydman, 2000; Coppin y Richards, 2007; Stokes et al., 2008), fibras naturales (coco, sisal y yute, por ejemplo) (Gray & Ohashi, 1983; Prabakar & Sridhar, 2002; Ahmad et al., 2010) y/o fibras sintéticas (polipropileno, polietileno y nylon, por ejemplo) (Gray & Ohashi, 1983; Abdullah et al., 2011; Hejazi et al., 2015).
Con respecto a los efectos sobre la cohesión, se puede indicar que se deben esperar incrementos en el valor de este parámetro siempre que las raíces crucen la superficie de falla (Wu et al., 1979). En la superficie de corte, las raíces de las plantas pueden romperse o deslizarse cuando se someten a una fuerza de corte (Schwarz et al., 2010). Cuanto más resistentes son las raíces a estos dos modos de falla, más contribuyen como elementos de refuerzo del suelo. En la práctica, esto significa que cuanto más incrustadas estén las raíces de las plantas debajo de una superficie de falla, mayor será su potencial para evitar el movimiento en la capa superior del suelo, ya que agrega resistencia a una capa mecánicamente más débil (Wu et al., 1988; Greenwood, 2006).
En relación a la influencia de las raíces en el ángulo interno del suelo, es importante considerar que los suelos granulares y los suelos finos tienen diferentes formas de reordenamiento de partículas cuando son sometidos a esfuerzos (sean estos de corte o normales). Así, para que un conjunto de raíces cambie el ángulo de fricción interna de un suelo, es necesario modificar la disposición de las partículas en la superficie de corte. Esto se puede realizar con la presencia de muchas raíces o incluso con la forma en que se distribuyen cerca y/o sobre la superficie de falla (Gray & Ohashi, 1983; Veylon et al., 2015). En cuanto a la cantidad de elementos de refuerzo incluso en estudios con materiales compuestos en los que se añaden varios tipos de fibras al suelo para probar su efecto sobre la resistencia al corte, no se suele aplicar más del 3% del peso corporal de prueba en distribución aleatoria (Yetimoglu & Salbas , 2003; Prabakar & Sridhar, 2002; Qu et al., 2013; Kar et al., 2014; Soundara & Senthil Kumar, 2015). Esto se debe a que parece haber un límite óptimo de inclusión de fibra para cada tipo de suelo (Kumar et al., 1999; Pradhan et al., 2012).
Efectos de las raíces en la deformación horizontal y vertical de los suelos estudiados
Suelo arenoso
Como se observa en las envolventes presentadas en la Figura 3, la presencia de raíces tuvo un efecto positivo en la resistencia al corte del suelo arenoso. Se pueden sacar conclusiones similares extraídas de la relación entre el esfuerzo cortante y el desplazamiento horizontal (Figuras 5A y 5C), donde las comparaciones entre suelo con y sin raíces se realizaron en deformaciones horizontales del 4% y 10%.
Figura 5. Resultados promedio de las relaciones entre esfuerzo cortante × desplazamiento horizontal y desplazamiento vertical × desplazamiento horizontal en ensayos de corte directo en suelo arenoso con (C y D) y sin raíces (A y B). ε es la deformación horizontal de la muestra de suelo (%).
Los esfuerzos cortantes en las probetas con y sin raíces aumentaron junto con los valores de deformación horizontal. La mayoría de los picos de resistencia solo ocurrieron al final de las pruebas de corte directo, lo que indica un comportamiento característico de suelo blando o no compactado (Gerscovich, 2016).
En los tres esfuerzos normales aplicados en los ensayos de corte directo (100, 200 y 300 kPa), las probetas con raíces presentaron los mayores valores de esfuerzo cortante (comparación entre las Figuras 5A y 5C).
Considerando el 4% de deformación horizontal, las probetas con raíces presentaron en promedio 24,3 kPa más de resistencia que las probetas sin raíces. En la deformación horizontal del 10%, la media se elevó a 26,7 kPa. En términos relativos, esto significa que las raíces le dieron al suelo arenoso la capacidad de soportar esfuerzos de corte 35.1% (ε = 4%) y 29.2% (ε = 10%) más altos que los que soporta el suelo arenoso sin raíces.
Suelo arcilloso
De los tres esfuerzos normales aplicados en los ensayos de corte directo, las probetas con raíces también presentaron los valores más altos de esfuerzo cortante (comparación entre las Figuras 6A y 6C).
Considerando la deformación horizontal del 4%, los especímenes con raíces tuvieron en promedio 1,0 kPa más de resistencia que los especímenes de prueba sin raíces. En la deformación horizontal del 10%, la misma media se elevó a 10,7 kPa. En términos relativos, esto significa que las raíces le dieron al suelo arcilloso la capacidad de soportar esfuerzos cortantes 1,3% (ε = 4%) y 10,9% (ε = 10%) superiores a los soportados por el suelo arcilloso sin raíces. Aquí, es importante tener en cuenta que, a diferencia del suelo arenoso, que funciona bien para la resistencia a la fricción, el suelo arcilloso está compuesto principalmente de material fino y puede reorganizarse fácilmente alrededor de las raíces cuando está sujeto a un esfuerzo cortante, deslizando su superficie en el caso de un alto grado de saturación. De hecho, el agua juega un papel importante en la lubricación de la interfaz entre las fibras (raíces) y el suelo (Li et al., 2014).
Figura 6. Resultados promedio de las relaciones entre esfuerzo cortante × desplazamiento horizontal y desplazamiento vertical × desplazamiento horizontal en ensayos de corte directo en suelo arcilloso con (C y D) y sin raíces (A y B). ε es la deformación horizontal de la muestra de suelo (%).
La deformación vertical del suelo fue influenciada positivamente por la presencia de raíces. Esto se verifica observando los resultados presentados en las Figuras 6B y 6D. Comparando el esfuerzo normal más bajo aplicado a las muestras de ensayo en estas Figuras, en el caso de 100 kPa es posible observar que mientras la deformación por compresión aumenta con el aumento de la deformación horizontal en el suelo sin raíces, la compresión es aproximadamente un 24% menor entre deformaciones horizontales del 4% y 10% en el suelo con raíces.
Observando la Figura 6B, es posible notar una similitud entre las curvas de los tres esfuerzos normales aplicados (100, 200 y 300 kPa), mostrando que la deformación vertical puede haber llegado a un límite sin elementos de refuerzo para aumentar la resistencia a la compresión.
También en la Figura 6D, es posible inferir que las raíces en el suelo arcilloso muestran eficiencia en el control de deformaciones provenientes de tensiones normales menores, en este caso representadas por 100 kPa. Además, las raíces en las tensiones superiores de 200 y 300 kPa también contribuyeron a reducir la deformación vertical por compresión, pero de forma menos expresiva. Estos resultados están de acuerdo con el trabajo de Moradi et al. (2017), quienes observaron deformaciones por compresión menores en un suelo compuesto arenoso-arcilloso reforzado con fibras de propileno.
En la discusión de los resultados encontrados para suelos arcillosos, vale la pena señalar la comparación entre suelos naturales. Se hizo relevante el refuerzo (raíces) y elementos sintéticos (que imitan raíces). Esto fue necesario debido a la escasez de estudios que aborden los efectos de los sistemas de raíces de las plantas sobre la resistencia al corte, así como la deformación horizontal y volumétrica de los suelos arcillosos. Los suelos arenosos generalmente se eligen en este tipo de estudios porque tienen una estructura menos compleja, lo que facilita aislar los efectos de incluir fibras.
CONCLUSIÓN
Las raíces contribuyeron a aumentar la resistencia al corte tanto del suelo arenoso como del suelo arcilloso. Ambos suelos habían mejorado la resistencia al corte por aumentos directos en los valores de los parámetros de resistencia (cohesión y ángulo de fricción interna del suelo).
La resistencia al corte en el suelo arenoso estuvo influenciada principalmente por el aumento de la cohesión, mientras que la resistencia al corte en el suelo arcilloso estuvo influenciada tanto por el aumento de la cohesión (en mayor proporción) como por el ángulo de fricción interna (en menor proporción).
Los suelos con raíces sufrieron menor deformación por compresión, lo que indica que las plantas también aumentan la capacidad del suelo para soportar esfuerzos verticales.
Las raíces proporcionaron un refuerzo relativamente mayor al suelo arenoso, lo que se atribuyó a su baja cohesión natural, resultado directo de su característica granular.
La información obtenida es analíticamente indicativa de cómo actúan las raíces en el refuerzo de los suelos. Esta información puede, en definitiva, formar parte de las justificaciones técnicas que ratifiquen el uso de plantas para el control de procesos de erosión y estabilización de taludes.