Suelos Parcialmente Saturados

IMPLEMENTACIÓN DE

LA MECÁNICA DEL SUELO PARCIALMENTE SATURADO

EN LA PRÁCTICA DE LA

INGENIERÍA GEOTÉCNICA

D.G. Fredlund

University of Saskatchewan

Traducción, edición y glosario

Fabián Hoyos Patiño

Profesor asociado

Escuela de Ingeniería Civil

Facultad de Minas

Universidad Nacional de Colombia. Sede de Medellín

ISBN

 2003 Fabián Hoyos Patiño.

fabianhoyos@terra.com.co

 2003 Hombre Nuevo Editores.

hombrenuevo@epm.net.co

Apartado aéreo 50127 Medellín, Coombia.

Director editorial: Jesús María Gómez Duque.

Editor general: César A. Hurtado Orozco.

Carátula: María del Pilar Mejía Vallejo.

Distribución y ventas: Distribuidora de Libros Tercer Milenio.

Impreso y hecho en Colombia por/ Printed and made in Colombia by

Editorial Litoimpresos.

Traducción y publicación autorizadas por el autor y National Research Council de Canadá de la obra Unsaturated Soil Mechanics implementation in the geotechnical Engineering Practice.

Queda rigurosamente prohibida, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidas las lecturas universitarias,la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares mediante alquiler público, sin la autorización escrita de los titulares del copyright.

ÍNDICE

Prólogo 5

Resumen 9

Abstract 10

Résumé 11

Introducción 13

Qué es la implementación de la mecánica

del suelo parcialmente saturado? 16

Etapas conducentes a la implementación 16

Etapa de formulación de las variables de estado 17

Etapa de formulación de relaciones constitutivas 21

Relaciones constitutivas de cambio de volumen 22

Funciones de propiedades de suelos

parcialmente saturados 24

Relación constitutiva del contenido de agua 25

Naturaleza, caracterización y teoría de la curva

característica de succión en el suelo 28

Relación constitutiva de la resistencia al cortante 29

Relación constitutiva del flujo de agua en el suelo 32

Etapa de formulación 34

Etapa de propuesta de soluciones 35

Etapa de diseño 37

Etapa de verificación y monitoreo 38

Etapa de implementación 41

Hacia la implementación de la mecánica del

suelo parcialmente saturado 42

Estimación de las funciones de propiedades del

suelo parcialmente saturado 43

La forma matemática de la curva característica

de succión en el suelo 45

Medición en el laboratorio de la curva

característica de succión en el suelo 49

Procedimiento de ensayo para medir la curva

característica de succión en el suelo 51

Interpretación de los datos de la curva de succión

en el suelo 52

Estimación de la curva característica de succión en el

Suelo 55

Aplicación de las funciones de propiedad de los

suelos parcialmente saturados 60

Resistencia al cortante de los suelos parcialmente

saturados 62

Flujo de agua en suelos parcialmente saturados 65

Condiciones de frontera del flujo de humedad en

la superficie del terreno 69

Pasos hacia la implementación de la mecánica

del suelo parcialmente saturado 74

Referencias 76

Índice analítico 81

Glosario 85

PRÓLOGO

Durante más de cincuenta años la mecánica del suelo se desarrolló en la dirección fijada inicialmente por su fundador, K. Terzaghi. En ella, el análisis del comportamiento mecánico del suelo era considerado en dos condiciones extremas y mutua-mente excluyentes, seco o saturado; la condición de suelo seco era una suposición implícita en ocasiones, en tanto que la condi-ción de suelo saturado era comúnmente utilizada con el objeto de conseguir resultados más seguros o, dicho en forma menos diplomática, más conservadores. La más reciente tendencia en la investigación y desarrollo tecnológico en la mecánica del suelo, iniciada en el decenio de 1960, toma en consideración la condi-ción de saturación parcial del suelo, definida como aquella en la que las presiones intersticiales son negativas; tal condición es considerada como un continuo desde el estado seco teórico, ine-xistente en la naturaleza, hasta el estado saturado. La superficie freática constituye la interfase natural entre el suelo saturado y el suelo parcialmente saturado, de manera que la zona de saturación capilar estrictamente se encuentra en el dominio del suelo parcialmente saturado.

El principio básico de la mecánica del suelo parcialmente saturado establece que el comportamiento del suelo es siempre una respuesta al estado de esfuerzos en el suelo, o a los cambios de dicho estado de esfuerzos, y, en consecuencia, tal estado de esfuerzos en el suelo puede ser utilizado como variable inde-pendiente para describir su comportamiento; esta variable pue-de ser descompuesta en términos del esfuerzo compresivo total y las presiones del aire y del agua, negativa en el suelo parcialmente saturado, y positiva en el suelo saturado, de donde resultan el esfuerzo compresivo neto y la succión, como variables de estado de esfuerzos propios del suelo parcialmente saturado, y el esfuerzo efectivo como variable de estado del suelo saturado.

Un aspecto clave del nuevo enfoque de la mecánica del suelo radica en el hecho que las propiedades del suelo no son ya defi-nidas como valores únicos, o como parámetros del suelo, sino como funciones de propiedades que dependen del estado de esfuerzos en el suelo y, en particular, de la presión intersticial negativa, cuantificada como succión en el suelo parcialmente saturado. La curva característica de succión en el suelo, definida como la función que relaciona el contenido de humedad del suelo con la succión, se convierte así en una herramienta clave en el análisis geotécnico y en la base del cálculo de las funciones de propiedades del suelo en las que un valor extremo corresponde a la propiedad característica del suelo saturado.

La introducción del concepto de suelo parcialmente saturado tiene importantes consecuencias en el análisis geotécnico de todo tipo de suelos y en la mayor parte de los problemas en la ingeniería geotécnica, y en el análisis del flujo de humedad en la superficie del terreno, básico en hidrología. Los problemas básicos de la mecánica del suelo, vale decir los cambios de volumen, la resistencia al cortante y el flujo del agua en el suelo, requieren un tratamiento radicalmente diferente cuando se trata de un suelo saturado y un suelo parcialmente saturado. Y éste, frecuentemente, corresponde a la condición real en la parte superior del terreno donde se desarrolla la mayor parte de los trabajos de ingeniería. Prácticamente en cualquier situación en la que el hombre excave, remoldee o compacte un suelo, éste tiene la característica propia de los suelos parcialmente saturados: presión negativa de agua en los poros del suelo.

En todos los suelos, sean ellos residuales o transportados, natu-rales o compactados, pueden ser aplicados los mismos elementos teóricos de la mecánica del suelo parcialmente saturado. Sin em-bargo es necesario llamar la atención sobre la particularidad de los suelos residuales tropicales con estructura inestable, cuya relación entre humedad y succión, cuantificada como la curva característica de succión en el suelo, difiere de la relación conocida para los sedimentos de zonas templadas con una granulometría similar.

El desarrollo teórico de la mecánica del suelo parcialmente saturado ha dado lugar a una amplia producción publicada en medios científicos y técnicos y a la reunión de congresos y conferencias especializadas, cuatro de ellos de carácter interna-cional en París (1995), Pekín (1998), Singapur (2000) y Río de Janeiro (2002), y a la programación de cursos y sesiones espe-ciales en los congresos de geotecnia.

Los trabajos publicados en los últimos congresos muestran una clara tendencia hacia el desarrollo tecnológico que permita integrar la teoría del comportamiento mecánico del suelo parcialmente saturado en la práctica corriente de la geotecnia. El mayor obstáculo reconocido para tal aplicación ha sido el costo de los ensayos de laboratorio, prohibitivo en muchos casos, puede ser obviado con técnicas de estimación de funciones de propiedades, apoyadas en las curvas características de succión en el suelo y en las propiedades medidas en los suelos saturados, que pueden partir de elementos tan simples como la granulometría del suelo, como se ilustra en este trabajo.

El profesor D.G. Fredlund y sus estudiantes han trabajado durante el último cuarto de siglo en el desarrollo teórico y experimental de la mecánica del suelo parcialmente saturado y en su implementación en la práctica de la ingeniería geotécnica con un fuerte componente instrumental y computacional. Sus trabajos han sido publicados en varias revistas científicas y en las memorias de congresos en todo el mundo;

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