La resistencia al corte es un término utilizado en la mecánica de suelos para describir la magnitud del esfuerzo cortante que un suelo puede soportar. La resistencia al corte del suelo es el resultado de la fricción y el entrelazamiento de partículas y posiblemente de la cementación o unión de los contactos de partículas. Debido al entrelazado, el material particulado puede expandirse o contraerse en volumen ya que está sujeto a tensiones cortantes . Si el suelo expande su volumen, la densidad de las partículas disminuirá y la resistencia disminuirá; en este caso, la resistencia máxima sería seguida por una reducción del esfuerzo cortante. La relación tensión-deformación se estabiliza cuando el material deja de expandirse o contraerse y cuando se rompen los enlaces entre partículas. El estado teórico en el que el esfuerzo cortante y la densidad permanecen constantes mientras la deformación cortante aumenta puede denominarse estado crítico, estado estacionario o resistencia residual.
El comportamiento del cambio de volumen y la fricción entre partículas dependen de la densidad de las partículas, las fuerzas de contacto intergranulares y, en menor medida, de otros factores como la velocidad de corte y la dirección del esfuerzo cortante. La fuerza de contacto intergranular normal promedio por unidad de área se llama tensión efectiva .
Si no se permite que el agua fluya dentro o fuera del suelo, la trayectoria de tensión se denomina trayectoria de tensión no drenada . Durante el corte no drenado, si las partículas están rodeadas por un fluido casi incompresible como el agua, entonces la densidad de las partículas no puede cambiar sin drenaje, pero la presión del agua y la tensión efectiva sí cambiarán. Por otro lado, si se permite que los fluidos drene libremente fuera de los poros, entonces las presiones de los poros permanecerán constantes y el camino de prueba se denomina camino de tensión drenado . El suelo puede dilatarse o contraerse durante el corte si se drena. En realidad, el suelo está parcialmente drenado, en algún lugar entre las condiciones idealizadas de drenaje perfecto y de drenaje perfecto.
La resistencia al corte del suelo depende de la tensión efectiva, las condiciones de drenaje, la densidad de las partículas, la velocidad de deformación y la dirección de la deformación.
Para cortes de volumen constante y sin drenaje, se puede usar la teoría de Tresca para predecir la resistencia al corte, pero para condiciones drenadas, se puede usar la teoría de Mohr-Coulomb .
Dos teorías importantes sobre la cizalladura del suelo son la teoría del estado crítico y la teoría del estado estacionario. Existen diferencias clave entre la condición de estado crítico y la condición de estado estacionario y la teoría resultante correspondiente a cada una de estas condiciones.
La relación tensión-deformación de los suelos y, por tanto, la resistencia al corte, se ve afectada (Poulos 1989) por:
Este término describe un tipo de resistencia al corte en la mecánica de suelos a diferencia de la resistencia drenada.
Conceptualmente, no existe la resistencia no drenada de un suelo. Depende de una serie de factores, siendo los principales:
La teoría de Tresca , basada en el círculo de Mohr , define la resistencia no drenada como:
σ 1 - σ 3 = 2 S tu
Dónde:
σ 1 es la tensión principal principal
σ 3 es la tensión principal menor
es la resistencia al corte (σ 1 - σ 3 )/2
por lo tanto, = Su (o a veces cu ) , la fuerza no drenada.
Se adopta comúnmente en análisis de equilibrio límite donde la tasa de carga es mucho mayor que la tasa a la que se disipa la presión del agua de los poros, generada debido a la acción de cizallamiento del suelo. Un ejemplo de esto es la carga rápida de arena durante un terremoto o la falla de un talud de arcilla durante una lluvia intensa, y se aplica a la mayoría de las fallas que ocurren durante la construcción.
Como consecuencia de la condición sin drenaje, no se producen deformaciones volumétricas elásticas y, por lo tanto, se supone que la relación de Poisson permanece en 0,5 durante el corte. El modelo de suelo de Tresca también supone que no se producen deformaciones volumétricas plásticas. Esto es importante en análisis más avanzados, como el análisis de elementos finitos . En estos métodos de análisis avanzados, se pueden usar modelos de suelo distintos de Tresca para modelar la condición no drenada, incluidos Mohr-Coulomb y modelos de suelo en estado crítico, como el modelo Cam-clay modificado, siempre que la relación de Poisson se mantenga en 0,5.
Una relación utilizada ampliamente por los ingenieros en ejercicio es la observación empírica de que la relación entre la resistencia al corte no drenado c y la tensión de consolidación original p' es aproximadamente una constante para una relación de sobreconsolidación (OCR) determinada. Esta relación fue formalizada por primera vez por (Henkel 1960) y (Henkel y Wade 1966), quienes también la ampliaron para mostrar que las características tensión-deformación de las arcillas remodeladas también podrían normalizarse con respecto a la tensión de consolidación original. La relación c/p constante también se puede derivar de la teoría tanto para la mecánica de suelos en estado crítico [ cita necesaria ] como en estado estacionario (Joseph 2012). Esta propiedad fundamental de normalización de las curvas tensión-deformación se encuentra en muchas arcillas y se refinó en el método empírico SHANSEP (historia de tensiones y propiedades normalizadas de ingeniería del suelo) (Ladd y Foott 1974).
La resistencia al corte drenado es la resistencia al corte del suelo cuando las presiones del fluido intersticial, generadas durante el proceso de corte del suelo, pueden disiparse durante el corte. También se aplica cuando no existe agua en los poros del suelo (el suelo está seco) y, por lo tanto, las presiones del fluido de los poros son insignificantes. Por lo general, se aproxima utilizando la ecuación de Mohr-Coulomb. ( Karl von Terzaghi la llamó "ecuación de Coulomb" en 1942). (Terzaghi 1942) la combinó con el principio de tensión efectiva.
En términos de tensiones efectivas, la resistencia al corte suele aproximarse mediante:
= σ' tan(φ') + c'
Donde σ' = (σ - u) , se define como la tensión efectiva. σ es la tensión total aplicada normal al plano de corte y u es la presión del agua intersticial que actúa en el mismo plano.
φ' = el ángulo de fricción de tensión efectivo, o el 'ángulo de fricción interna' después de la fricción de Coulomb . El coeficiente de fricción es igual a tan(φ'). Se pueden definir diferentes valores del ángulo de fricción, incluido el ángulo de fricción máximo, φ' p , el ángulo de fricción en estado crítico, φ' cv , o el ángulo de fricción residual, φ' r .
c' = se llama cohesión , sin embargo, generalmente surge como consecuencia de forzar una línea recta a pasar por los valores medidos de (τ,σ') aunque los datos en realidad caigan en una curva. La intersección de la línea recta sobre el eje del esfuerzo cortante se llama cohesión. Es bien sabido que la intersección resultante depende del rango de tensiones consideradas: no es una propiedad fundamental del suelo. La curvatura (no linealidad) de la envoltura de falla ocurre porque la dilatación de las partículas de suelo muy compactas depende de la presión de confinamiento.
Una comprensión más avanzada del comportamiento del suelo sometido a corte condujo al desarrollo de la teoría del estado crítico de la mecánica de suelos (Roscoe, Schofield y Wroth 1958). En la mecánica de suelos en estado crítico, se identifica una resistencia al corte distinta cuando el suelo sometido a corte lo hace a un volumen constante, también llamado "estado crítico". Por lo tanto, existen tres resistencias al corte comúnmente identificadas para un suelo sometido a corte:
La resistencia máxima puede ocurrir antes o en el estado crítico, dependiendo del estado inicial de las partículas del suelo sometidas a fuerza cortante:
Se dice que la resistencia al corte en volumen constante (o estado crítico) es extrínseca al suelo e independiente de la densidad inicial o la disposición de empaquetamiento de los granos del suelo. En este estado, se dice que los granos que se separan "caen" unos sobre otros, sin que ningún entrelazamiento granular significativo o desarrollo del plano deslizante afecte la resistencia al corte. En este punto, ninguna estructura heredada o unión de los granos del suelo afecta la resistencia del suelo.
La resistencia residual ocurre en algunos suelos donde la forma de las partículas que componen el suelo se alinea durante el corte (formando un lado liso ), lo que resulta en una resistencia reducida al corte continuo (ablandamiento adicional por deformación). Esto es particularmente cierto para la mayoría de las arcillas que comprenden minerales en forma de placas, pero también se observa en algunos suelos granulares con granos de forma más alargada. Las arcillas que no tienen minerales en forma de placas (como las arcillas alofánicas ) no tienden a exhibir resistencias residuales.
Uso en la práctica: si se adopta la teoría del estado crítico y se toma c' = 0; Se puede usar p , siempre que se tenga en cuenta el nivel de deformaciones anticipadas y se consideren los efectos de una posible ruptura o ablandamiento de deformaciones hasta las resistencias en estado crítico. Para deformaciones por deformación grandes, se debe considerar la posibilidad de formar una superficie de lados lisos con un φ' r (como en el caso de hincado de pilotes).
El estado crítico ocurre a una tasa de deformación cuasiestática. No permite diferencias en la resistencia al corte basadas en diferentes velocidades de deformación. Además, en el estado crítico, no hay alineación de partículas ni estructura específica del suelo.
Casi tan pronto como se introdujo por primera vez, el concepto de estado crítico fue objeto de muchas críticas , principalmente su incapacidad para igualar los datos de prueba fácilmente disponibles de una amplia variedad de suelos. Esto se debe principalmente a la incapacidad de las teorías para explicar la estructura de las partículas. Una consecuencia importante de esto es su incapacidad para modelar el pico de ablandamiento por deformación comúnmente observado en suelos contractivos que tienen formas/propiedades de grano anisotrópico. Además, una suposición comúnmente hecha para hacer que el modelo sea matemáticamente manejable es que la tensión cortante no puede causar deformación volumétrica ni la tensión volumétrica no puede causar deformación cortante. Dado que este no es el caso en la realidad, es una causa adicional de las malas coincidencias con los datos de pruebas empíricos fácilmente disponibles. Además, los modelos elastoplásticos de estado crítico suponen que las deformaciones elásticas impulsan cambios volumétricos. Dado que este tampoco es el caso en suelos reales, esta suposición da como resultado ajustes deficientes a los datos de cambio de volumen y presión de poro.
Un refinamiento del concepto de estado crítico es el concepto de estado estacionario.
La resistencia en estado estacionario se define como la resistencia al corte del suelo cuando se encuentra en condiciones de estado estacionario. La condición de estado estacionario se define (Poulos 1981) como "aquel estado en el que la masa se deforma continuamente a volumen constante, tensión efectiva normal constante, tensión cortante constante y velocidad constante". Steve J. Poulos Archivado el 17 de octubre de 2020 en Wayback Machine , entonces profesor asociado del Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad de Harvard, construyó a partir de una hipótesis que Arthur Casagrande estaba formulando hacia el final de su carrera (Poulos 1981). La mecánica de suelos basada en a veces se denomina "mecánica de suelos de Harvard". La condición de estado estacionario no es lo mismo que la condición de "estado crítico".
El estado estacionario ocurre solo después de la rotura de todas las partículas, si alguna es completa y todas las partículas están orientadas en una condición de estado estable estadísticamente y de modo que el esfuerzo cortante necesario para continuar la deformación a una velocidad de deformación constante no cambie. Se aplica tanto al caso drenado como al no drenado.
El estado estacionario tiene un valor ligeramente diferente dependiendo de la tasa de deformación a la que se mide. Por lo tanto, la resistencia al corte en estado estacionario a la velocidad de deformación cuasiestática (la velocidad de deformación a la que se define que ocurre el estado crítico) parecería corresponder a la resistencia al corte en estado crítico. Sin embargo, existe una diferencia adicional entre los dos estados. Esto es que en la condición de estado estacionario los granos se posicionan en la estructura de estado estacionario, mientras que tal estructura no ocurre en el estado crítico. En el caso de corte con deformaciones grandes para suelos con partículas alargadas, esta estructura de estado estacionario es aquella en la que los granos están orientados (quizás incluso alineados) en la dirección del corte. En el caso de que las partículas estén fuertemente alineadas en la dirección de corte, el estado estacionario corresponde a la "condición residual".
Tres conceptos erróneos comunes con respecto al estado estacionario son que a) es lo mismo que el estado crítico (no lo es), b) que se aplica sólo al caso no drenado (se aplica a todas las formas de drenaje), y c) que no aplica para arenas (aplica para cualquier material granular). Se puede encontrar una introducción a la teoría del estado estacionario en un informe de Poulos (Poulos 1971). Su uso en ingeniería sísmica se describe en detalle en otra publicación de Poulos (Poulos 1989).
La diferencia entre el estado estacionario y el estado crítico no es meramente semántica como a veces se piensa, y es incorrecto usar los dos términos/conceptos indistintamente. Los requisitos adicionales de la definición estricta del estado estacionario por encima del estado crítico, a saber. una velocidad de deformación constante y una estructura estadísticamente constante (la estructura de estado estacionario), coloca la condición de estado estacionario dentro del marco de la teoría de sistemas dinámicos . Esta definición estricta de estado estacionario se utilizó para describir la cizalladura del suelo como un sistema dinámico (Joseph 2012). Los sistemas dinámicos son ubicuos en la naturaleza (la Gran Mancha Roja de Júpiter es un ejemplo) y los matemáticos han estudiado ampliamente dichos sistemas. La base subyacente del sistema dinámico de corte del suelo es la fricción simple (Joseph 2017).
