La tensión efectiva se puede definir como la tensión, dependiendo de la tensión aplicada. y presión de poros , que controla el comportamiento de deformación o resistencia del suelo y la roca (o un cuerpo poroso genérico) para cualquier valor de presión de poro o, en otros términos, la tensión que se aplica sobre un cuerpo poroso seco (es decir, en ) proporciona el mismo comportamiento de tensión o resistencia que se observa en ≠ 0. [1] En el caso de los medios granulares, puede verse como una fuerza que mantiene rígida una colección de partículas . Por lo general, esto se aplica a arena , suelo o grava , así como a todo tipo de roca y varios otros materiales porosos como hormigón, polvos metálicos, tejidos biológicos, etc. [1] La utilidad de una formulación ESP adecuada consiste en permitir evaluar la comportamiento de un cuerpo poroso para cualquier valor de presión intersticial sobre la base de experimentos con muestras secas (es decir, realizados a presión intersticial cero).
Historia
Karl von Terzaghi propuso por primera vez la relación para el estrés efectivo en 1925. [2] [3] [4] Para él, el término "efectivo" significaba el estrés calculado que era efectivo para mover el suelo o causar desplazamientos. A menudo se ha interpretado como la tensión media que soporta el esqueleto del suelo . [ cita requerida ] Posteriormente, se han propuesto diferentes formulaciones para el estrés efectivo. Maurice Biot desarrolló completamente la teoría de la consolidación de suelos tridimensional, extendiendo el modelo unidimensional previamente desarrollado por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de Poroelasticidad . Alec Skempton en su trabajo de 1960, ha realizado una extensa revisión de las formulaciones disponibles y datos experimentales en la literatura sobre tensiones efectivas válidas en suelo, hormigón y roca, con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresión era la adecuada. de acuerdo con varias hipótesis de trabajo, tales como comportamiento tensión-deformación o resistencia, medios saturados o no saturados, comportamiento roca / hormigón o suelo, etc.
Descripción
El estrés efectivo (σ ') que actúa sobre un suelo se calcula a partir de dos parámetros, el estrés total (σ) y la presión intersticial del agua (u) de acuerdo con:
Normalmente, para ejemplos simples
Al igual que el concepto de tensión en sí, la fórmula es una construcción, para la visualización más fácil de las fuerzas que actúan sobre una masa de suelo, especialmente modelos de análisis simples para la estabilidad de taludes , que involucran un plano de deslizamiento. [5] Con estos modelos, es importante conocer el peso total del suelo por encima (incluida el agua) y la presión de los poros del agua dentro del plano de deslizamiento, asumiendo que actúa como una capa confinada. [ cita requerida ]
Sin embargo, la fórmula se vuelve confusa al considerar el verdadero comportamiento de las partículas del suelo bajo diferentes condiciones mensurables, ya que ninguno de los parámetros son actores independientes de las partículas. [ cita requerida ]
Considere una agrupación de granos redondos de arena de cuarzo , apilados sin apretar, en un arreglo clásico de "bala de cañón". Como puede verse, hay una tensión de contacto donde las esferas se tocan realmente. Se acumulan más esferas y las tensiones de contacto aumentan, hasta el punto de causar inestabilidad de fricción ( fricción dinámica ) y tal vez fallas. El parámetro independiente que afecta a los contactos (tanto normal como cortante) es la fuerza de las esferas de arriba. Esto se puede calcular utilizando la densidad promedio general de las esferas y la altura de las esferas de arriba. [ cita requerida ]
Si luego tenemos estas esferas en un vaso de precipitados y agregamos un poco de agua, comenzarán a flotar un poco dependiendo de su densidad ( flotabilidad ). Con materiales naturales del suelo, el efecto puede ser significativo, como puede atestiguar cualquiera que haya levantado una gran roca de un lago. La tensión de contacto en las esferas disminuye a medida que el vaso de precipitados se llena hasta la parte superior de las esferas, pero luego nada cambia si se agrega más agua. Aunque la presión del agua entre las esferas (presión del agua de los poros) está aumentando, la tensión efectiva sigue siendo la misma, porque el concepto de "tensión total" incluye el peso de toda el agua de arriba. Aquí es donde la ecuación puede volverse confusa y la tensión efectiva se puede calcular utilizando la densidad de flotación de las esferas (suelo) y la altura del suelo por encima. [ cita requerida ]
El concepto de esfuerzo efectivo se vuelve realmente interesante cuando se trata de una presión de agua intersticial no hidrostática . En las condiciones de un gradiente de presión intersticial, el agua subterránea fluye, según la ecuación de permeabilidad ( ley de Darcy ). Usando nuestras esferas como modelo, esto es lo mismo que inyectar (o extraer) agua entre las esferas. Si se inyecta agua, la fuerza de filtración actúa para separar las esferas y reduce la tensión efectiva. Por tanto, la masa del suelo se debilita. Si se extrae agua, las esferas se juntan y la tensión efectiva aumenta. [6]
Dos extremos de este efecto son las arenas movedizas , donde el gradiente del agua subterránea y la fuerza de filtración actúan contra la gravedad ; y el "efecto castillo de arena", [7] donde el drenaje del agua y la acción capilar actúan para fortalecer la arena. Además, la tensión efectiva juega un papel importante en la estabilidad de taludes y otros problemas de ingeniería geotécnica y geología de ingeniería , como el hundimiento relacionado con el agua subterránea .
Referencias
Referencias generales
- Terzaghi, K. (1925). Principios de la mecánica del suelo. Engineering News-Record, 95 (19-27).
Citas en línea
- ↑ a b Guerriero, V; Mazzoli, S. (2021). "Teoría del estrés efectivo en suelos y rocas e implicaciones para los procesos de fracturamiento: una revisión" . Geociencias . 11 : 119. doi : 10.3390 / geosciences11030119 .
- ^ Terzaghi, Karl (1925). Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage . F. Deuticke.
- ^ Terzaghi, Karl (1936). "Relación entre mecánica de suelos e ingeniería de cimentaciones: discurso presidencial". Actas, Primera Conferencia Internacional sobre Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones, Boston . 3, 13-18.
- ^ [1] Archivado el 18 de junio de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ [2]
- ^ [3] Archivado el 2 de septiembre de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ [4] Archivado el 30 de mayo de 2008 en la Wayback Machine.