La tensión efectiva se puede definir como la tensión, dependiendo de la tensión aplicada y la presión de poro , 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 aplicado sobre un cuerpo poroso seco (es decir, en ) proporciona el mismo comportamiento de deformación o resistencia que se observa en ≠ 0. [1] En el caso de medios granulares, puede verse como una fuerza que mantiene rígido un conjunto de partículas . Generalmente esto se aplica a arena , tierra o grava , así como a todo tipo de roca y otros materiales porosos como concreto, polvos metálicos, tejidos biológicos, etc. [1] La utilidad de una formulación apropiada de ESP consiste en permitir evaluar la Comportamiento de un cuerpo poroso para cualquier valor de presión de poro basándose en experimentos con muestras secas (es decir, realizados a presión de poro cero).
Karl von Terzaghi propuso por primera vez la relación para la tensión efectiva en 1925. [2] [3] [4] Para él, el término "efectiva" significaba la tensión calculada que era efectiva para mover el suelo o provocar desplazamientos. A menudo se ha interpretado como la tensión promedio soportada por el esqueleto del suelo. [5] Posteriormente, se han propuesto diferentes formulaciones para el estrés efectivo. Maurice Biot desarrolló plenamente la teoría de la consolidación del suelo tridimensional , ampliando el modelo unidimensional previamente desarrollado por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de la Poroelasticidad . Alec Skempton en su trabajo de 1960, [5] ha realizado una extensa revisión de 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 La expresión fue adecuada según varias hipótesis de trabajo, como comportamiento tensión-deformación o resistencia, medios saturados o no saturados, comportamiento roca/hormigón o suelo, etc.
En 1962, el trabajo de Jeremiah Jennings y John Burland examinó la aplicabilidad del principio de tensión efectiva de Terzaghi a suelos parcialmente saturados . [6] A través de una serie de experimentos realizados en la Universidad de Witwatersrand , incluidas pruebas de edómetro y compresión en varios tipos de suelo, demostraron que comportamientos como los cambios de volumen y la resistencia al corte en suelos parcialmente saturados no se alinean con las predicciones basadas en la tensión efectiva. cambios solos. Sus hallazgos mostraron que los cambios estructurales debidos a deficiencias de presión se comportan de manera diferente a los cambios debidos a la tensión aplicada. [7] [8] [9] [6]
La tensión efectiva (σ') que actúa sobre un suelo se calcula a partir de dos parámetros, la tensión total (σ) y la presión de agua intersticial (u) según:
Normalmente, para ejemplos simples
Al igual que el concepto de tensión en sí, la fórmula es una construcción para visualizar más fácilmente 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. [10] Con estos modelos, es importante conocer el peso total del suelo encima (incluida el agua) y la presión del agua de los poros dentro del plano de deslizamiento, suponiendo que actúa como una capa confinada. [ cita necesaria ]
Sin embargo, la fórmula se vuelve confusa cuando se considera el verdadero comportamiento de las partículas del suelo bajo diferentes condiciones mensurables, ya que ninguno de los parámetros es realmente actor independiente sobre las partículas. [ cita necesaria ]
Considere un grupo de granos redondos de arena de cuarzo , apilados sin apretar, en una disposición clásica de "bala de cañón". Como puede verse, existe una tensión de contacto donde las esferas realmente se tocan. Si se acumulan más esferas, las tensiones de contacto aumentan, hasta el punto de provocar inestabilidad por fricción ( fricción dinámica ) y tal vez falla. El parámetro independiente que afecta a los contactos (tanto normales como de corte) 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 necesaria ]
Si luego tenemos estas esferas en un vaso de precipitados y añadimos un poco de agua, empezarán 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 sobre las esferas disminuye a medida que el vaso se llena hasta la parte superior de las esferas, pero nada cambia si se agrega más agua. Aunque la presión del agua entre las esferas (presión del agua intersticial) aumenta, la tensión efectiva sigue siendo la misma, porque el concepto de "tensión total" incluye el peso de toda el agua que se encuentra encima. 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 que se encuentra encima. [ cita necesaria ]
El concepto de tensión efectiva se vuelve realmente interesante cuando se trata de presión de agua intersticial no hidrostática . En condiciones de 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 retirar) 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 de suelo se debilita. Si se extrae agua, las esferas se juntan y la tensión efectiva aumenta. [11]
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", [12] donde el drenaje del agua y la acción capilar actúan fortaleciendo la arena. Además, la tensión efectiva juega un papel importante en la estabilidad de taludes y otros problemas de ingeniería geotécnica y geología de la ingeniería , como el hundimiento relacionado con el agua subterránea .
