La mecánica de suelos es una rama de la física de suelos y de la mecánica aplicada que describe el comportamiento de los suelos . Se diferencia de la mecánica de fluidos y de 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 de suelos proporciona la base teórica para el análisis en ingeniería geotécnica , [5] una subdisciplina de la ingeniería civil , y en ingeniería geológica , una subdisciplina de la geología . La mecánica de suelos se utiliza para analizar las deformaciones y el flujo de fluidos dentro de estructuras naturales y artificiales que están apoyadas sobre el suelo o hechas de él, 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 de suelos 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 de los poros y la tensión efectiva 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 conocidos como consolidación , resistencia al corte y rigidez de los suelos. La resistencia al corte 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 de suelos, como la estabilidad de taludes, la presión lateral del suelo en muros de contención y la capacidad portante de cimientos.
El principal mecanismo de creación del suelo es la erosión de la roca. Todos los tipos de rocas ( roca ígnea , roca metamórfica y roca sedimentaria ) pueden descomponerse en pequeñas partículas para crear suelo. Los mecanismos de erosión son la erosión física, la erosión química y la erosión biológica [1] [2] [3] Las actividades humanas como la excavación, las voladuras y la eliminación de desechos también pueden crear suelo. A lo largo del tiempo geológico, los suelos profundamente enterrados pueden ser 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 temperatura, congelación y descongelación del agua en grietas, lluvia, viento, impactos 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 mediante la erosión 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 fragmentos de roca de tamaño comprendido entre 4,75 mm y 100 mm. Las partículas más grandes que la grava se llaman adoquines y cantos rodados. [1] [2]
Los depósitos del suelo se ven afectados por el mecanismo de transporte y deposición hasta 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 dependiendo 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 depositarse 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, además de tierra; Los suelos que caen al derretirse el hielo pueden ser una mezcla bien graduada de tamaños de partículas muy variables. La gravedad por sí sola también puede transportar partículas desde la cima de una montaña para formar un montón de tierra y rocas en la base; Los depósitos del suelo transportados por gravedad se denominan coluviones . [1] [2]
El mecanismo de transporte también tiene un efecto importante sobre 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.
Los limos, arenas y gravas se clasifican según su tamaño y, por lo tanto, pueden estar compuestos de 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 la montmorillonita o esmectita , la illita y la 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 espesor 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 arcillosos suelen tener superficies específicas en el rango de 10 a 1000 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, el sodio, el potasio, el magnesio y el carbono, constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de los suelos. [1]
Los suelos están formados por 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 los granos y la distribución del tamaño de los granos se utilizan para clasificar los suelos. La distribución del tamaño de grano describe las proporciones relativas de partículas de distintos tamaños. El tamaño de grano a menudo se visualiza en un gráfico de distribución acumulativa que, por ejemplo, representa el porcentaje de partículas más finas que un tamaño determinado en función del tamaño. El tamaño de grano medio, es el tamaño para el cual el 50% de la masa de partículas está formada por partículas más finas. El comportamiento del suelo, especialmente la conductividad hidráulica , tiende a estar dominado por las partículas más pequeñas, de ahí que el término "tamaño efectivo", denotado por , se define como el tamaño para el cual el 10% de la masa de partículas está formado por partículas más finas.
Las arenas y gravas que poseen una amplia gama de tamaños de partículas con una distribución suave de tamaños de partículas se denominan suelos bien graduados . Si las partículas de suelo en una muestra se encuentran predominantemente en un rango de tamaños relativamente estrecho, la muestra está clasificada de manera uniforme . Si una muestra de suelo tiene espacios distintos en la curva de gradación, por ejemplo, una mezcla de grava y arena fina, sin arena gruesa, la muestra puede clasificarse con espacios . Tanto los suelos uniformemente graduados como los clasificados en espacios abiertos se consideran mal clasificados . Existen muchos métodos para medir la distribución del tamaño de partículas . Los dos métodos tradicionales son el análisis de tamiz y el análisis hidrómetro.
La distribución del tamaño de las partículas de grava y arena normalmente se mide mediante análisis de tamiz. 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 descompuestos 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 por 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 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 disponible una variedad de tamaños de tamiz. El límite entre arena y limo es arbitrario. Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos , un tamiz n.° 4 (4 aberturas por pulgada) con un tamaño de abertura de 4,75 mm separa la arena de la grava y un tamiz n.° 200 con una abertura de 0,075 mm separa la arena del limo y la arcilla. Según el estándar británico, 0,063 mm es el límite entre arena y limo y 2 mm es el límite entre arena y grava. [3]
La clasificación de suelos de grano fino, es decir, suelos que son 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 del 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 nunca sedimentarse porque se mantienen en suspensión mediante el movimiento browniano , en cuyo caso pueden clasificarse como coloides .
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 representan los volúmenes de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representan los pesos de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representan las masas de aire, agua y sólidos en una mezcla de suelo;
, , y representan las densidades de los constituyentes (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 los sólidos ,
Tenga en cuenta que el peso específico , convencionalmente indicado por el símbolo, se puede obtener multiplicando la densidad ( ) de un material por la aceleración de 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 y sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos (se supone que la masa de aire es cero a efectos prácticos):
Densidad Seca , , es la masa de sólidos dividida por el volumen total de aire, agua y sólidos:
La Densidad Flotante , definida como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua, es útil si el suelo está sumergido bajo el agua:
donde esta 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 de suelo, secándola en un horno y volviéndola a pesar. Los procedimientos estándar están descritos por ASTM.
La relación de huecos , es la relación entre el volumen de huecos y el volumen de sólidos:
La porosidad ,es la relación entre el volumen de los huecos y el volumen total, y está relacionada con la relación de los huecos:
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.
Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas del suelo realizando pruebas en muestras de suelo alteradas (secadas, 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 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 una estructura que soporta carga, así como el tamaño de los poros. y distribuciones de fluidos de poros. Los geólogos ingenieros también clasifican los suelos según su génesis e historia de depósito.
En EE. UU. y otros países, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) se utiliza a menudo para la clasificación de suelos. Otros sistemas de clasificación incluyen la norma británica BS 5930 y el sistema de clasificación de suelos AASHTO . [3]
En el USCS, las gravas (con el símbolo G ) y las arenas (con el símbolo S ) se clasifican según su distribución de tamaño de grano. 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 .
Las arcillas y los limos, a menudo llamados "suelos de grano fino", se clasifican según sus límites de Atterberg ; Los límites de Atterberg más utilizados son el límite líquido (indicado por LL o ), el límite plástico (indicado por PL o ) y el límite de contracción (indicado por SL ).
El límite líquido es el contenido de agua en el que el comportamiento del suelo pasa de un sólido plástico a un líquido. El límite plástico es el contenido de agua en el que el comportamiento del suelo pasa de ser un sólido plástico a un sólido frágil. 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 proporcionalmente al contenido de agua del 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 líquido se determina midiendo el contenido de agua para el cual 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 líquido. La resistencia al corte no drenado del suelo remodelado en el límite líquido es de aproximadamente 2 kPa. [4] [10] El límite plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible enrollar manualmente la tierra en cilindros de 3 mm de diámetro. El suelo se agrieta o se rompe a medida que se lamina hasta este diámetro. El suelo remodelado en el límite plástico es bastante rígido y tiene una resistencia al corte no drenado del orden de aproximadamente 200 kPa. [4] [10]
El Índice de Plasticidad de una muestra de suelo 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 del 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.
Según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), los limos y las arcillas se clasifican trazando los valores de su índice de plasticidad y límite líquido en una tabla de plasticidad. La línea A en el gráfico separa las arcillas (dado el símbolo C del USCS ) de los limos (dado el símbolo M ). LL=50% separa suelos de alta plasticidad (dado el símbolo modificador H ) de 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 se ubican en la región "rayada" del gráfico cerca del origen, los suelos reciben la clasificación dual 'CL-ML'.
Los efectos del contenido de agua sobre la resistencia de suelos saturados remodelados pueden cuantificarse mediante el uso del índice de liquidez , LI :
Cuando el LI es 1, el suelo remodelado está en el límite líquido y tiene una resistencia al corte no drenado de aproximadamente 2 kPa. Cuando el suelo está en el límite plástico , el LI es 0 y la resistencia al corte no drenado es de aproximadamente 200 kPa. [4] [11]
La densidad de las arenas (suelos sin cohesión) a menudo se caracteriza por la densidad relativa,
donde: es la "relación de vacíos máxima" correspondiente a un estado muy suelto, es la "relación de vacíos mínima" 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 si la arena o grava es muy densa y si el suelo es extremadamente suelto e inestable.
Si las presiones de los fluidos en un depósito de suelo aumentan uniformemente con la profundidad, entonces prevalecerán las condiciones hidrostáticas y los fluidos no fluirán a través del suelo. es la profundidad debajo del nivel freático. Sin embargo, si el nivel freático está inclinado o hay un nivel freático elevado como se indica en el dibujo adjunto, entonces se producirá filtración . Para una filtración en estado estacionario, las velocidades de filtración no varían con el tiempo. Si los niveles freáticos cambian con el tiempo, o si el suelo está en proceso de consolidación, entonces no se aplican las condiciones de estado estacionario.
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 (que tiene unidades de volumen por tiempo, por ejemplo, pies 3 /s o m 3 /s), es proporcional a la permeabilidad intrínseca , el área de la sección transversal, y la tasa de cambio de presión de poro con la distancia, y 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 la 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 que el punto a, la ecuación no funcionaría. El efecto de elevación se explica reemplazando la presión de poro por un exceso de presión de poro , definido como:
¿Dónde está la profundidad medida a partir de una referencia de elevación arbitraria ( datum )? Reemplazando 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:
donde tiene unidades de velocidad y se llama velocidad de Darcy (o velocidad de descarga específica , velocidad de filtración o velocidad superficial ). La velocidad de poro o intersticial es la velocidad promedio de las moléculas de fluido en los poros; se relaciona con la velocidad de Darcy y la porosidad a 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 terrestre). Para esta clase de problemas, los ingenieros civiles suelen escribir la ley de Darcy en una forma mucho más simple: [4] [6] [15]
donde 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 altura total en un punto se define como la altura (medida en relación con el punto de referencia) a la que subiría el agua en un piezómetro en ese punto. La altura total está relacionada con el exceso de presión del agua mediante:
y es cero si el punto de referencia para la medición de la altura se elige a la misma elevación que el origen de la profundidad, z utilizada para calcular .
Los valores de conductividad hidráulica, pueden variar en muchos órdenes de magnitud dependiendo del tipo de suelo. Las arcillas pueden tener una conductividad hidráulica tan pequeña como aproximadamente , las gravas pueden tener una conductividad hidráulica de hasta aproximadamente . Las capas, la heterogeneidad y las perturbaciones durante el proceso de muestreo y prueba hacen que la medición precisa de la conductividad hidráulica del suelo sea un problema muy difícil. [4]
La Ley de Darcy se aplica en una, dos o tres dimensiones. [3] En dos o tres dimensiones, la filtración en estado estacionario se describe mediante la ecuación de Laplace . Hay programas de computadora disponibles para resolver esta ecuación. Pero tradicionalmente los problemas de filtración bidimensional se resolvían 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 utilizar redes de flujo para estimar la cantidad de filtración debajo de presas y pilotes de láminas .
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 vertical hacia arriba es una fuente de peligro en el lado aguas abajo de Tablestacas y debajo de la base de una presa o dique. La erosión del suelo, conocida como "tubería de suelo", puede provocar el fallo de la estructura y la formación de sumideros . El agua que se filtra elimina el suelo, comenzando desde el punto de salida de la filtración, y la erosión avanza cuesta arriba. [17] El término "hervor de arena" se utiliza para describir la apariencia del extremo de descarga de una tubería de suelo activo. [18]
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 vertical efectiva se vuelve cero dentro de la capa cuando el gradiente hidráulico ascendente es igual al gradiente crítico. [15] Con una tensión efectiva cero, el suelo tiene muy poca resistencia y las capas de suelo relativamente impermeables pueden levantarse debido a las presiones del agua subyacente. La pérdida de resistencia debido a la filtración hacia arriba es un factor común que contribuye a las fallas de los diques. La condición de tensión efectiva cero asociada con la filtración hacia arriba también se llama licuefacción , arenas movedizas o condición de ebullición. Las arenas movedizas recibieron ese nombre porque las partículas del suelo se mueven y parecen estar "vivas" (el significado bíblico de "rápido", en contraposición a "muerto"). (Tenga en cuenta que no es posible ser "succionado" por las arenas movedizas. Por el contrario, flotaría con aproximadamente la mitad de su cuerpo fuera del agua.) [19]
Para comprender la mecánica de los suelos es necesario comprender cómo las diferentes fases comparten las tensiones normales y las tensiones 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 el contrario, son compartidas por el fluido y las partículas. [7] Aunque el aire de los poros es relativamente comprimible y, por lo tanto, requiere poca tensión normal en la mayoría de los problemas geotécnicos, el agua líquida es relativamente incompresible y si los huecos están saturados con agua, el agua de los poros debe exprimirse para compactar las partículas. juntos.
El principio de tensión efectiva, introducido por Karl Terzaghi , establece que la tensión efectiva σ' (es decir, la tensión intergranular promedio entre partículas sólidas) se puede calcular mediante una simple resta de la presión de poro de la tensión total:
donde σ es la tensión total y u es la presión de poro. No es práctico medir σ' directamente, por lo que en la práctica la tensión vertical efectiva se calcula a partir de la presión de poros y la tensión vertical total. 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 cual es diferente de la convención de signos de la mecánica de sólidos para la tensión.
Para condiciones de terreno nivelado, la tensión vertical total en un punto, en promedio, es el peso de todo lo que está encima de ese punto por unidad de área. La tensión vertical debajo de una capa superficial uniforme con densidad y espesor es, por ejemplo:
donde es la aceleración debida a la gravedad y es el peso unitario de la capa suprayacente. Si hay múltiples capas de suelo o agua sobre el 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 del suelo se abordan en otra parte.
Si no hay flujo de agua de los poros en el suelo, las presiones del agua de los poros serán hidrostáticas . El nivel freático se encuentra a una profundidad donde la presión del agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión del agua aumenta linealmente con la profundidad debajo del nivel freático:
donde es la densidad del agua y es la profundidad debajo del nivel freático.
Debido a la tensión superficial, el agua ascenderá en un pequeño tubo capilar sobre 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 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 tenga en cuenta que es negativa por encima del nivel freático. Por lo tanto, las presiones hidrostáticas del agua son negativas por encima del nivel freático. El espesor de la zona de saturación capilar depende del tamaño de los poros, pero normalmente, las alturas varían entre aproximadamente 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 uniformemente distribuidos 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 drena de un castillo de arena húmedo o de una bola de arcilla húmeda. Las presiones negativas del agua 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 húmeda se sumerge bajo una superficie de agua libre, las presiones negativas se pierden y el castillo se derrumba. Considerando la ecuación de la 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 junta las partículas y provoca fuerzas de compresión entre partículas. Las presiones de poros negativas en suelos arcillosos pueden ser mucho más poderosas que las de arena. Las presiones de poro negativas explican por qué los suelos arcillosos se encogen cuando se secan y se hinchan cuando se humedecen. La hinchazón y la contracción pueden causar daños importantes, especialmente a las estructuras ligeras y a las carreteras. [15]
Secciones posteriores de este artículo abordan las presiones de agua de poro para problemas de filtración y consolidación.
La consolidación es un proceso por el cual los suelos disminuyen de volumen. Ocurre cuando se aplica tensión a un suelo que hace que las partículas del suelo se apiñen más, reduciendo así el volumen. Cuando esto ocurre en un suelo que está saturado con agua, el agua saldrá del suelo. El tiempo necesario para exprimir el agua de un depósito grueso de capa de suelo arcilloso puede ser de años. En el caso de una capa de arena, el agua se puede exprimir 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 daños al edificio o al terraplén. Karl Terzaghi desarrolló la teoría de la consolidación unidimensional que permite predecir la cantidad de asentamiento y el tiempo necesario para que se produzca el asentamiento. [21] Posteriormente, Maurice Biot desarrolló plenamente la teoría de consolidación tridimensional 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 una prueba de edómetro para determinar su índice de compresión y coeficiente de consolidación.
Cuando se elimina la tensión de un suelo consolidado, el suelo rebotará, atrayendo agua hacia los poros y recuperando 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 posteriormente se ha descargado se considera sobreconsolidado . La tensión vertical efectiva pasada máxima se denomina tensión de preconsolidación . Un suelo que actualmente está experimentando la tensión vertical efectiva pasada máxima se dice que 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 de un suelo normalmente consolidado es significativamente mayor que la del suelo sobreconsolidado, y en segundo lugar, el comportamiento de corte y la dilatancia del suelo arcilloso están relacionados con el OCR a través de la mecánica del suelo en estado crítico ; Los suelos arcillosos muy sobreconsolidados son dilatantes, mientras que los suelos normalmente consolidados tienden a ser contractivos. [2] [3] [4]
La resistencia al corte y la rigidez del suelo determinan 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 hundirse demasiado en el suelo y las presiones limitantes sobre un muro de contención. Es importante distinguir entre falla de un elemento del suelo y falla de una estructura geotécnica (por ejemplo, los cimientos de un edificio, un talud o un muro de contención); Algunos elementos del suelo pueden alcanzar su resistencia máxima antes de que falle la estructura. Se pueden utilizar diferentes criterios para definir la "resistencia al corte" y el " límite elástico " de un elemento de suelo a partir de una curva tensión-deformación . Se puede definir la resistencia al corte máxima como el pico de una curva tensión-deformación, o la resistencia al corte en estado crítico como el valor después de grandes deformaciones cuando la resistencia al corte se estabiliza. Si la curva tensión-deformación no se estabiliza antes del final de la prueba de resistencia al corte, a veces se considera que la "resistencia" es la resistencia al corte con una deformación del 15 al 20%. [15] La resistencia al corte del suelo depende de muchos factores, incluida la tensión efectiva y la relación de vacíos.
La rigidez al corte es importante, por ejemplo, para la evaluación de la magnitud de las deformaciones de cimientos y taludes 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 de corte.
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 que están fuertemente cementadas entre sí mediante 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 lo tanto, el ángulo de fricción interna está estrechamente relacionado con el ángulo máximo de pendiente estable, a menudo llamado ángulo de reposo.
Pero además de la fricción, el suelo obtiene una importante resistencia al corte gracias al entrelazamiento de los granos. Si los granos están densamente empaquetados, tienden a separarse unos de otros ya que están sujetos a tensiones de cizallamiento. Osborne Reynolds denominó dilatancia a la expansión de la matriz de partículas debido al cizallamiento . [11] Si se considera la energía requerida para cortar un conjunto de partículas, hay una entrada de energía por la fuerza de corte, T, moviéndose una distancia, x y también hay una entrada de energía por 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 de suelo dilatados 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 alcanzar una proporción de vacíos crítica.
La tendencia de un suelo a dilatarse o contraerse depende principalmente de la presión de confinamiento y la proporción de vacíos del suelo. La velocidad de dilatación es alta si la presión de confinamiento es pequeña y la proporción 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.
Después de que un suelo alcanza el estado crítico, ya no se contrae ni se dilata y el esfuerzo cortante en el plano de falla está determinado por el esfuerzo normal efectivo en el plano de falla y el ángulo de fricción en el estado crítico :
Sin embargo, la resistencia máxima del suelo puede ser mayor debido a la contribución del entrelazamiento (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 cimentación, una pendiente o un muro de contención. El ángulo de fricción en estado crítico no es tan variable como el ángulo de fricción máximo y, por lo tanto, se puede confiar en él con confianza. [3] [4] [11]
Sin reconocer la importancia de la dilatancia, Coulomb propuso que la resistencia al corte del suelo puede expresarse como una combinación de componentes de adhesión y fricción: [11]
Ahora se sabe que los parámetros y de la última ecuación no son propiedades fundamentales del suelo. [3] [6] [11] [22] En particular, y son diferentes según la magnitud de la tensión efectiva. [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 puede llevar a una sobreestimación de las resistencias máximas. [3] [22]
Además de los componentes de resistencia de fricción y entrelazamiento (dilatación), la estructura y el tejido también juegan un papel importante en el comportamiento del suelo. La estructura y el tejido incluyen factores tales como el espaciado y 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 entre partículas. 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, agua y huecos de aire). Otros factores incluyen la carga eléctrica de las partículas, la química del agua de los poros, los enlaces químicos (es decir, cementación: partículas conectadas a través de una sustancia sólida como el carbonato de calcio recristalizado) [1] [22]
La presencia de fluidos casi incompresibles , como el agua, en los espacios porosos afecta la capacidad de los poros para dilatarse o contraerse.
Si los poros están saturados con agua, se debe aspirar agua hacia los espacios de los poros que se dilatan para llenar los poros que se expanden (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, se debe exprimir el agua de los espacios porosos para permitir que se produzca la contracción.
La dilatación de los huecos provoca presiones de agua negativas que atraen líquido hacia los poros, y la contracción de los huecos provoca presiones positivas de los poros que empujan el agua fuera de los poros. Si la velocidad de corte es muy grande en comparación con la velocidad a la que el agua puede ser succionada o expulsada de los espacios porosos que se dilatan o contraen, entonces el corte se llama corte no drenado , si el corte es lo suficientemente lento como para que las presiones del agua sean insignificantes. el corte se llama corte escurrido . Durante el corte no drenado, la presión del agua u cambia dependiendo de las tendencias de cambio de volumen. De la ecuación de la tensión efectiva, el cambio en u afecta directamente la tensión efectiva mediante la ecuación:
y la fuerza es muy sensible al estrés efectivo. De ello se deduce entonces que la resistencia al corte no drenado de un suelo puede ser menor o mayor que la resistencia al corte drenado dependiendo de si el suelo es contractivo o dilatativo.
Los parámetros de resistencia se pueden medir en el laboratorio mediante la prueba de corte directo , la prueba de corte triaxial , la prueba de corte simple, la prueba de cono de caída y la prueba de paleta de corte (manual) ; Existen muchos otros dispositivos y variaciones de estos dispositivos que se utilizan en la práctica hoy en día. Las pruebas realizadas para caracterizar la resistencia y rigidez de los suelos en el terreno incluyen la prueba de penetración de cono y la prueba de penetración estándar .
La relación tensión-deformación de los suelos y, por tanto, la resistencia al corte, se ve afectada por: [23]
La teoría de la tensión lateral del suelo se utiliza para estimar la cantidad de tensión que el suelo puede ejercer perpendicularmente a la gravedad. Esta es la tensión ejercida sobre los muros de contención . Un coeficiente de tensión lateral del suelo, K, se define como la relación entre la tensión lateral efectiva (horizontal) y la tensión vertical efectiva 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 una tensión lateral y resulta 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 causar una falla por corte dentro de la masa debido al aumento de la tensión lateral. Existen muchas teorías para estimar la tensión lateral del suelo; algunos tienen una base empírica y otros se derivan analíticamente.
La capacidad de carga del suelo es la tensión de contacto promedio entre una base y el suelo que provocará una falla por corte en el suelo. La tensión de carga permitida 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 corte real; en tales casos, la tensión de apoyo permitida se determina con respecto al asentamiento máximo permitido. Es importante durante la etapa de construcción y diseño de un proyecto evaluar la resistencia de la subrasante. La prueba de índice de carga de California (CBR) se usa comúnmente para determinar la idoneidad de un suelo como subrasante para diseño y construcción. La prueba de carga de placa de campo se usa comúnmente para predecir las deformaciones y 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 necesaria ]
El campo de la estabilidad de taludes abarca el análisis de la estabilidad estática y dinámica de taludes de presas de tierra y escollera, taludes de otro tipo 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 esférica. 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 han sido analizados sólo después del hecho. Los deslizamientos de tierra versus la resistencia de las rocas son dos factores a considerar.
Un hallazgo reciente en mecánica de suelos es que la deformación del suelo puede describirse como el comportamiento de un sistema dinámico . Este enfoque de la mecánica de suelos se conoce como Mecánica de Suelos 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 de corte aleatorias.
La base de DSSM es que los suelos (incluidas las arenas) se pueden cortar hasta que alcancen una condición de estado estable en la 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 Archivado el 17 de octubre de 2020 en Wayback Machine, un profesor asociado del Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad de Harvard, quien construyó a partir de una hipótesis que Arthur Casagrande estaba formulando hacia el final. de su carrera. La condición de estado estacionario no es lo mismo que la condición de "estado crítico". Se diferencia del estado crítico en que especifica una estructura estadísticamente constante en el estado estacionario. Los valores en estado estacionario también dependen ligeramente de la tasa de deformación.
Muchos sistemas en la naturaleza alcanzan estados estacionarios y la teoría de sistemas dinámicos se utiliza para describir dichos sistemas. La cizalladura del suelo también puede describirse como un sistema dinámico. [28] [29] La base física del sistema dinámico de corte del suelo es un proceso de Poisson en el que las partículas se mueven al estado estacionario con deformaciones de corte aleatorias. [30] Joseph [31] generalizó esto: las partículas se mueven a su posición final (no solo al estado estacionario) con tensiones de corte aleatorias. Debido a sus orígenes en el concepto de estado estacionario, DSSM a veces se denomina informalmente "mecánica de suelos de Harvard".
DSSM proporciona ajustes muy precisos a las curvas tensión-deformación, incluso para arenas. Debido a que rastrea las condiciones en el plano de falla, también proporciona ajustes precisos para la región posterior a la falla de arcillas y limos sensibles, algo que otras teorías no pueden hacer. Además, DSSM explica relaciones clave en la mecánica de suelos que hasta la fecha simplemente se han dado por sentado, por ejemplo, por qué las resistencias máximas al corte no drenadas normalizadas varían con el registro de la relación de sobreconsolidación y por qué las curvas tensión-deformación se normalizan con la tensión de confinamiento efectiva inicial; y por qué en la consolidación unidimensional la relación de huecos debe variar con el logaritmo de la tensión vertical efectiva, por qué la curva de final de primaria es única para 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]
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Medios relacionados con la mecánica de suelos en Wikimedia Commons