Consolidación y Deformación del Suelo

Efectos de Carga y Descarga en la Presión de Poros y Deformaciones

Debido a la **conductividad hidráulica** de los suelos, cambios en los **esfuerzos totales** aplicados o las fluctuaciones del **nivel freático** no conllevan de manera inmediata incrementos en los **esfuerzos efectivos**. Bajo estas condiciones, el volumen del suelo cambiará con el tiempo.

• Carga en el suelo: La disipación de exceso de **presiones de poro positivas** (debido a una carga o descenso del nivel freático) genera una **compresión** que es altamente irrecuperable.
• Descarga en el suelo: La disipación de exceso de **presiones de poro negativas** (descarga o elevación del nivel freático) genera **expansión recuperable** y de mucha menor magnitud que la compresión inicial.

Cuantificación de la Deformación durante la Consolidación

El comportamiento compresivo del suelo se cuantifica matemáticamente por la **línea de compresión virgen** y las **líneas de descarga-recarga** en un gráfico en el plano e – log(σ’).

Parámetros del Ensayo de Consolidación (Edómetro)

El **coeficiente de compresibilidad (mv)** y el **coeficiente de consolidación (Cv)** e (indirectamente) la **permeabilidad (k)** pueden ser determinados con el **ensayo edométrico**.

Obtención del Asentamiento Total

La cantidad final de **asentamiento** debido a **consolidación 1D** puede ser determinada de manera directa usando la **compresibilidad (mv)** y al conocer los cambios en los esfuerzos totales o condiciones de **presiones de poro inducidas** por los procesos constructivos. Una descripción más detallada de asentamiento (o subsidencia) con el tiempo puede encontrarse de manera analítica o con método de elementos finitos.

Medidas de Mejoramiento en Suelos Altamente Compresibles

Para suelos de baja permeabilidad (suelos finos) puede ser necesario acelerar el proceso de consolidación durante la etapa de construcción. Esto puede realizarse al adicionar **drenes verticales**. Las especificaciones del drenaje adecuado pueden ser determinadas utilizando soluciones basadas en drenaje radial para alcanzar un nivel especificado de desempeño (ej. U % en tiempo t).

Parámetros de la Teoría de Consolidación de Terzaghi

Es fundamental conocer los parámetros que rigen la **teoría de consolidación de Terzaghi** y comprender qué representan los parámetros obtenidos del **ensayo edométrico**:

• Hdr: Controla qué tan rápido se disipa el exceso de **presión de poros**.
• Cv: Describe la tasa a la cual un suelo se consolida (m²/año).

Parámetros de Presión de Poros en Ensayos Triaxiales

Parámetros A y B en un Ensayo CIU

Los **parámetros A y B** son denominados **coeficientes de presión de poros**. Ambos son medidos experimentalmente en un **ensayo triaxial no drenado**. El **coeficiente B** representa el cambio en la **presión de poros** debido a un cambio en los esfuerzos radiales de la muestra. Ya que la muestra se encuentra en una condición no drenada, todo cambio en los esfuerzos totales se traduce en un cambio en las **presiones de poro**. En **suelos saturados** (vacíos llenos de agua), **B = 1**, indicando un grado de saturación del 100%. El **parámetro A** representa la relación entre el cambio de **presión de poros** cuando ocurre un cambio en el esfuerzo desviador. Este coeficiente varía con los esfuerzos y con las deformaciones. Puede ser evaluado en la falla, al valor máximo del esfuerzo desviador. Valores de A positivos indican un **suelo contractivo**, y valores de A negativos indican un **suelo dilatante**.

Comportamiento del Suelo según el Valor de A en la Falla

• A = 0.5: Suelo normalmente consolidado a ligeramente sobreconsolidado (OCR aprox. 1.5).
• A = -0.5: Suelo altamente sobreconsolidado (OCR > 10).

Ejemplo de obra de ingeniería civil: Cualquier caso en que el esfuerzo principal mayor aumenta, con el esfuerzo principal menor constante, en un suelo saturado (ej. carga sobre una fundación, terraplén sobre suelo blando).

Superficie de Hvorslev y Resistencia al Corte

Descripción de la Superficie de Hvorslev

La **superficie de Hvorslev** consiste en una envolvente donde se encuentran ubicados los puntos de **resistencia máxima** de un suelo, ensayado bajo condiciones drenadas, con la misma relación de vacíos en la falla pero diferentes condiciones de esfuerzo. Una serie de ensayos con diferentes relaciones de vacío en la falla resultarán en una familia de envolventes paralelas (ver figura), con valores constantes de p’crítico, e intersecciones disminuyendo a medida que aumenta la relación de vacíos.

Limitaciones de la Superficie de Hvorslev en la Práctica

Este concepto tiene poco uso práctico, parcialmente por la dificultad de realizar ensayos de laboratorio donde se pueda obtener la misma relación de vacíos en la falla máxima, y por otro lado porque, en terreno, los distintos tipos de carga aplicados producen diferentes relaciones de vacío. La **resistencia al corte residual** es usualmente considerada de mayor significancia en arcillas sobreconsolidadas (OCR), donde un plano de falla o discontinuidad es usualmente observado.

Índice de Dilatancia Relativa

El **índice de dilatancia relativa (Ir)** representa el grado de dilatancia que tiene un suelo granular en términos de la **densidad relativa (Dr)** y la **presión efectiva de confinamiento**. Entre mayor es el valor de Ir, mayor será la dilatancia del suelo. Un valor Ir igual a cero indica que el suelo alcanzó un esfuerzo p’crítico. Este índice se basa en la relación entre la tasa de dilatancia con la diferencia entre el ángulo de fricción máximo y el ángulo crítico. Un valor de Ir negativo indica que el suelo experimentará grandes deformaciones por contracción, antes de alcanzar el estado crítico.

Relación entre Ángulo de Fricción, Densidad y Agua

Relación entre Ángulo de Fricción Máximo y Densidad Relativa

La **densidad relativa** se puede relacionar con la **resistencia del suelo** a un nivel específico de **esfuerzo de confinamiento**. Pero a medida que aumenta el esfuerzo de confinamiento se reduce el **ángulo de fricción máximo**. A niveles muy altos de confinamiento el quiebre de partículas reduce el ángulo de dilatancia y de fricción máximo, para un valor inicial de **densidad relativa**. Una limitación importante es que no existe una relación única entre el ángulo de fricción máximo y Dr, incluso a un nivel de esfuerzo específico, ya que la componente de resistencia relacionada a la dilatancia es ψ(max) − ψ(crit), y ψ(crit) es una función de la mineralogía del suelo.

Factores que Afectan la Resistencia al Corte en Arenas y Efecto del Agua

La **resistencia al corte** en un suelo es el resultado de la **fricción** y **trabazón** entre las partículas. Si la densidad de las partículas disminuye, la resistencia del suelo disminuye. La **resistencia al corte** del suelo depende de las **condiciones de drenaje** y los **esfuerzos efectivos**. A partir del **criterio de Coulomb**, la relación entre resistencia al corte, cohesión, y esfuerzo efectivo es: τ = c’ + σ’ tan(φ’). La **cohesión c’** y el **ángulo de fricción φ’** dependen del tipo de suelo, del tipo de ensayo y condiciones de drenaje.

Debido a la presencia de agua en muestras de arena, la arena se comporta ligeramente cohesiva (debido a la **tensión superficial**) y gradualmente su **resistencia al corte** comienza a aumentar, pero esto solo sucede hasta un cierto contenido de humedad. A medida que aumenta el contenido de humedad de la arena, se suelta esta unión entre agua y partículas, y su **resistencia al corte** disminuye. Ante condiciones no drenadas, si tenemos un suelo que genera **presiones de poro negativas**, los **esfuerzos efectivos** aumentan y por ende su **resistencia efectiva** aumenta. La **resistencia al corte de arcillas** depende altamente del contenido de humedad.

Criterio de Falla de Mohr-Coulomb

Descripción del Criterio Mohr-Coulomb

El **criterio Mohr-Coulomb** consiste en una ecuación lineal en el espacio de esfuerzos principales, que describe las condiciones en las cuales un material isotrópico fallará. El criterio captura la **resistencia al corte** de los suelos en términos de la **fricción** y **cohesión**. La falla se idealiza como una envolvente lineal, cuya expresión es: τ = c’ + σ’ tan(φ’). Este criterio de falla señala que las deformaciones plásticas se alcanzan cuando el círculo de Mohr toca la envolvente de falla correspondiente a la expresión anterior.

Factores de los que Dependen los Parámetros de Resistencia al Corte

Esta teoría de falla depende de:

• Resistencia cohesiva (aparente o verdadera):
  • Cohesión aparente: **Presiones de poro negativas**.
  • Cohesión verdadera: cementación, adhesión.
• Ángulo de fricción interna efectiva del suelo (φ’): Propiedades de fricción y trabazón de las partículas.
• Esfuerzo normal efectivo aplicado (σ’).

Dilatancia en Suelos Granulares

Aumento de Volumen (Dilatancia) en Arena bajo Esfuerzo Cortante

Los suelos generalmente cambian de volumen cuando son sometidos a una carga de corte, y este cambio de volumen que se genera en un suelo está altamente influenciado por la **densidad**. Un suelo denso, ubicado bajo la línea de **estado crítico** en el plano e-ln(p’), tenderá a aumentar de volumen hasta llegar al estado último o crítico. Esta expansión se genera debido a que el suelo tiene menos vacíos entre las partículas, las cuales al estar sometidas a un esfuerzo cortante, ruedan unas sobre otras. A medida que se reduce esta trabazón entre partículas se genera un aumento de volumen con un aumento en el nivel de deformación. Esta expansión (**dilatancia**), disminuye con el aumento en el **esfuerzo efectivo de confinamiento**. El ángulo de dilatancia máximo se genera en el esfuerzo cortante máximo, y a un nivel de deformación aproximado de 1%.

Casos de Ingeniería donde la Dilatancia es Determinante

La **dilatancia** es un factor importante en el diseño de estructuras geotécnicas, ya que hay que tener en cuenta que la **resistencia máxima** podría potencialmente disminuir. Indique y explique 3 casos en los cuales la dilatancia sea un factor determinante en el comportamiento del proyecto de ingeniería:

1. Estabilidad de taludes: La dilatancia puede tener un efecto significativo en la **estabilidad de taludes**. La selección de los parámetros de resistencia máximos, que limitan las deformaciones a un rango bajo, generan un diseño más conservador.
2. Diseño de fundaciones superficiales: Las cuales someten al suelo a esfuerzos de confinamiento bajos, la dilatancia será relevante, ya que a este nivel de deformaciones, un suelo denso experimentará un mayor cambio de volumen.
3. Excavaciones profundas: Bajo el nivel freático en suelos muy densos, deben considerar el fenómeno de **dilatancia** en el largo plazo, ya que la **disipación** de exceso de **presión de poros negativa** en el tiempo disminuye los **esfuerzos efectivos** iniciales.