La mecánica del suelo es una rama de la física del suelo y la mecánica aplicada que describe el comportamiento de los suelos . Se diferencia de la mecánica de fluidos y la mecánica de sólidos en el sentido de que los suelos consisten en una mezcla heterogénea de fluidos (generalmente aire y agua) y partículas (generalmente arcilla , limo , arena y grava ) pero el suelo también puede contener sólidos orgánicos y otras materias. [1] [2] [3] [4] Junto con la mecánica de rocas , la mecánica del suelo proporciona la base teórica para el análisis en ingeniería geotécnica , [5] una subdisciplina deingeniería civil e ingeniería geología , una subdisciplina de la geología . La mecánica del suelo se utiliza para analizar las deformaciones y el flujo de fluidos dentro de estructuras naturales y artificiales que se apoyan o están hechas de suelo, o estructuras que están enterradas en el suelo. [6] Ejemplos de aplicaciones son cimientos de edificios y puentes, muros de contención, presas y sistemas de tuberías enterradas. Los principios de la mecánica del suelo también se utilizan en disciplinas relacionadas como la ingeniería geofísica , la ingeniería costera , la ingeniería agrícola , la hidrología y la física del suelo .
Este artículo describe la génesis y composición del suelo, la distinción entre la presión del agua intersticial y el estrés efectivo intergranular , la acción capilar de los fluidos en los espacios porosos del suelo , la clasificación del suelo , la filtración y la permeabilidad , el cambio de volumen dependiente del tiempo debido a la expulsión del agua. de pequeños espacios porosos, también conocido como consolidación , resistencia al corte y rigidez de los suelos. La resistencia al cizallamiento de los suelos se deriva principalmente de la fricción entre las partículas y el entrelazamiento, que son muy sensibles a la tensión efectiva. [7] [6] El artículo concluye con algunos ejemplos de aplicaciones de los principios de la mecánica del suelo tales como estabilidad de taludes, presión lateral del terreno en muros de contención y capacidad de carga de cimientos.
Génesis y composición de suelos.
Génesis
El mecanismo principal de creación del suelo es la erosión de la roca. Todos los tipos de rocas ( ígneas , metamórficas y sedimentarias ) pueden descomponerse en pequeñas partículas para crear suelo. Los mecanismos de meteorización son la meteorización física, la meteorización química y la meteorización biológica [1] [2] [3] Las actividades humanas como excavación, voladura y eliminación de desechos también pueden crear suelo. Con el tiempo geológico, los suelos profundamente enterrados pueden verse alterados por la presión y la temperatura para convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, y si se derriten y solidifican nuevamente, completarían el ciclo geológico convirtiéndose en rocas ígneas. [3]
La meteorización física incluye efectos de la temperatura, congelación y descongelación del agua en las grietas, lluvia, viento, impacto y otros mecanismos. La meteorización química incluye la disolución de la materia que compone una roca y la precipitación en forma de otro mineral. Los minerales arcillosos, por ejemplo, pueden formarse por meteorización del feldespato , que es el mineral más común presente en las rocas ígneas.
El componente mineral más común del limo y la arena es el cuarzo , también llamado sílice , que tiene el nombre químico de dióxido de silicio. La razón por la que el feldespato es más común en las rocas pero la sílice es más frecuente en los suelos es que el feldespato es mucho más soluble que la sílice.
El limo , la arena y la grava son básicamente pequeños trozos de rocas rotas .
Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos , los tamaños de las partículas de limo están en el rango de 0.002 mm a 0.075 mm y las partículas de arena tienen tamaños en el rango de 0.075 mm a 4.75 mm.
Las partículas de grava son pedazos de roca rotos en el rango de tamaño de 4,75 mm a 100 mm. Las partículas más grandes que la grava se denominan adoquines y cantos rodados. [1] [2]
Transporte
Los depósitos de suelo se ven afectados por el mecanismo de transporte y deposición a su ubicación. Los suelos que no se transportan se denominan suelos residuales; existen en el mismo lugar que la roca a partir de la cual se generaron. El granito descompuesto es un ejemplo común de suelo residual. Los mecanismos comunes de transporte son las acciones de la gravedad, el hielo, el agua y el viento. Los suelos arrastrados por el viento incluyen arenas de dunas y loess . El agua transporta partículas de diferente tamaño en función de la velocidad del agua, por lo que los suelos transportados por el agua se clasifican según su tamaño. El limo y la arcilla pueden asentarse en un lago, y la grava y la arena se acumulan en el fondo del lecho de un río. Los depósitos de suelo arrastrados por el viento ( suelos eólicos ) también tienden a clasificarse según su tamaño de grano. La erosión en la base de los glaciares es lo suficientemente poderosa como para levantar grandes rocas y cantos rodados, así como también suelo; Los suelos que se caen al derretir el hielo pueden ser una mezcla bien graduada de tamaños de partículas muy variables. La gravedad por sí sola también puede llevar partículas desde la cima de una montaña para formar un montón de tierra y cantos rodados en la base; Los depósitos de suelo transportados por gravedad se denominan coluviones . [1] [2]
El mecanismo de transporte también tiene un efecto importante en la forma de las partículas. Por ejemplo, la molienda a baja velocidad en el lecho de un río producirá partículas redondeadas. Las partículas de coluvión recién fracturadas suelen tener una forma muy angular.
Composición del suelo
Mineralogía del suelo
Los limos, arenas y gravas se clasifican por su tamaño y, por lo tanto, pueden consistir en una variedad de minerales. Debido a la estabilidad del cuarzo en comparación con otros minerales de roca, el cuarzo es el componente más común de la arena y el limo. La mica y el feldespato son otros minerales comunes presentes en arenas y limos. [1] Los componentes minerales de la grava pueden ser más similares a los de la roca madre.
Los minerales arcillosos comunes son montmorillonita o esmectita , illita y caolinita o caolín. Estos minerales tienden a formarse en estructuras similares a láminas o placas, con una longitud que suele oscilar entre 10 −7 my 4x10 −6 my un grosor que suele oscilar entre 10 −9 my 2x10 −6 m, y tienen una superficie específica relativamente grande. . El área de superficie específica (SSA) se define como la relación entre el área de superficie de las partículas y la masa de las partículas. Los minerales de arcilla suelen tener áreas de superficie específicas en el rango de 10 a 1,000 metros cuadrados por gramo de sólido. [3] Debido a la gran superficie disponible para la interacción química, electrostática y de van der Waals , el comportamiento mecánico de los minerales arcillosos es muy sensible a la cantidad de fluido de poro disponible y al tipo y cantidad de iones disueltos en el fluido de poro. [1]
Los minerales de los suelos están formados predominantemente por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno y aluminio, organizados en diversas formas cristalinas. Estos elementos, junto con el calcio, sodio, potasio, magnesio y carbono, constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de los suelos. [1]
Distribución del tamaño de grano
Los suelos consisten en una mezcla de partículas de diferente tamaño, forma y mineralogía. Debido a que el tamaño de las partículas obviamente tiene un efecto significativo en el comportamiento del suelo, el tamaño de grano y la distribución del tamaño de grano se utilizan para clasificar los suelos. La distribución del tamaño de grano describe las proporciones relativas de partículas de varios tamaños. El tamaño de grano a menudo se visualiza en un gráfico de distribución acumulativa que, por ejemplo, traza el porcentaje de partículas más finas que un tamaño dado en función del tamaño. El tamaño de grano medio,, es el tamaño para el cual el 50% de la masa de partículas consiste en partículas más finas. El comportamiento del suelo, especialmente la conductividad hidráulica , tiende a estar dominado por las partículas más pequeñas, de ahí el término "tamaño efectivo", denotado por, se define como el tamaño para el cual el 10% de la masa de partículas consiste en partículas más finas.
Las arenas y gravas que poseen una amplia gama de tamaños de partículas con una distribución uniforme de tamaños de partículas se denominan suelos bien clasificados . Si las partículas de suelo en una muestra están predominantemente en un rango de tamaños relativamente estrecho, la muestra se clasifica uniformemente . Si una muestra de suelo tiene claros espacios en la curva de gradación, por ejemplo, una mezcla de grava y arena fina, sin arena gruesa, la muestra puede clasificarse por espacios . Se considera que los suelos uniformemente clasificados y clasificados por huecos están mal clasificados . Existen muchos métodos para medir la distribución del tamaño de partículas . Los dos métodos tradicionales son el análisis de tamices y el análisis de hidrómetro.
Analisis granulometrico
La distribución de tamaño de las partículas de grava y arena se mide típicamente mediante análisis de tamices. El procedimiento formal se describe en ASTM D6913-04 (2009). [8] Se utiliza una pila de tamices con orificios dimensionados con precisión entre una malla de alambres para separar las partículas en contenedores de tamaño. Un volumen conocido de tierra seca, con terrones desmenuzados en partículas individuales, se coloca en la parte superior de una pila de tamices dispuestos de grueso a fino. La pila de tamices se agita durante un período de tiempo estándar para que las partículas se clasifiquen en contenedores de tamaño. Este método funciona razonablemente bien para partículas en el rango de tamaño de arena y grava. Las partículas finas tienden a adherirse entre sí y, por lo tanto, el proceso de tamizado no es un método eficaz. Si hay muchos finos (limo y arcilla) presentes en el suelo, puede ser necesario hacer correr agua a través de los tamices para lavar las partículas gruesas y los terrones.
Hay una variedad de tamaños de tamices disponibles. El límite entre arena y limo es arbitrario. De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos , un tamiz # 4 (4 aberturas por pulgada) con un tamaño de abertura de 4.75 mm separa la arena de la grava y un tamiz # 200 con una abertura de 0.075 mm separa la arena del limo y la arcilla. Según la norma británica, 0,063 mm es el límite entre arena y limo, y 2 mm es el límite entre arena y grava. [3]
Análisis de hidrómetro
La clasificación de los suelos de grano fino, es decir, suelos más finos que la arena, está determinada principalmente por sus límites de Atterberg , no por su tamaño de grano. Si es importante determinar la distribución del tamaño de grano de suelos de grano fino, se puede realizar la prueba del hidrómetro. En las pruebas del hidrómetro, las partículas de suelo se mezclan con agua y se agitan para producir una suspensión diluida en un cilindro de vidrio, y luego el cilindro se deja reposar. Se utiliza un hidrómetro para medir la densidad de la suspensión en función del tiempo. Las partículas de arcilla pueden tardar varias horas en asentarse más allá de la profundidad de medición del hidrómetro. Las partículas de arena pueden tardar menos de un segundo. La ley de Stoke proporciona la base teórica para calcular la relación entre la velocidad de sedimentación y el tamaño de las partículas. ASTM proporciona los procedimientos detallados para realizar la prueba del hidrómetro.
Las partículas de arcilla pueden ser lo suficientemente pequeñas como para que nunca se asienten porque se mantienen en suspensión por el movimiento browniano , en cuyo caso pueden clasificarse como coloides .
Relaciones masa-volumen
Hay una variedad de parámetros que se utilizan para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define estos parámetros y algunas de sus interrelaciones. [2] [6] La notación básica es la siguiente:
, , y representar los volúmenes de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representar los pesos de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representar las masas de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representar las densidades de los componentes (aire, agua y sólidos) en una mezcla de suelo;
Tenga en cuenta que los pesos, W, se pueden obtener multiplicando la masa, M, por la aceleración debida a la gravedad, g; p.ej,
La gravedad específica es la relación entre la densidad de un material en comparación con la densidad del agua pura ().
Gravedad específica de sólidos ,
Tenga en cuenta que el peso específico , indicado convencionalmente por el símbolose puede obtener multiplicando la densidad ( ) de un material por la aceleración debida a la gravedad, .
Densidad , densidad aparente o densidad húmeda ,, son nombres diferentes para la densidad de la mezcla, es decir, la masa total de aire, agua, sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos (se supone que la masa de aire es cero para fines prácticos):
Densidad seca ,, es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos:
Densidad flotante ,, definida como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, es útil si el suelo está sumergido bajo el agua:
dónde es la densidad del agua
Contenido de agua ,es la relación entre la masa de agua y la masa de sólido. Se mide fácilmente pesando una muestra del suelo, secándola en un horno y volviendo a pesar. Los procedimientos estándar son descritos por ASTM.
Relación de vacíos ,, es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de sólidos:
porosidad ,, es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total, y está relacionada con la relación de vacíos:
Grado de saturación ,, es la relación entre el volumen de agua y el volumen de huecos:
A partir de las definiciones anteriores, se pueden derivar algunas relaciones útiles mediante el uso de álgebra básica.
Clasificación del suelo
Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas de suelo realizando pruebas en muestras de suelo perturbadas (secas, pasadas por tamices y remodeladas). Esto proporciona información sobre las características de los propios granos del suelo. La clasificación de los tipos de granos presentes en un suelo no tiene en cuenta los efectos importantes de la estructura o tejido del suelo, términos que describen la compacidad de las partículas y los patrones en la disposición de las partículas en un marco portador de carga, así como el tamaño de los poros. y distribuciones de fluidos de poros. Los geólogos de ingeniería también clasifican los suelos en función de su génesis e historial de depósitos.
Clasificación de los granos del suelo.
En los EE. UU. Y otros países, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) se usa a menudo para la clasificación de suelos. Otros sistemas de clasificación incluyen el estándar británico BS 5930 y el sistema de clasificación de suelos AASHTO . [3]
Clasificación de arenas y gravas
En el USCS, las gravas (dado el símbolo G ) y las arenas (dado el símbolo S ) se clasifican según su distribución granulométrica. Para el USCS, las gravas pueden recibir el símbolo de clasificación GW (grava bien graduada), GP (grava mal graduada), GM (grava con una gran cantidad de limo) o GC (grava con una gran cantidad de arcilla). Asimismo, las arenas pueden clasificarse en SW , SP , SM o SC . Las arenas y gravas con una cantidad pequeña pero no despreciable de finos (5–12%) pueden recibir una clasificación dual como SW-SC .
Límites de Atterberg
Las arcillas y limos, a menudo llamados "suelos de grano fino", se clasifican de acuerdo con sus límites de Atterberg ; Los límites de Atterberg más comúnmente utilizados son el Límite líquido (indicado por LL o), Límite de plástico (indicado por PL o) y Límite de contracción (indicado por SL ).
El Límite Líquido es el contenido de agua en el que el comportamiento del suelo pasa de un plástico sólido a un líquido. El límite de plástico es el contenido de agua en el que el comportamiento del suelo pasa de ser un sólido plástico a un sólido quebradizo. El límite de contracción corresponde a un contenido de agua por debajo del cual el suelo no se encogerá al secarse. La consistencia del suelo de grano fino varía en proporción al contenido de agua en un suelo.
Como las transiciones de un estado a otro son graduales, las pruebas han adoptado definiciones arbitrarias para determinar los límites de los estados. El límite de líquido se determina midiendo el contenido de agua para el que se cierra una ranura después de 25 golpes en una prueba estándar. [9] Alternativamente, se puede utilizar un aparato de prueba de cono de caída para medir el límite de líquido. La resistencia al corte sin drenaje del suelo remodelado en el límite líquido es de aproximadamente 2 kPa. [4] [10] El límite de plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible enrollar manualmente el suelo en cilindros de 3 mm de diámetro. El suelo se agrieta o se rompe a medida que se enrolla hasta este diámetro. El suelo remodelado en el límite plástico es bastante rígido y tiene una resistencia al corte sin drenaje del orden de aproximadamente 200 kPa. [4] [10]
El Índice de Plasticidad de una muestra de suelo en particular se define como la diferencia entre el Límite Líquido y el Límite Plástico de la muestra; es un indicador de cuánta agua pueden absorber las partículas de suelo en la muestra y se correlaciona con muchas propiedades de ingeniería como permeabilidad, compresibilidad, resistencia al corte y otras. Generalmente, las arcillas que tienen alta plasticidad tienen menor permeabilidad y también son difíciles de compactar.
Clasificación de limos y arcillas
De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), los limos y arcillas se clasifican trazando los valores de su índice de plasticidad y límite de líquido en una tabla de plasticidad. La línea A en el gráfico separa las arcillas (dado el símbolo C de USCS ) de los limos (dado el símbolo M ). LL = 50% separa los suelos de alta plasticidad (dado el símbolo modificador H ) de los suelos de baja plasticidad (dado el símbolo modificador L ). Un suelo que se ubica por encima de la línea A y tiene LL> 50% se clasificaría, por ejemplo, como CH . Otras posibles clasificaciones de limos y arcillas son ML , CL y MH . Si los límites de Atterberg trazan en la región "sombreada" en el gráfico cerca del origen, los suelos reciben la clasificación dual 'CL-ML'.
Índice de liquidez
Los efectos del contenido de agua sobre la resistencia de los suelos remoldeados saturados se pueden cuantificar mediante el uso del índice de liquidez , LI :
Cuando el LI es 1, el suelo remoldeado está en el límite líquido y tiene una resistencia al corte sin drenaje de aproximadamente 2 kPa. Cuando el suelo está en el límite plástico , el LI es 0 y la resistencia al corte sin drenaje es de aproximadamente 200 kPa. [4] [11]
Densidad relativa
La densidad de las arenas (suelos sin cohesión) a menudo se caracteriza por la densidad relativa,
dónde: es la "proporción máxima de vacíos" correspondiente a un estado muy suelto, es la "proporción mínima de vacíos" correspondiente a un estado muy denso y es la relación de vacíos in situ . Los métodos utilizados para calcular la densidad relativa se definen en ASTM D4254-00 (2006). [12]
Así que si la arena o grava es muy densa, y si el suelo es extremadamente suelto e inestable.
Filtración: flujo de agua en estado estable
Si las presiones de fluido en un depósito de suelo aumentan uniformemente con la profundidad de acuerdo con entonces prevalecerán las condiciones hidrostáticas y los fluidos no fluirán a través del suelo. es la profundidad por debajo del nivel freático. Sin embargo, si el nivel freático está inclinado o hay un nivel freático encaramado como se indica en el esquema adjunto, se producirá una filtración . Para la filtración en estado estable, las velocidades de filtración no varían con el tiempo. Si las capas freáticas cambian de nivel con el tiempo, o si el suelo está en proceso de consolidación, no se aplican las condiciones de estado estacionario.
Ley de darcy
La ley de Darcy establece que el volumen de flujo del fluido poroso a través de un medio poroso por unidad de tiempo es proporcional a la tasa de cambio del exceso de presión del fluido con la distancia. La constante de proporcionalidad incluye la viscosidad del fluido y la permeabilidad intrínseca del suelo. Para el caso simple de un tubo horizontal lleno de tierra
La descarga total, (con unidades de volumen por tiempo, por ejemplo, ft³ / so m³ / s), es proporcional a la permeabilidad intrínseca ,, el área de la sección transversal, y la tasa de cambio de la presión de poro con la distancia, , e inversamente proporcional a la viscosidad dinámica del fluido,. El signo negativo es necesario porque los fluidos fluyen de alta presión a baja presión. Entonces, si el cambio de presión es negativo (en el-dirección) entonces el flujo será positivo (en la -dirección). La ecuación anterior funciona bien para un tubo horizontal, pero si el tubo estuviera inclinado de modo que el punto b tuviera una elevación diferente a la del punto a, la ecuación no funcionaría. El efecto de la elevación se explica reemplazando la presión de poro por el exceso de presión de poro , definido como:
dónde es la profundidad medida a partir de una referencia de elevación arbitraria ( datum ). Reemplazo por obtenemos una ecuación más general para el flujo:
Dividiendo ambos lados de la ecuación por , y expresando la tasa de cambio del exceso de presión de poro como una derivada , obtenemos una ecuación más general para la velocidad aparente en la dirección x:
dónde tiene unidades de velocidad y se denomina velocidad de Darcy (o descarga específica , velocidad de filtración o velocidad superficial ). El poro o la velocidad intersticial es la velocidad media de las moléculas de fluido en los poros; está relacionado con la velocidad de Darcy y la porosidada través de la relación Dupuit-Forchheimer
(Algunos autores usan el término velocidad de filtración para referirse a la velocidad de Darcy, [13] mientras que otros lo usan para referirse a la velocidad de los poros [14] ).
Los ingenieros civiles trabajan predominantemente en problemas que involucran agua y predominantemente trabajan en problemas en la tierra (en la gravedad de la tierra). Para esta clase de problemas, los ingenieros civiles suelen escribir la ley de Darcy en una forma mucho más simple: [4] [6] [15]
dónde es la conductividad hidráulica , definida como, y es el gradiente hidráulico . El gradiente hidráulico es la tasa de cambio de la altura total con la distancia. La cabeza totalen un punto se define como la altura (medida en relación con el datum) a la que se elevaría el agua en un piezómetro en ese punto. La altura total está relacionada con el exceso de presión del agua mediante:
y el es cero si el datum para la medición de la altura se elige a la misma altura que el origen de la profundidad, se utiliza z para calcular .
Valores típicos de conductividad hidráulica
Valores de conductividad hidráulica, , puede variar en muchos órdenes de magnitud dependiendo del tipo de suelo. Las arcillas pueden tener una conductividad hidráulica tan pequeña como, las gravas pueden tener conductividad hidráulica hasta aproximadamente . La formación de capas, la heterogeneidad y la perturbación durante el proceso de muestreo y prueba hacen que la medición precisa de la conductividad hidráulica del suelo sea un problema muy difícil. [4]
Redes de flujo
La Ley de Darcy se aplica en una, dos o tres dimensiones. [3] En dos o tres dimensiones, la filtración en estado estable se describe mediante la ecuación de Laplace . Hay programas de computadora disponibles para resolver esta ecuación. Pero los problemas de filtración tradicionalmente bidimensionales se resolvieron mediante un procedimiento gráfico conocido como flownet . [3] [15] [16] Un conjunto de líneas en la red de flujo está en la dirección del flujo de agua (líneas de flujo) y el otro conjunto de líneas está en la dirección de la altura total constante (líneas equipotenciales). Se pueden usar redes de flujo para estimar la cantidad de filtración debajo de presas y tablestacas .
Fuerzas de filtración y erosión
Cuando la velocidad de filtración es lo suficientemente grande, puede ocurrir erosión debido al arrastre de fricción ejercido sobre las partículas del suelo. La filtración verticalmente hacia arriba es una fuente de peligro en el lado corriente abajo de las tablestacas y debajo de la base de una presa o dique. La erosión del suelo, conocida como "tubería de suelo", puede provocar la falla de la estructura y la formación de sumideros . La filtración de agua remueve el suelo, comenzando desde el punto de salida de la filtración, y la erosión avanza mejorando. [17] El término "hervir la arena" se utiliza para describir la apariencia del extremo de descarga de una tubería de tierra activa. [18]
Presiones de filtración
La filtración en dirección ascendente reduce la tensión efectiva dentro del suelo. Cuando la presión del agua en un punto del suelo es igual al esfuerzo vertical total en ese punto, el esfuerzo efectivo es cero y el suelo no tiene resistencia por fricción a la deformación. Para una capa superficial, la tensión efectiva vertical se vuelve cero dentro de la capa cuando el gradiente hidráulico ascendente es igual al gradiente crítico. [15] Con un estrés efectivo cero, el suelo tiene muy poca resistencia y las capas de suelo relativamente impermeable pueden levantarse debido a la presión del agua subyacente. La pérdida de fuerza debido a la filtración hacia arriba es un factor común que contribuye a las fallas de los diques. La condición de estrés efectivo cero asociada con la filtración hacia arriba también se llama licuefacción , arenas movedizas o condición de ebullición. Las arenas movedizas se llamaban así porque las partículas del suelo se mueven y parecen estar "vivas" (el significado bíblico de "rápido", en oposición a "muerto"). (Tenga en cuenta que no es posible ser 'succionado' por arenas movedizas. Por el contrario, flotaría con aproximadamente la mitad de su cuerpo fuera del agua). [19]
Esfuerzo efectivo y capilaridad: condiciones hidrostáticas
Para comprender la mecánica de los suelos es necesario comprender cómo las diferentes fases comparten los esfuerzos normales y los esfuerzos cortantes. Ni el gas ni el líquido proporcionan una resistencia significativa al esfuerzo cortante . La resistencia al corte del suelo es proporcionada por la fricción y el entrelazamiento de las partículas. La fricción depende de las tensiones de contacto intergranulares entre partículas sólidas. Las tensiones normales, por otro lado, son compartidas por el fluido y las partículas. [7] Aunque el aire de los poros es relativamente compresible y, por lo tanto, requiere poca tensión normal en la mayoría de los problemas geotécnicos, el agua líquida es relativamente incompresible y si los vacíos están saturados de agua, el agua de los poros debe exprimirse para poder empaquetar las partículas más cerca. juntos.
El principio de esfuerzo efectivo, introducido por Karl Terzaghi , establece que el esfuerzo efectivo σ ' (es decir, el esfuerzo intergranular promedio entre partículas sólidas) puede calcularse mediante una simple resta de la presión de poro del esfuerzo total:
- [7]
donde σ es la tensión total yu es la presión intersticial. No es práctico medir σ ' directamente, por lo que en la práctica la tensión efectiva vertical se calcula a partir de la presión de poro y la tensión total vertical. La distinción entre los términos presión y estrés también es importante. Por definición, la presión en un punto es igual en todas las direcciones, pero las tensiones en un punto pueden ser diferentes en diferentes direcciones. En mecánica de suelos, las tensiones y presiones de compresión se consideran positivas y las tensiones de tracción se consideran negativas, lo que es diferente de la convención de signos de la mecánica de sólidos para la tensión.
Estrés total
Para condiciones de terreno nivelado, la tensión vertical total en un punto, , en promedio, es el peso de todo lo que esté por encima de ese punto por unidad de área. La tensión vertical debajo de una capa de superficie uniforme con densidady espesor es por ejemplo:
dónde es la aceleración debida a la gravedad, y es el peso unitario de la capa superpuesta. Si hay varias capas de suelo o agua por encima del punto de interés, la tensión vertical se puede calcular sumando el producto del peso unitario y el espesor de todas las capas superpuestas. La tensión total aumenta al aumentar la profundidad en proporción a la densidad del suelo suprayacente.
No es posible calcular la tensión total horizontal de esta forma. Las presiones laterales de la tierra se tratan en otros lugares.
Presión de agua de poro
Condiciones hidrostáticas
Si no se produce un flujo de agua intersticial en el suelo, las presiones de agua intersticial serán hidrostáticas . El nivel freático se encuentra a la profundidad donde la presión del agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión del agua aumenta linealmente con la profundidad por debajo del nivel freático:
dónde es la densidad del agua, y es la profundidad por debajo del nivel freático.
Acción capilar
Debido a la tensión superficial, el agua se elevará en un pequeño tubo capilar por encima de una superficie libre de agua. Del mismo modo, el agua se elevará por encima del nivel freático hacia los pequeños espacios porosos alrededor de las partículas del suelo. De hecho, el suelo puede estar completamente saturado a cierta distancia por encima del nivel freático. Por encima de la altura de la saturación capilar, el suelo puede estar húmedo pero el contenido de agua disminuirá con la elevación. Si el agua en la zona capilar no se mueve, la presión del agua obedece a la ecuación de equilibrio hidrostático,, pero ten en cuenta que , es negativo por encima del nivel freático. Por lo tanto, las presiones hidrostáticas del agua son negativas por encima del nivel freático. El grosor de la zona de saturación capilar depende del tamaño de los poros, pero típicamente, las alturas varían entre un centímetro para arena gruesa y decenas de metros para limo o arcilla. [3] De hecho, el espacio poroso del suelo es un fractal uniforme, por ejemplo, un conjunto de fractales D-dimensionales distribuidos uniformemente de tamaño lineal promedio L. Para el suelo arcilloso se ha encontrado que L = 0,15 mm y D = 2,7. [20]
La tensión superficial del agua explica por qué el agua no se escurre de un castillo de arena húmeda o una bola de arcilla húmeda. Las presiones de agua negativas hacen que el agua se adhiera a las partículas y las atraiga entre sí, la fricción en los contactos de las partículas hace que un castillo de arena sea estable. Pero tan pronto como un castillo de arena mojada se sumerge debajo de una superficie de agua libre, las presiones negativas se pierden y el castillo se derrumba. Considerando la ecuación de tensión efectiva,, si la presión del agua es negativa, la tensión efectiva puede ser positiva, incluso en una superficie libre (una superficie donde la tensión normal total es cero). La presión de poro negativa atrae las partículas y hace que las partículas de compresión a las fuerzas de contacto de las partículas. Las presiones negativas de los poros en suelos arcillosos pueden ser mucho más poderosas que las de arena. Las presiones de poros negativas explican por qué los suelos arcillosos se encogen cuando se secan y se hinchan cuando se humedecen. La hinchazón y el encogimiento pueden causar una gran angustia, especialmente a las estructuras ligeras y las carreteras. [15]
En secciones posteriores de este artículo se abordan las presiones del agua intersticial para los problemas de infiltración y consolidación .
Agua en contacto con partículas
fuerza de contacto intergranular debido a la tensión superficial
Contracción provocada por el secado
Consolidación: flujo transitorio de agua
La consolidación es un proceso por el cual los suelos disminuyen en volumen. Ocurre cuando se aplica tensión a un suelo que hace que las partículas del suelo se compacten más juntas, reduciendo así el volumen. Cuando esto ocurre en un suelo que está saturado de agua, el agua saldrá del suelo. El tiempo necesario para exprimir el agua de un depósito denso de capa de suelo arcilloso puede ser de años. Para una capa de arena, el agua puede exprimirse en cuestión de segundos. Los cimientos de un edificio o la construcción de un nuevo terraplén harán que el suelo debajo se consolide y esto provocará un asentamiento que, a su vez, puede causar problemas en el edificio o terraplén. Karl Terzaghi desarrolló la teoría de la consolidación unidimensional que permite predecir la cantidad de asentamiento y el tiempo requerido para que ocurra el asentamiento. [21] Posteriormente, Maurice Biot desarrolló completamente la teoría tridimensional de consolidación del suelo, extendiendo el modelo unidimensional previamente desarrollado por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de Poroelasticidad . [7] Los suelos se prueban con un edómetro para determinar su índice de compresión y coeficiente de consolidación.
Cuando se elimina el estrés de un suelo consolidado, el suelo se recuperará, atraerá agua hacia los poros y recuperará parte del volumen que había perdido en el proceso de consolidación. Si se vuelve a aplicar la tensión, el suelo se volverá a consolidar a lo largo de una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. El suelo que se ha consolidado a una gran presión y se ha descargado posteriormente se considera sobreconsolidado . La tensión máxima efectiva vertical pasada se denomina tensión de preconsolidación . Se dice que un suelo que está experimentando actualmente la máxima tensión efectiva vertical pasada está normalmente consolidado . La relación de sobreconsolidación (OCR) es la relación entre la tensión efectiva vertical pasada máxima y la tensión efectiva vertical actual. El OCR es significativo por dos razones: en primer lugar, porque la compresibilidad del suelo normalmente consolidado es significativamente mayor que la del suelo sobreconsolidado y, en segundo lugar, el comportamiento de corte y la dilatación del suelo arcilloso están relacionados con el OCR a través de la mecánica del suelo en estado crítico ; Los suelos arcillosos muy consolidados son dilatantes, mientras que los suelos normalmente consolidados tienden a ser contractivos. [2] [3] [4]
Comportamiento al cizallamiento: rigidez y resistencia.
La resistencia al corte y la rigidez del suelo determina si el suelo será estable o no o cuánto se deformará. Es necesario conocer la resistencia para determinar si una pendiente será estable, si un edificio o puente podría asentarse demasiado en el suelo y las presiones limitantes en un muro de contención. Es importante distinguir entre la falla de un elemento del suelo y la falla de una estructura geotécnica (por ejemplo, los cimientos de un edificio, una pendiente o un muro de contención); algunos elementos del suelo pueden alcanzar su resistencia máxima antes de la falla de la estructura. Se pueden usar diferentes criterios para definir la "resistencia al corte" y el " punto de fluencia " para un elemento de suelo a partir de una curva de tensión-deformación . Se puede definir la resistencia máxima al cortante como el pico de una curva de tensión-deformación, o la resistencia al cortante en estado crítico como el valor después de grandes deformaciones cuando la resistencia al corte se estabiliza. Si la curva de tensión-deformación no se estabiliza antes del final de la prueba de resistencia al corte, la "resistencia" a veces se considera la resistencia al corte a una deformación del 15-20%. [15] La resistencia al corte del suelo depende de muchos factores, incluido el esfuerzo efectivo y la relación de vacíos.
La rigidez a cortante es importante, por ejemplo, para evaluar la magnitud de las deformaciones de cimientos y pendientes antes de la falla y porque está relacionada con la velocidad de la onda de corte . La pendiente de la porción inicial, casi lineal, de una gráfica de esfuerzo cortante en función de la deformación cortante se llama módulo cortante.
Fricción, enclavamiento y dilatación
El suelo es un conjunto de partículas que tienen poca o ninguna cementación, mientras que la roca (como la arenisca) puede consistir en un conjunto de partículas fuertemente cementadas por enlaces químicos. La resistencia al corte del suelo se debe principalmente a la fricción entre partículas y, por lo tanto, la resistencia al corte en un plano es aproximadamente proporcional al esfuerzo normal efectivo en ese plano. [3] Por tanto, el ángulo de fricción interna está estrechamente relacionado con el ángulo de pendiente estable máximo, a menudo llamado ángulo de reposo.
Pero además de la fricción, el suelo obtiene una resistencia al corte significativa debido al entrelazamiento de los granos. Si los granos están densamente empaquetados, los granos tienden a separarse unos de otros ya que están sujetos a esfuerzos de cizallamiento. La expansión de la matriz de partículas debida al cizallamiento fue denominada dilatancia por Osborne Reynolds . [11] Si se considera la energía requerida para cortar un conjunto de partículas, hay una entrada de energía de la fuerza de corte, T, que se mueve una distancia, x, y también hay una entrada de energía de la fuerza normal, N, a medida que la muestra se expande una distancia. , y. [11] Debido a la energía adicional requerida para que las partículas se dilaten contra las presiones de confinamiento, los suelos dilatantes tienen una resistencia máxima mayor que los suelos contractivos. Además, a medida que los granos dilatadores del suelo se dilatan, se vuelven más sueltos (su proporción de vacíos aumenta) y su tasa de dilatación disminuye hasta que alcanzan una proporción de vacíos crítica. Los suelos contractivos se vuelven más densos a medida que se cortan y su tasa de contracción disminuye hasta que alcanzan una proporción crítica de huecos.
La tendencia de un suelo a dilatarse o contraerse depende principalmente de la presión de confinamiento y la proporción de huecos del suelo. La tasa de dilatación es alta si la presión de confinamiento es pequeña y la relación de vacíos es pequeña. La tasa de contracción es alta si la presión de confinamiento es grande y la relación de vacíos es grande. Como primera aproximación, las regiones de contracción y dilatación están separadas por la línea de estado crítico.
Criterios de falla
Una vez que un suelo alcanza el estado crítico, ya no se contrae ni se dilata y el esfuerzo cortante en el plano de falla está determinada por la tensión normal efectiva en el plano de falla y ángulo de fricción del estado crítico :
Sin embargo, la resistencia máxima del suelo puede ser mayor debido a la contribución de entrelazado (dilatación). Esto se puede afirmar:
Dónde . Sin embargo, el uso de un ángulo de fricción mayor que el valor del estado crítico para el diseño requiere cuidado. La fuerza máxima no se movilizará en todas partes al mismo tiempo en un problema práctico como una base, pendiente o muro de contención. El ángulo de fricción del estado crítico no es tan variable como el ángulo de fricción pico y, por lo tanto, se puede confiar en él con confianza. [3] [4] [11]
Sin reconocer la importancia de la dilatación, Coulomb propuso que la resistencia al corte del suelo puede expresarse como una combinación de componentes de adherencia y fricción: [11]
Ahora se sabe que el y Los parámetros de la última ecuación no son propiedades fundamentales del suelo. [3] [6] [11] [22] En particular, y son diferentes dependiendo de la magnitud del estrés efectivo. [6] [22] Según Schofield (2006), [11] el uso prolongado de en la práctica ha llevado a muchos ingenieros a creer erróneamente que es un parámetro fundamental. Esta suposición de que y son constantes pueden llevar a una sobreestimación de las fortalezas máximas. [3] [22]
Estructura, tejido y química
Además de los componentes de resistencia por fricción y entrelazado (dilatación), la estructura y la tela también juegan un papel importante en el comportamiento del suelo. La estructura y el tejido incluyen factores tales como el espaciado y la disposición de las partículas sólidas o la cantidad y distribución espacial del agua de los poros; en algunos casos, el material cementoso se acumula en los contactos partícula-partícula. El comportamiento mecánico del suelo se ve afectado por la densidad de las partículas y su estructura o disposición de las partículas, así como por la cantidad y distribución espacial de los fluidos presentes (por ejemplo, huecos de agua y aire). Otros factores incluyen la carga eléctrica de las partículas, la química del agua de los poros, los enlaces químicos (es decir, partículas de cementación conectadas a través de una sustancia sólida como el carbonato de calcio recristalizado) [1] [22]
Cizalla drenada y no drenada
La presencia de fluidos casi incompresibles como el agua en los espacios de los poros afecta la capacidad de los poros para dilatarse o contraerse.
Si los poros están saturados de agua, se debe succionar agua en los espacios de los poros dilatados para llenar los poros en expansión (este fenómeno es visible en la playa cuando se forman manchas aparentemente secas alrededor de los pies que presionan la arena húmeda).
De manera similar, para suelos contractivos, el agua debe exprimirse de los espacios porosos para permitir que se produzca la contracción.
La dilatación de los huecos provoca presiones negativas de agua que atraen líquido hacia los poros, y la contracción de los huecos provoca presiones de poros positivas para expulsar el agua de los poros. Si la velocidad de cizallamiento es muy grande en comparación con la velocidad a la que el agua puede ser aspirada o exprimida fuera de los espacios porosos que se dilatan o contraen, entonces el cizallamiento se denomina cizallamiento no drenado , si el cizallamiento es lo suficientemente lento como para que las presiones del agua sean insignificantes, la cizalla se llama cizalla drenada . Durante la cizalladura sin drenaje, la presión del agua u cambia dependiendo de las tendencias de cambio de volumen. A partir de la ecuación de tensión efectiva, el cambio en u afecta directamente a la tensión efectiva mediante la ecuación:
y la fuerza es muy sensible al estrés efectivo. Se deduce entonces que la resistencia al corte sin drenaje de un suelo puede ser menor o mayor que la resistencia al corte con drenaje dependiendo de si el suelo es contractivo o dilatador.
Ensayos de cizallamiento
Parámetros de resistencia pueden medirse en el laboratorio usando prueba directa de cizallamiento , ensayo de corte triaxial , ensayo de corte sencillo , prueba de caída de cono y (mano) prueba de paletas de cizalla ; Existen muchos otros dispositivos y variaciones de estos dispositivos que se utilizan en la práctica en la actualidad. Las pruebas realizadas para caracterizar la resistencia y rigidez de los suelos en el suelo incluyen la prueba de penetración del cono y la prueba de penetración estándar .
Otros factores
La relación tensión-deformación de los suelos y, por tanto, la resistencia al cizallamiento, se ve afectada por: [23]
- composición del suelo (material básico del suelo): mineralogía, tamaño de grano y distribución del tamaño de grano, forma de las partículas, tipo y contenido de fluido de poro, iones en el grano y en el fluido de poro.
- estado (inicial): Defina por la relación de vacíos inicial , el esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo cortante (historial de esfuerzos). El estado se puede describir con términos como: suelto, denso, sobreconsolidado, normalmente consolidado, rígido, blando, contractivo, dilatante, etc.
- estructura : se refiere a la disposición de las partículas dentro de la masa del suelo; la forma en que se empaquetan o distribuyen las partículas. Características como capas, juntas, fisuras, lados de rodajas, huecos, cavidades, cementación, etc., son parte de la estructura. La estructura de los suelos se describe con términos tales como: inalterado, alterado, remoldeado, compactado, cementado; floculante, en forma de panal, monograno; floculado, desfloculado; estratificado, estratificado, laminado; isotrópico y anisotrópico.
- Condiciones de carga : Trayectoria de tensión efectiva -drenada, no drenada y tipo de carga- magnitud, velocidad (estática, dinámica) e historial de tiempo (monótona, cíclica).
Aplicaciones
Presión de tierra lateral
La teoría de la tensión lateral de la tierra se utiliza para estimar la cantidad de tensión que el suelo puede ejercer perpendicularmente a la gravedad. Este es el estrés que se ejerce sobre los muros de contención . Un coeficiente de esfuerzo lateral de la tierra, K, se define como la relación entre el esfuerzo efectivo lateral (horizontal) y el esfuerzo efectivo vertical para suelos sin cohesión (K = σ ' h / σ' v ). Hay tres coeficientes: en reposo, activo y pasivo. La tensión en reposo es la tensión lateral en el suelo antes de que se produzca cualquier perturbación. El estado de tensión activa se alcanza cuando un muro se aleja del suelo bajo la influencia de la tensión lateral y es el resultado de una falla por corte debido a la reducción de la tensión lateral. El estado de tensión pasiva se alcanza cuando una pared se empuja hacia el suelo lo suficiente como para provocar una falla por corte dentro de la masa debido al aumento de la tensión lateral. Existen muchas teorías para estimar la tensión lateral de la tierra; algunos tienen una base empírica y otros se derivan analíticamente.
Capacidad de soporte
La capacidad de carga del suelo es el esfuerzo de contacto promedio entre una base y el suelo que causará fallas por cizallamiento en el suelo. La tensión de carga admisible es la capacidad de carga dividida por un factor de seguridad. A veces, en sitios de suelo blando, pueden ocurrir grandes asentamientos bajo cimientos cargados sin que ocurra una falla por cizallamiento real; en tales casos, la tensión de apoyo permisible se determina con respecto al asentamiento máximo permisible. Es importante durante la etapa de construcción y diseño de un proyecto evaluar la resistencia de la subrasante. La prueba California Bearing Ratio (CBR) se usa comúnmente para determinar la idoneidad de un suelo como subrasante para el diseño y la construcción. La prueba de carga de placa de campo se usa comúnmente para predecir las deformaciones y las características de falla del suelo / subrasante y el módulo de reacción de la subrasante (ks). El módulo de reacción de la subrasante (ks) se utiliza en el diseño de cimientos, estudios de interacción suelo-estructura y diseño de pavimentos de carreteras. [ cita requerida ]
Estabilidad de taludes
El campo de la estabilidad de taludes abarca el análisis de la estabilidad estática y dinámica de taludes de tierra y presas de relleno de roca, taludes de otros tipos de terraplenes, taludes excavados y taludes naturales en suelo y roca blanda. [24]
Como se ve a la derecha, las pendientes de tierra pueden desarrollar una zona de debilidad de corte esférico. La probabilidad de que esto suceda se puede calcular de antemano utilizando un sencillo paquete de análisis circular 2-D ... [25] Una dificultad principal con el análisis es localizar el plano de deslizamiento más probable para cualquier situación dada. [26] Muchos deslizamientos de tierra se han analizado solo después de los hechos.
Desarrollos recientes
Un hallazgo reciente en la mecánica del suelo es que la deformación del suelo se puede describir como el comportamiento de un sistema dinámico . Este enfoque de la mecánica del suelo se conoce como Mecánica del suelo basada en sistemas dinámicos (DSSM). DSSM sostiene simplemente que la deformación del suelo es un proceso de Poisson en el que las partículas se mueven a su posición final con deformaciones cortantes aleatorias.
La base de DSSM es que los suelos (incluidas las arenas) pueden cortarse hasta que alcanzan una condición de estado estable en el que, en condiciones de velocidad de deformación constante, no hay cambios en el esfuerzo cortante, el esfuerzo de confinamiento efectivo y la relación de vacíos. El estado estacionario fue definido formalmente [27] por Steve J. Poulos , profesor asociado del Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad de Harvard, quien construyó una hipótesis que Arthur Casagrande estaba formulando hacia el final de su carrera. La condición de estado estable no es la misma que la condición de "estado crítico". Se diferencia del estado crítico en que especifica una estructura estadísticamente constante en el estado estacionario. Los valores de estado estacionario también dependen muy ligeramente de la tasa de deformación.
Muchos sistemas en la naturaleza alcanzan estados estacionarios y la teoría de sistemas dinámicos se usa para describir tales sistemas. La cizalladura del suelo también se puede describir como un sistema dinámico. [28] [29] La base física del sistema dinámico de cizallamiento del suelo es un proceso de Poisson en el que las partículas se mueven al estado estacionario con deformaciones de cizallamiento aleatorias. [30] Joseph [31] generalizó esto: las partículas se mueven a su posición final (no solo al estado estable) con deformaciones de corte aleatorias. Debido a sus orígenes en el concepto de estado estacionario, el DSSM a veces se denomina informalmente "mecánica del suelo de Harvard".
DSSM proporciona ajustes muy cercanos a las curvas de tensión-deformación, incluso para arenas. Debido a que rastrea las condiciones en el plano de falla, también proporciona ajustes cercanos para la región posterior a la falla de arcillas y limos sensibles, algo que otras teorías no pueden hacer. Además, el DSSM explica las relaciones clave en la mecánica del suelo que hasta la fecha simplemente se han dado por sentado, por ejemplo, por qué las resistencias máximas al corte sin drenaje normalizadas varían con el logaritmo de la relación de sobreconsolidación y por qué las curvas de tensión-deformación se normalizan con la tensión de confinamiento efectiva inicial; y por qué en la consolidación unidimensional la relación de vacíos debe variar con el logaritmo de la tensión vertical efectiva, por qué el final de la curva primaria es única para los incrementos de carga estática y por qué la relación entre el valor de fluencia Cα y el índice de compresión Cc debe ser aproximadamente constante para una amplia gama de suelos. [32]
Ver también
- Mecánica de suelos en estado crítico
- Ingeniería Sísmica
- Ingeniería Geológica
- Modelado de centrífugas geotécnicas
- Ingeniería geotécnica
- Ingeniería geotécnica (Offshore)
- Geotecnia
- Hidrogeología , características del acuífero estrechamente relacionadas con las características del suelo.
- Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica
- Mecánica de rocas
- Análisis de estabilidad de taludes
Referencias
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