Esfuerzos Intergranulares

Universidad Católica Andrés Bello.

Facultad de Ingeniería.

Escuela de Ingeniería Civil.

Mecánica de Suelos I.

Alumna: Laura Andrade.

Profesor: Mario Pietroniro.

ESFUERZOS INTERGANULARES O EFECTIVOS: Esfuerzos en un suelo saturado sin flujo de agua. Esfuerzos en un suelo saturado con flujo de agua ascendente y descendente. Flujo de agua en suelos parcialmente saturados.

El concepto de esfuerzo efectivo o esfuerzo intergranular (σ) fué introducido por Terzaghi en 1925. Es la presión transmitida de partícula a partícula a través de los contactos firmes que estas presentan, tal presión es efectiva en la disminución de la presión de vacios y en la movilización de la resistencia al esfuerzo cortante de una masa de suelo. En otros términos se denomina presión efectiva porque al cambiar esta se originarían deformaciones y cambios estructurales en el suelo. El esfuerzo efectivo está ligado con todos los procesos de esfuerzos de formación y en general con todos los problemas relacionados con el comportamiento estructural del suelo.

Esencialmente, este concepto asume que en un medio poroso granular, la presión del agua que rodea casi completamente cada grano, produce en éstos, esfuerzos de igual magnitud, sin contribuir a la deformación del esqueleto sólido, la cual se produce solamente por las fuerzas de contacto, que se transmiten de grano a grano a través de los puntos de contacto. El esfuerzo intergranular se obtiene substrayendo la presión de poro del esfuerzo total en el material sólido. Tan importante como la noción de esfuerzo efectivo es la deformación observada de materiales granulares, como resultado de cambios en los esfuerzos, es mucho mayor que la que puede ser explicada por la compresión del material mismo. Esto sugiere que la deformación es producida principalmente por el reacomodo de la matriz, con deslizamientos y desplazamientos localizados. Las investigaciones de laboratorio demuestran también que, durante la deformación, los granos se deslizan y desplazan. Esto significa que el proceso de deformación es gobernado por lo que sucede en puntos de contacto localizados, donde esfuerzos normales y de corte concentrados, son transmitidos de grano a grano, sin ser afectados por cambios en la presión de poro. Por lo tanto un cambio en las presiones de poro, con iguales cambios en los esfuerzos totales, no produce deformación y podrían no producir cambios en los esfuerzos efectivos. Terzaghi llamó esfuerzos efectivos, a aquellos que son transmitidos directamente de grano a grano. Ellos tienen efecto solo en la fase sólida, contrariamente a la presión del líquido intersticial llamada presión neutra o de poro. Los esfuerzos totales aplicados al complejo sólido - líquido se descomponen entonces en esfuerzos efectivos y presiones neutras en un material solamente sometido a compresiones.

Es posible representar matemáticamente la forma no lineal de la envolvente de la resistencia al cortante parcialmente saturada mediante el uso de la curva característica de succión en el suelo y los parámetros de resistencia al cortante del suelo saturado.

La función de resistencia al cortante puede ser obtenida mediante el uso de la curva característica de succión en el suelo. El suelo parcialmente saturado parece tener un ángulo de fricción, pero el área en la que actúa la succión en el suelo se reduce a medida que aumenta la succión. La curva característica de succión en el suelo cuantifica la cantidad de agua en cualquier sección a través del suelo.

El coeficiente de permeabilidad, es la velocidad de descarga de agua en condiciones de flujo laminar a través de un área transversal unitaria de un medio poroso bajo un gradiente hidráulico unitario y en condiciones estándar de temperatura (normalmente 20°C). El coeficiente de permeabilidad depende de las condiciones de saturación del terreno y estrictamente es una función de la succión que, a su vez, es función de la saturación del material.

La naturaleza de la función del coeficiente de permeabilidad puede visualizarse al comparar su forma con la de la curva característica de succión en el suelo. La Figura 1 muestra dos gráficos típicos de la curva característica de succión en el suelo y la función del coeficiente de permeabilidad para una arena y un limo arcilloso.

El coeficiente de permeabilidad permanece relativamente constante en ambos suelos hasta alcanzar la humedad correspondiente a la succión de entrada de aire del suelo. A partir de este punto el coeficiente de permeabilidad disminuye rápidamente en ambos suelos. La función de permeabilidad parece mantenerse esencialmente lineal hasta que se alcanza la succión residual del suelo. Después de este punto el coeficiente de permeabilidad parece mantenerse esencialmente constante pero faltan datos para confirmar esta parte de la función. La relación entre la succión en el suelo y el coeficiente de permeabilidad de un suelo parcialmente saturado puede predecirse con suficiente exactitud para muchos problemas de ingeniería a partir del coeficiente de permeabilidad del suelo saturado y la curva característica de succión en el suelo.

Figura 1. Funciones de permeabilidad típicas de una arena y de un limo arcilloso.

Childs & Collis-George (1950). Propusieron un modelo estadístico para predecir el coeficiente de permeabilidad con base en una variación aleatoria de los poros del suelo. Este modelo fue modificado inicialmente por Marshall (1958) y luego por Kunzeet (1968). Estos cálculos se ejecutan dividiendo el contenido volumétrico de agua versus las relaciones de succión en varios incrementos de contenido de agua, lo que equivale a una integración respecto al contenido volumétrico de agua.

La exactitud de la predicción de la función del coeficiente de permeabilidad depende del ajuste de la curva a los datos de la curva característica de succión en el suelo experimental y del modelo de predicción adoptado. Mualem (1986) concluyó que no había un modelo único que se ajuste a cualquier tipo de suelo. Aunque los resultados de los modelos propuestos son satisfactorios para los suelos arenosos, los datos experimentales de los suelos fino granulares no se ajustan bien a ellos.

El procedimiento sugerido por Leong & Rahardjo (1997) tiene una forma similar al utilizado en la resistencia al cortante

...