Consolidación: flujo transitorio de agua [ editar ]
La consolidación es un proceso por el cual los suelos disminuyen en volumen. Ocurre cuando se aplica tensión a un suelo que hace que las partículas del suelo se junten más fuertemente, reduciendo así el volumen. Cuando esto ocurre en un suelo que está saturado con agua, el agua será expulsada del suelo. El tiempo requerido para exprimir el agua de un depósito grueso de capa de suelo arcilloso podría ser de años. Para una capa de arena, el agua puede exprimirse en cuestión de segundos. Una base de construcción o la construcción de un nuevo terraplén hará que el suelo debajo se consolide y esto causará asentamientos que a su vez pueden causar angustia al edificio o al terraplén. Karl Terzaghidesarrolló la teoría de la consolidación que permite predecir la cantidad de liquidación y el tiempo requerido para que se produzca la liquidación. [20] Los suelos se prueban con una prueba de edómetro para determinar su índice de compresión y coeficiente de consolidación.
Cuando se elimina el estrés de un suelo consolidado, el suelo se recuperará, arrastrando el 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 volverá a consolidarse a lo largo de una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. Se considera que el suelo que se ha consolidado a una gran presión y que se ha descargado posteriormente está sobreconsolidado . La tensión efectiva vertical máxima pasada se denomina tensión de preconsolidación . Se dice que un suelo que actualmente está experimentando la tensión efectiva vertical máxima pasada está normalmente consolidado . El índice de sobreconsolidación, (OCR) es la relación entre el esfuerzo efectivo vertical máximo pasado y el esfuerzo efectivo vertical actual. El OCR es significativo por dos razones: en primer lugar, porque la compresibilidad del suelo normalmente consolidado es significativamente mayor que la del suelo sobreconsolidado, y en segundo lugar, el comportamiento al cizallamiento y la dilatación del suelo arcilloso están relacionados con el OCR a través de la mecánica del suelo en estado crítico ; los suelos arcillosos altamente sobreconsolidados son dilatantes, mientras que los suelos normalmente consolidados tienden a ser contractivos. [2] [3] [4]
Comportamiento al corte: rigidez y resistencia [ editar ]
La resistencia al corte y la rigidez del suelo determina 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 asentarse demasiado lejos en el suelo y las presiones limitantes en un muro de contención. Es importante distinguir entre la falla de un elemento del suelo y la falla de una estructura geotécnica (p. Ej., Cimientos de un edificio, pendiente o muro de contención); Algunos elementos del suelo pueden alcanzar su resistencia máxima antes del fallo de la estructura. Se pueden usar diferentes criterios para definir la "resistencia al corte" y el " punto de fluencia " para un elemento del suelo a partir de una curva de tensión-deformación. Se puede definir la resistencia al corte máxima como el pico de una curva de esfuerzo-deformación, o la resistencia al corte en estado crítico como el valor después de grandes deformaciones cuando la resistencia al corte se nivela. Si la curva de esfuerzo-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 al 15-20% de deformación. [14] La resistencia al corte del suelo depende de muchos factores, incluyendo el esfuerzo efectivo y la relación de vacío.
La rigidez al corte es importante, por ejemplo, para evaluar la magnitud de las deformaciones de los cimientos y las pendientes 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 un gráfico de esfuerzo cortante en función de la deformación cortante se llama módulo de corte
Fricción, enclavamiento y dilatación [ editar ]
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 fuertemente unidas por 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 de pendiente estable máximo, a menudo llamado ángulo de reposo.
Pero además de la fricción, el suelo obtiene una resistencia al corte significativa del enclavamiento de los granos. Si los granos están densamente empaquetados, los granos tienden a separarse entre sí ya que están sujetos a la tensión de corte. Osborne Reynolds llamó dilatación a la expansión de la matriz de partículas debido al cizallamiento . [10] Si se considera la energía requerida para cortar un conjunto de partículas, hay energía de entrada por la fuerza de corte, T, moviéndose una distancia, x y también hay energía de entrada por la fuerza normal, N, a medida que la muestra se expande una distancia , y. [10] Debido a la energía adicional requerida para que las partículas se dilaten contra las presiones de confinamiento, los suelos dilatantes tienen una mayor resistencia máxima que los suelos contractivos. Además, a medida que los granos dilatados del suelo se dilatan, se vuelven más flojos (su relación de vacíos aumenta) y su tasa de dilatación disminuye hasta que alcanzan una relación de vacío crítica. Los suelos contractivos se vuelven más densos a medida que se cortan, y su tasa de contracción disminuye hasta que alcanzan una relación de vacío crítica.
La tendencia de un suelo a dilatarse o contraerse depende principalmente de la presión de confinamiento y la relación de vacío del suelo. La tasa de dilatación es alta si la presión de confinamiento es pequeña y la relación de vacío es pequeña. La tasa de contracción es alta si la presión de confinamiento es grande y la relación de vacío es grande. Como primera aproximación, las regiones de contracción y dilatación están separadas por la línea de estado crítico.
Criterios de falla [ editar ]
Después de que un suelo alcanza el estado crítico, ya no se contrae o dilata y el esfuerzo cortante en el plano de falla está determinado por la tensión normal efectiva en el plano de falla y ángulo de fricción de estado crítico :
Sin embargo, la resistencia máxima del suelo puede ser mayor debido a la contribución de enclavamiento (dilatación). Esto puede ser declarado:
Dónde . Sin embargo, el uso de un ángulo de fricción mayor que el valor de 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 base, una pendiente o un muro de contención. El ángulo de fricción de estado crítico no es tan variable como el ángulo de fricción máximo y, por lo tanto, se puede confiar con confianza. [3] [4] [10]
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: [10]
Ahora se sabe que el y Los parámetros en la última ecuación no son propiedades fundamentales del suelo. [3] [6] [10] [21] En particular, y son diferentes dependiendo de la magnitud del estrés efectivo. [6] [21] Según Schofield (2006), [10] el uso de larga data de en la práctica ha llevado a muchos ingenieros a creer erróneamente que Es un parámetro fundamental. Esta suposición de que y son constantes pueden conducir a una sobreestimación de las fuerzas máximas. [3] [21]
Estructura, tejido y química [ editar ]
Además de los componentes de resistencia de fricción y enclavamiento (dilatación), la estructura y la tela también juegan un papel importante en el comportamiento del suelo. La estructura y el tejido incluyen factores tales como la separación y disposición de las partículas sólidas o la cantidad y distribución espacial del agua de poro; 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 la cantidad y distribución espacial de los fluidos presentes (por ejemplo, huecos de agua y aire). Otros factores incluyen la carga eléctrica de las partículas, la química del agua de los poros, los enlaces químicos (es decir, las partículas de cementación conectadas a través de una sustancia sólida como el carbonato de calcio recristalizado) [1][21]
Cizalla drenada y sin drenar [ editar ]
La presencia de fluidos casi incompresibles como el agua en los poros afecta la capacidad de dilatación o contracción de los poros.
Si los poros están saturados con agua, se debe succionar el agua en los espacios de poros dilatados para llenar los poros en expansión (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 el suelo contractivo, el agua debe exprimirse de los espacios porosos para permitir que tenga lugar la contracción.
La dilatación de los huecos provoca presiones negativas de agua que atraen líquido hacia los poros, y la contracción de los huecos provoca presiones positivas de poros para expulsar el agua de los poros. Si la tasa de cizallamiento es muy grande en comparación con la tasa en que el agua puede ser absorbida o exprimida de los espacios de poros dilatados o contraídos, entonces la cizalladura se llama cizallamiento no drenado , si la cizalladura es lo suficientemente lenta como para que las presiones de agua sean insignificantes, el cizallamiento se llama cizallamiento drenado . Durante el cizallamiento no drenado, la presión del agua cambia dependiendo de las tendencias de cambio de volumen. A partir de la ecuación de estrés efectivo, el cambio en u afecta directamente el estrés efectivo mediante la ecuación:
y la fuerza es muy sensible al estrés efectivo. De ello se deduce que la resistencia al corte no drenada de un suelo puede ser menor o mayor que la resistencia al corte drenada, dependiendo de si el suelo es contractivo o dilatador.
Pruebas de corte [ editar ]
Los parámetros de resistencia se pueden medir en el laboratorio usando 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) ; Hay muchos otros dispositivos y variaciones en estos dispositivos utilizados en la práctica hoy en día. Las pruebas realizadas para caracterizar la resistencia y rigidez de los suelos en el suelo incluyen la prueba de penetración de cono y la prueba de penetración estándar .
Otros factores [ editar ]
La relación tensión-deformación de los suelos, y por lo tanto la resistencia al corte, se ve afectada por: [22]
- composición del suelo (material básico del suelo): mineralogía, tamaño de grano y distribución de tamaño de grano, forma de partículas, tipo y contenido de fluido de poro, iones en grano y en fluido de poro.
- estado (inicial): se define por la relación de vacío inicial , el esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo cortante (historial de esfuerzos). El estado se puede describir mediante términos tales como: flojo, denso, sobreconsolidado, normalmente consolidado, rígido, blando, contractivo, dilatador, etc.
- estructura : se refiere a la disposición de partículas dentro de la masa del suelo; La manera en que las partículas se empaquetan o distribuyen. Las características como capas, juntas, fisuras, slickensides, huecos, bolsillos, cementación, etc., son parte de la estructura. La estructura de los suelos se describe mediante términos tales como: no perturbado, perturbado, remodelado, compactado, cementado; floculante, peinado con miel, de grano simple; floculado, desfloculado; estratificado, en capas, laminado; isotrópico y anisotrópico.
- Condiciones de carga : ruta de tensión efectiva: drenada, no drenada y tipo de carga: magnitud, velocidad (estática, dinámica) e historial de tiempo (monotónico, cíclico).
Aplicaciones [ editar ]
Presión de tierra lateral [ editar ]
La teoría del estrés de la tierra lateral se usa para estimar la cantidad de estrés que el suelo puede ejercer perpendicularmente a la gravedad. Este es el estrés ejercido sobre los muros de contención . Un coeficiente de tensión de tierra lateral, K, se define como la relación de tensión efectiva lateral (horizontal) a tensión efectiva vertical para suelos sin cohesión (K = σ ' h / σ' v) Hay tres coeficientes: en reposo, activo y pasivo. El estrés en reposo es el estrés lateral en el suelo antes de que ocurra cualquier perturbación. El estado de tensión activa se alcanza cuando una pared se aleja del suelo bajo la influencia de la tensión lateral, y resulta de una falla de 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 suficientemente lejos como para causar una falla de corte dentro de la masa debido al aumento de la tensión lateral. Existen muchas teorías para estimar el estrés lateral de la tierra; algunos tienen una base empírica y otros derivan analíticamente.
Capacidad de carga [ editar ]
La capacidad de carga del suelo es la tensión de contacto promedio entre cimientos.y el suelo que causará falla por corte en el suelo. La tensión de carga admisible es la capacidad de carga dividida por un factor de seguridad. A veces, en sitios de suelo blando, pueden ocurrir grandes asentamientos debajo de cimientos cargados sin que ocurra una falla de corte real; en tales casos, la tensión de rodamiento 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 California Bearing Ratio (CBR) se usa comúnmente para determinar la idoneidad de un suelo como subrasante para el diseño y la construcción. La prueba de carga de placa de campo se usa comúnmente para predecir las deformaciones y las características de falla del suelo / subrasante y el módulo de reacción de subrasante (ks). El módulo de reacción de subrasante (ks) se utiliza en el diseño de cimientos,[ cita requerida ]
Estabilidad de pendiente [ editar ]
El campo de estabilidad de taludes abarca el análisis de la estabilidad estática y dinámica de taludes de presas de tierra y relleno de rocas, taludes de otros tipos de terraplenes, taludes excavados y taludes naturales en suelos y rocas blandas. [23]
Como se ve a la derecha, las pendientes de tierra pueden desarrollar una zona de debilidad esférica cortada. La probabilidad de que esto suceda puede calcularse de antemano usando un simple paquete de análisis circular 2D ... [24] Una dificultad principal con el análisis es localizar el plano de deslizamiento más probable para cualquier situación dada. [25] Muchos deslizamientos de tierra han sido analizados solo después del hecho.
Desarrollos recientes [ editar ]
Un hallazgo reciente en la mecánica del suelo es que la deformación del suelo puede describirse como el comportamiento de un sistema dinámico . Este enfoque de la mecánica del suelo 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 cual las partículas se mueven a su posición final en deformaciones de corte aleatorias.
La base del DSSM es que los suelos (incluidas las arenas) pueden cortarse hasta que alcancen una condición de estado estable en la que, en condiciones de velocidad de deformación constante, no haya cambios en el esfuerzo de corte, el esfuerzo de confinamiento efectivo y la relación de vacío. El estado estacionario se definió formalmente [26] por Steve J. Poulos , profesor asociado del Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad de Harvard, quien construyó una hipótesis que Arthur Casagrande estaba formulando hacia el final de su carrera. La condición de estado estacionario no es la misma que la condición de "estado crítico". Difiere del estado crítico en que especifica una estructura estadísticamente constante en el estado estacionario. Los valores de estado estacionario también dependen ligeramente de la velocidad de deformación.
Muchos sistemas en la naturaleza alcanzan estados estables y la teoría de sistemas dinámicos se utiliza para describir dichos sistemas. La cizalladura del suelo también se puede describir como un sistema dinámico. [27] [28] La base física del sistema dinámico de cizalladura del suelo es un proceso de Poisson en el que las partículas se mueven al estado estacionario con deformaciones de cizalla aleatorias. [29] Joseph [30] generalizó esto: las partículas se mueven a su posición final (no solo en estado estacionario) en deformaciones al azar. Debido a sus orígenes en el concepto de estado estacionario, DSSM a veces se llama informalmente "mecánica de suelos de Harvard".
DSSM proporciona ajustes muy cercanos a las curvas de tensión-deformación, incluso para arenas. Debido a que rastrea las condiciones en el plano de falla, también proporciona ajustes cercanos para la región posterior a la falla de arcillas y limos sensibles, algo que otras teorías no pueden hacer. Además, DSSM explica las relaciones clave en la mecánica del suelo que hasta la fecha simplemente se han dado por sentadas, por ejemplo, por qué las resistencias al cizallamiento pico sin drenaje normalizadas varían con el registro de la relación de consolidación excesiva y por qué las curvas de tensión-deformación se normalizan con el esfuerzo de confinamiento efectivo inicial; y por qué en la consolidación unidimensional la relación de vacío debe variar con el registro del esfuerzo vertical efectivo, por qué la curva de fin de primaria es única para incrementos de carga estática.
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