La dilatación es el cambio de volumen que se observa en los materiales granulares cuando se someten a deformaciones por cizallamiento . [1] [2] Este efecto fue descrito científicamente por primera vez por Osborne Reynolds en 1885/1886 [3] [4] y también se conoce como dilatación de Reynolds .
A diferencia de la mayoría de los otros materiales sólidos, la tendencia de un material granular denso compactado es a dilatarse (expandirse en volumen) a medida que se corta. Esto ocurre porque los granos en un estado compactado se entrelazan y, por lo tanto, no tienen la libertad de moverse entre sí. Cuando se somete a tensión, se produce un movimiento de palanca entre los granos vecinos, lo que produce una expansión masiva del material. Por otro lado, cuando un material granular comienza en un estado muy suelto, puede compactarse continuamente en lugar de dilatarse bajo cizallamiento. Una muestra de un material se denomina dilatante si su volumen aumenta al aumentar la cizalladura y contractiva si el volumen disminuye al aumentar la cizalladura. [5][6]
La dilatación es una característica común de suelos y arenas . Su efecto se puede ver cuando la arena húmeda alrededor del pie de una persona que camina por la playa parece secarse. La deformación causada por el pie expande la arena debajo de él y el agua en la arena se mueve para llenar el nuevo espacio entre los granos.
El concepto de dilatancia de Reynolds ha sido introducido en el campo de los ingenieros geotécnicos por Peter Walter Rowe , [7] y es parte del tema más amplio de la mecánica del suelo .
Fenómeno
El fenómeno de dilatación se puede observar en una prueba de cizallamiento simple drenada en una muestra de arena densa. En la etapa inicial de deformación, la deformación volumétrica disminuye a medida que aumenta la deformación cortante . Pero a medida que la tensión se acerca a su valor máximo, la deformación volumétrica comienza a aumentar. Después de un poco más de cizallamiento, la muestra de suelo tiene un volumen mayor que cuando se inició la prueba.
La cantidad de dilatación depende en gran medida de la densidad inicial del suelo. En general, cuanto más denso es el suelo, mayor es la cantidad de expansión de volumen bajo cizallamiento. También se ha observado que el ángulo de fricción interna disminuye a medida que disminuye la tensión normal efectiva . [8]
La relación entre la dilatación y la fricción interna se ilustra típicamente mediante el modelo de dilatación en diente de sierra, donde el ángulo de dilatación es análogo al ángulo formado por los dientes con la horizontal. Este modelo se puede utilizar para inferir que el ángulo de fricción observado es igual al ángulo de dilatación más el ángulo de fricción para una dilatación cero.
¿Por qué es importante la dilatación?
Debido a la dilatación, el ángulo de fricción aumenta a medida que aumenta el confinamiento hasta que alcanza un valor máximo. Después de que se moviliza la resistencia máxima del suelo, el ángulo de fricción disminuye abruptamente. Como resultado, la ingeniería geotécnica de taludes, zapatas, túneles y pilotes en dichos suelos debe considerar la posible disminución de la resistencia después de que la resistencia del suelo alcance este valor máximo.
El limo de clasificación deficiente / uniforme con trazas de arena a arena que no es plástica puede estar asociado con desafíos durante la construcción, incluso cuando son duros. Estos materiales a menudo parecen ser granulares porque el limo es muy grueso y, por lo tanto, puede describirse como denso a muy denso. Las excavaciones verticales debajo del nivel freático en estos tipos de suelo exhiben estabilidad a corto plazo, similar a muchos depósitos de suelos arenosos densos, en parte debido a la succión matricial. Sin embargo, a medida que se produce el cizallamiento del suelo en la cuña activa debido a las fuerzas de la gravedad, se pierde resistencia y se acelera la tasa de falla. Esto puede verse agravado por las fuerzas hidrostáticas que se desarrollan en los lugares donde el agua (drena hacia y) se acumula en las grietas de tensión en o cerca de la parte posterior de la cuña activa. Generalmente se manifiesta un desconchado retrógrado, a menudo acompañado de erosión interna o de tuberías. El uso de filtros adecuados es fundamental para la gestión de estos materiales; un filtro preferido podría ser una grava transparente / arena de grano grueso de tamaño # 4 como agregado comercial que generalmente está fácilmente disponible. También son adecuadas algunas telas de filtro no tejidas. Como con todos los filtros, se deben verificar los criterios de compatibilidad D15 y D50.
Ver también
Referencias
- ^ Nedderman, RM (2005). Estática y cinemática de materiales granulares (Impresión digital 1ª versión pbk. Ed.). Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 0-521-01907-9.
- ^ Pouliquen, Bruno Andreotti, Yoël Forterre, Olivier (2013). Medios granulares: entre fluido y sólido . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9781107034792.
- ^ Reynolds, Osborne (diciembre de 1885). "LVII. Sobre la dilatación de medios compuestos por partículas rígidas en contacto, con ilustraciones experimentales" . Revista filosófica . Serie 5. 20 (127): 469–481. doi : 10.1080 / 14786448508627791 .
- ^ Reynolds, O., "Experimentos que muestran dilatancia, una propiedad del material granular, posiblemente relacionada con la gravitación", Proc. Royal Institution of Great Britain, Read, 12 de febrero de 1886.
- ^ Casagrande, A., Hirschfeld, RC y Poulos, SJ (1964). Cuarto informe: Investigación de la deformación por tensión y las características de resistencia de las arcillas compactadas. LABORATORIO DE MECÁNICA DEL SUELO DE HARVARD UNIV CAMBRIDGE MA.
- ^ Poulos, SJ (1971). Las curvas de tensión-deformación de los suelos. Ingenieros geotécnicos incorporados. Chicago.
- ^ Rowe, PW, "La relación tensión-dilatación para el equilibrio estático de un conjunto de partículas en contacto", Actas de la Royal Society A, 1962.
- ^ Houlsby, GT Cómo la dilatación de los suelos afecta su comportamiento. Universidad de Oxford, Departamento de Ciencias de la Ingeniería, 1991. http://www.eng.ox.ac.uk/civil/publications/reports-1/ouel_1888_91.pdf