En mecánica de suelos , la dilatancia es el cambio de volumen que se observa en los materiales granulares cuando son sometidos a deformaciones por cortante . [1] [2] Este efecto fue descrito científicamente por primera vez por Osborne Reynolds en 1885/1886 [3] [4] y también se conoce como dilatancia de Reynolds . Fue introducido en el campo de la ingeniería geotécnica por Peter Walter Rowe [Delaware] . [5]
A diferencia de la mayoría de los otros materiales sólidos, la tendencia de un material granular denso compactado es dilatarse (expandir su volumen) a medida que se corta. Esto ocurre porque los granos en estado compactado están entrelazados y por lo tanto no tienen libertad para moverse unos alrededor de otros. Cuando se aplica 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 el efecto de corte. Una muestra de un material se llama dilatativa si su volumen aumenta al aumentar el corte y contractiva si el volumen disminuye al aumentar el corte. [6] [7]
La dilatancia es una característica común de suelos y arenas . Su efecto se puede ver cuando la arena mojada 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 fenómeno de dilatancia se puede observar en un ensayo de corte simple drenado sobre 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 volumétrica bajo corte. También se ha observado que el ángulo de fricción interna disminuye a medida que disminuye la tensión normal efectiva . [8]
La relación entre dilatación y 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. Un modelo de este tipo 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.
Debido a la dilatancia, el ángulo de fricción aumenta a medida que aumenta el confinamiento hasta alcanzar un valor máximo. Una vez movilizada la fuerza máxima del suelo, el ángulo de fricción disminuye abruptamente. Como resultado, la ingeniería geotécnica de taludes, cimientos, túneles y pilotes en dichos suelos debe considerar la posible disminución de la resistencia después de que la resistencia del suelo alcanza este valor máximo.
Los limos con una clasificación deficiente o uniforme, desde trazas de arena hasta arena no plástica, pueden estar asociados con desafíos durante la construcción, incluso cuando son duros. Estos materiales a menudo parecen 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 densos de suelo arenoso, en parte debido a la succión matricial. Sin embargo, a medida que se produce un corte del suelo en la cuña activa debido a las fuerzas de gravedad, se pierde resistencia y la tasa de falla se acelera. Esto puede verse exacerbado por fuerzas hidrostáticas que se desarrollan en los lugares donde el agua (drenaje hacia y) se acumula en grietas de tensión en o cerca de la parte posterior de la cuña activa. Generalmente se manifiesta un desconchado regresivo, a menudo acompañado de erosión interna o de tuberías. El uso de filtros adecuados es fundamental para el manejo de estos materiales; un filtro preferido podría ser grava transparente/arena de grano grueso de tamaño n.º 4 como agregado comercial que generalmente está disponible. También son adecuadas algunas telas filtrantes no tejidas. Como ocurre con todos los filtros, se deben comprobar los criterios de compatibilidad D15 y D50.
Después de un cizallamiento extenso, los materiales en dilatación llegan a un estado de densidad crítica donde la dilatación ha llegado a su fin. Este fenómeno del comportamiento del suelo se puede incluir en el modelo de endurecimiento del suelo mediante un corte de dilatancia. Para especificar este comportamiento, se deben introducir como parámetros generales la relación de huecos inicial, , y la relación de huecos máxima, , del material. Tan pronto como el cambio de volumen da como resultado un estado de vacío máximo, el ángulo de dilatancia movilizado, , vuelve automáticamente a cero. [9]
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