INGENIERIA CIVIL
curso: MECANICA DE SUELOS II
Ing. Ronald Carrión Aponte
Tensiones Efectivas Las fases y la estructura del suelo Como se ha descrito anteriormente, el suelo es un material compuesto por un conjunto de partículas entre las que existen huecos o poros. En el caso más general, el suelo puede contener tres fases distintas (Figura 2.20): Fase sólida: partículas. Fase líquida: agua, rellenando total o parcialmente los poros. Fases gaseosa: aire, ocupando total o parcialmente los poros.
De este carácter multífásico deriva la principal dificultad para comprender el comportamiento del suelo frente a solicitaciones externas, ya que su respuesta depende de la compleja interacción entre las diversas fases que lo componen. Si se observa «a escala microscópica» el proceso de sedimentación natural de un suelo (suponiendo que está formado por partículas granulares) se comprobaría que sus granos tienden a agruparse formando «cadenas», preferentemente subverticales.
Si además se observa cómo se transmiten las fuerzas existentes (básicamente las debidas a la gravedad: el peso del suelo), se comprobaría que dicha transmisión se produce precisamente a través de los contactos grano-grano de estas cadenas, y que las partículas situadas fuera de ellas apenas reciben o trasmiten carga alguna (Figura 2.21).
Si sobre el suelo anterior se añaden nuevos esfuerzos, bien debidos a nuevos procesos geológicos o a la actividad constructiva, éste podrá tender hacia un nuevo estado, representado por una nueva estructura y nuevas direcciones preferenciales. Admitiendo que las partículas del suelo y el agua son indeformables, lo que a efectos prácticos y para los niveles de tensiones de las actividades constructivas habituales es aceptable, la nueva estructura corresponderá a un nuevo ordenamiento de partículas, que habrán deslizado y rodado unas sobre otras hasta alcanzar el nuevo estado. Así por ejemplo:
La compresión del suelo (reducción de volumen) consiste básicamente en una reducción de su volumen de poros o, lo que es lo mismo, en una reordenación de partículas hacia una estructura más densa, dejando menos espacios entre ellas. Si el suelo se encuentra saturado, la reducción de su volumen de huecos irá necesariamente asociada a la expulsión del mismo vo lumen de agua. El hinchamiento (aumento de volumen) consiste en un aumento de su volumen de poros, es decir, en una reordenación de sus partículas en una estructura más abierta, con más espacio entre ellas. De nuevo, en el caso de saturación completa, el aumento del volumen de huecos irá asociado a la absorción de un volumen igual de agua, captada del suelo saturado circundante.
Suelos saturados. El postulado de las tensiones efectivas Como puede deducirse del epígrafe anterior, el estudio
del comportamiento del suelo desde el punto de vista «microscópico», teniendo en cuenta su estructura, sus cadenas de transmisión de carga, etc., resulta complicado. Dicha complejidad se acentúa sin duda en el caso de suelos finos como las arcillas, en los que el pequeño tamaño de las partículas hace que las fuerzas de gravedad pierdan relevancia frente a las fisicoquímicas. Por ello, este tipo de enfoque «microscópico» se encuentra en general limitado a tareas de investigación. Dadas las dificultades anteriores, la mecánica del suelo clásica ha tendido desde el principio al estudio del comportamiento del suelo desde un punto de vista «macroscópico», como si de un medio continuo se tratara. Aun con esta simplificación, resulta necesario tener en cuenta las distintas fases del suelo con el fin de analizar la interacción entre ellas y establecer un marco teórico de partida.
Dicho marco fue postulado por Terzaghi para los suelos saturados. A continuación se reproduce la traducción de las dos partes fundamentales de su enunciado: «Las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales σ 1, σ2, σ3 que actúan en ese punto. Si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión μ, las tensiones principales totales se componen de dos partes. Una parte, μ, llamada presión neutra o presión intersticial, actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas en todas direcciones y con igual intensidad. Las diferencias σ’1 = σ1 - μ, σ’2 = σ2 – μ, σ’3 = σ3 – μ representan un exceso de presión sobre la presión neutra μ, y actúan exclusivamente en la fase sólida del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas. Cualquier efecto medíble debido a un cambio de tensiones, tal como la compresión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, es debido exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas».
La figura 5.1a muestra una columna de suelo saturado sin infiltración de agua en ninguna dirección. El esfuerzo total a en la elevación del punto A se obtiene a partir del peso específico saturado del suelo y del peso específico del agua arriba de él. Así entonces:
El esfuerzo total σ dado por la ecuación (5.1) se divide en dos partes: 1. Una porción es tornada por el agua en los espacios vacíos, y actúa con igual intensidad en todas direcciones. 2. El resto del esfuerzo total es tornado por los sólidos del suelo en sus puntos de contacto. La suma de las componentes verticales de las fuerzas desarrolladas en los puntos de contacto de las partículas de sólidos por área de sección transversal unitaria de la masa del suelo se llama esfuerzo efectivo.
El concepto de esfuerzo efectivo se ilustra dibujando una línea ondulada a-a por el punto A que pase únicamente a través de los puntos de contacto de las partículas de sólidos. Sean P1, P2, P3, ….., Pn las fuerzas que actúan en los puntos de contacto de las partículas de suelo (figura 5.1b). La suma de las componentes verticales de todas aquellas fuerzas sobre el área de sección transversal unitaria es igual al esfuerzo efectivo σ’, o ……….. (5.2) donde P1(v), P2(v), P3(v), ….., Pn(v) son las componentes verticales de P1, P2, P3,….., Pn, respectivamente, y Ā es el área de la sección transversal de la masa de suelo bajo consideración.
De nuevo, si as es el área de sección transversal ocupada por los contactos sólido con sólido (es decir, as = a1 + a2 + a3 + .... + an), entonces el espacio ocupado por el agua es igual a (Ā - as). Entonces escribimos …….. (5.3)
El valor de a’s es muy pequeño y se desprecia para los rangos de presión encontrados generalmente en problemas prácticos. La ecuación (5.3) es entonces aproximada por …….. (5.4)
Donde a μ se le llama también esfuerzo neutro. Sustituyendo la ecuación (5.1) por σ en la ecuación (5.4) da
…….. (5.4) donde es el peso específico sumergido del suelo. Es claro entonces que el esfuerzo efectivo en cualquier punto A es independiente de la profundidad del agua H sobre el suelo sumergido. El principio del esfuerzo efectivo [ecuación.(5.4)] fue primero desarrollado por Terzaghi (1925, 1936). Skempton (1960) extendió el trabajo de Terzaghi y propuso la relación entre el esfuerzo total y el efectivo en la forma de la ecuación (5.3).
EJEMPLO En la figura 5.2 se muestra el perfil de un suelo. Calcule el esfuerzo total, la presión de poro del agua y el esfuerzo efectivo en los puntos A, B , C y D .
