La tensión efectiva puede definirse 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 se aplica 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 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 apropiada consiste en permitir evaluar el comportamiento de un cuerpo poroso para cualquier valor de presión de poro sobre la base de experimentos que involucran 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 "eficaz" significaba la tensión calculada que era efectiva para mover el suelo o causar desplazamientos. A menudo se ha interpretado como la tensión media soportada por el esqueleto del suelo. [5] Posteriormente, se han propuesto diferentes formulaciones para la tensión efectiva. Maurice Biot desarrolló plenamente la teoría tridimensional de consolidación del suelo , extendiendo el modelo unidimensional desarrollado previamente por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de Poroelasticidad . Alec Skempton en su trabajo de 1960, [5] ha llevado a cabo una extensa revisión de las formulaciones disponibles y los datos experimentales en la literatura sobre la tensión efectiva válida en suelo, hormigón y roca, con el fin de rechazar algunas de estas expresiones, así como aclarar qué expresión era la adecuada según varias hipótesis de trabajo, como el 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 , que incluyeron pruebas de compresión y edómetro 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 únicamente en cambios de tensión efectiva. 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 del agua intersticial (u) de acuerdo con:
Por lo general, para ejemplos sencillos
Al igual que el concepto de estrés en sí, la fórmula es una construcción para una visualización más sencilla de las fuerzas que actúan sobre una masa de suelo, especialmente modelos de análisis simples para la estabilidad de pendientes , que involucran un plano de deslizamiento. [10] Con estos modelos, es importante conocer el peso total del suelo por encima (incluido el agua) y la presión del agua intersticial dentro del plano de deslizamiento, asumiendo que actúa como una capa confinada. [ cita requerida ]
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 en realidad un actor independiente de las partículas. [ cita requerida ]
Consideremos una agrupación de granos de arena de cuarzo redondos , apilados de forma suelta, en una disposición clásica de "bala de cañón". Como se puede ver, hay una tensión de contacto donde las esferas realmente se tocan. Si se apilan más esferas, las tensiones de contacto aumentan, hasta el punto de causar inestabilidad por fricción ( fricción dinámica ) y quizás una falla. El parámetro independiente que afecta los contactos (tanto normal como de corte) es la fuerza de las esferas que se encuentran por encima. Esto se puede calcular utilizando la densidad promedio general de las esferas y la altura de las esferas que se encuentran por encima. [ cita requerida ]
Si colocamos 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 de suelo natural, el efecto puede ser significativo, como puede atestiguar cualquiera que haya sacado una gran roca de un lago. La tensión de contacto sobre las esferas disminuye a medida que el vaso de precipitados se llena hasta el borde de las esferas, pero luego nada cambia si se añade 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 hay por encima. Aquí es donde la ecuación puede volverse confusa, y la tensión efectiva se puede calcular utilizando la densidad de flotabilidad de las esferas (suelo) y la altura del suelo que se encuentra por encima. [ cita requerida ]
El concepto de tensión efectiva se vuelve verdaderamente interesante cuando se trata de la presión de poro no hidrostática del agua. Bajo las condiciones de un gradiente de presión de poro, el agua subterránea fluye, de acuerdo con 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 lo tanto, la masa del suelo se debilita. Si se retira agua, las esferas se juntan y la tensión efectiva aumenta. [11]
Dos extremos de este efecto son las arenas movedizas , donde el gradiente de agua subterránea y la fuerza de filtración actúan contra la gravedad ; y el "efecto castillo de arena", [12] donde el drenaje de agua y la acción capilar actúan para fortalecer la arena. Además, la tensión efectiva juega un papel importante en la estabilidad de pendientes y otros problemas de ingeniería geotécnica y geología de ingeniería , como el hundimiento relacionado con las aguas subterráneas .
