Ingenius. Revista de Ciencia y

Tecnología

ISSN: 1390-650X

revistaingenius@ups.edu.ec

Universidad Politécnica Salesiana

Ecuador

Dranichnikova, Tatiana

Nuevas tendencias en la Mecánica de suelos

Ingenius. Revista de Ciencia y Tecnología, núm. 3, 2008, pp. 28-33

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=505554806004

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Ingeniería CivilUPS-QUITO

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En la Mecánica de Suelos de hoy exis-ten muchas novedades tecnológicas, enlo que se refiere a métodos de cálculo yen los aparatos y equipos para los ensa-yos. A partir de los años ochenta comien-zan a aplicarse técnicas del problemainverso o de la estimación paramétrica enel campo de la geotecnia y la mecánicade rocas. Surgen grupos que se dedicansobre todo al estudio y programación dealgoritmos y a su aplicación a casos sinté-ticos, y grupos que se centran más enresolver problemas y casos prácticos. Apartir de los años noventa, la aplicaciónde las técnicas del problema inversocomienza a extenderse a multitud decampos relacionados con la mecánica desuelos y la mecánica de rocas. Desde unanueva perspectiva, Robles en el año 2001ha desarrollado un modelo constitutivode estructura matemática sencilla y con-sistente, que permite mejorar el conoci-miento del comportamiento de los suelosy aplicar técnicas numéricas avanzadas aproblemas geotécnicos.

Sobre todo, se desarrollan los paráme-tros de una nueva ley de comportamien-to para suelos no saturados, basada enlos modelos constitutivos elastoplásticos,que describen el comportamiento defor-macional y el estado de rotura para cual-quier trayectoria tensional de los suelosparcialmente saturados, utilizando talesvariables como tensión neta, que es latensión total menos presión de aire deporos: p = σ – ua; succión: s = ua - uw; ten-sión desviadora (q = σ1 – σ3) y grado desaturación (Sr).

Aunque, desde los años cincuenta, sehan dado algunos pasos en el estudio delos suelos no saturados, este todavía estáen el proceso de desarrollo.

Cuando el grado de saturación delsuelo es muy cercano a 1 (suelo saturado)se puede utilizar el principio clásico detensiones efectivas de Terzagui. Pero,debido a la complejidad de los fenóme-nos físico-químicos que tienen lugar ensuelos subsaturados, el estudio experi-

mental de estos suelos requiere técnicasmás sofisticadas que las utilizadas nor-malmente en los suelos saturados. En lapráctica geotécnica se encuentran nume-rosos materiales, que presentan más dedos fases en su composición: poros relle-nos de agua, poros rellenos de aire y par-tículas sólidas: son suelos parcialmentesaturados, que se encuentran con muchafrecuencia en la naturaleza en regionesáridas y semiáridas y acarrean muchosproblemas de diseño. Existe una grandiversidad de este tipo de suelos; muchosde ellos con características y comporta-mientos particulares, problemáticos,especiales, no convencionales, como son:las arcillas potencialmente expansivasmuy plásticas (con expansiones y retrac-ciones en ciclos de mojado y secado),depósitos aluviales, suelos colapsables(loes), suelos residuales, suelos coluviales,eólicos, suelos compactados, rellenos deescombros, etc. Estos suelos están sujetosa cambios de humedad de origen natural(variaciones climáticas) o artificial (activi-dad humana), que causan importantesmodificaciones en su capacidad portante(resistencia y deformabilidad). Por ello, espreciso comprender el comportamientogeotécnico de este tipo de suelos no satu-rados a fin de poder predecir, prevenir yminimizar accidentes naturales (inestabi-lidad de taludes, procesos de erosión yasentamientos).

Gran parte de los comportamientosque experimenta un suelo parcialmentesaturado están relacionados con la defor-mación volumétrica al modificar el gradode saturación, debido a la influencia de lasucción en su comportamiento. La medi-da de succión en un perfil del subsuelo esde gran utilidad y ayuda, para poderidentificar fenómenos tales como laexpansión (hinchamiento) o el colapso(colapso es mayor para el suelo conmayor succión inicial), ya que muestra, enqué dirección el agua del subsuelo estámigrando. Y con ello se puede decidir,cómo se debe seguir, para hacer lascorrecciones respectivas.

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Por ello se vio la necesidad de desarro-llar un análisis geotécnico, donde el com-portamiento mecánico de los suelos nosaturados es fundamental en el diseño deobras y actuaciones de ingeniería civilcomo las cimentaciones, la construcciónde terraplenes, presas de tierra y sueloscompactados. Es de mucha importancia,en el sentido de contribuir a mejorar laseguridad, calidad, confiabilidad y efi-ciencia de la infraestructura, de reducirlos costos de mantenimiento de las gran-des obras ya existentes y de optimizar los

trabajos necesarios para el proyecto yconstrucción de nuevas obras, tomandoen consideración los impactos en la socie-dad y en el medio ambiente.

Ante esta situación, en el estudio delsuelo parcialmente saturado muchos pro-blemas trae la influencia de nuevas varia-bles de esfuerzos, como la succión, quepuede afectar considerablemente al com-portamiento de estos suelos; los fenóme-nos de histéresis, respecto a los cambiosde humedad; los fenómenos acopladoshidromecánicos y los flujos no lineales decompleja solución para los suelos con tresfases (sólida, líquida y gaseosa), donde seinvolucra una variable como es la perme-abilidad con un rango grande de valoresque dependen del grado de saturación, yotros aspectos del comportamiento de lossuelos no saturados. El caso no saturadoplantea mayores problemas de trata-miento, donde no ha sido posible la apli-cación del principio de los esfuerzos efec-tivos tal y como se lo realiza para el casosaturado. Por eso, dentro de los estudiosy proyectos geotécnicos todavía se man-tiene la aplicación de la teoría de los sue-los saturados basada en la teoría de esta-do crítico.

En los suelos húmedos los poros deaire están interconectados y, si el suelo seencuentra en equilibrio y en contacto conla atmósfera, se considera que la presión

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del aire será la atmosférica y la presióndel agua va a ser negativa.

La succión (s) está compuesta por lasucción matricial (sm) y succión osmótica(so) y se refiere a mayor o menor tenden-cia del suelo a absorber el agua. Algunosinvestigadores (D.G.Fredlund) conside-ran, que la succión matricial es suficientepara describir el comportamiento delsuelo: sm = ua – uw.

Así que, el término succión se aplicapara designar la diferencia entre la pre-sión de aire (ua) y la presión del agua(uw). La succión ejercida por un suelo sedefine mediante el llamado índice de suc-ción pF, que es el logaritmo en base 10 dela succión expresada en centímetros deagua. El pF puede variar entre 0 y 7 (7corresponde a una arcilla desecada a 110°C), decreciendo para un mismo suelo alaumentar la humedad. La succión viene

definida por la geometría de los poros.En suelos saturados la succión es nula,pero en suelos completamente secos lasucción puede tener valores hasta1´000.000 kPa.

La succión incrementa la resistencia alcorte de los suelos (aunque no es indefi-nido, sino que alcanza un valor límite),estabiliza los suelos, dándoles la resisten-cia por tensión superficial.

Aunque, también es conocida lainfluencia de las sales disueltas en el aguaque aportan los cationes a la capa dobledifusa alrededor de las partículas delsuelo, lo que puede provocar las diferen-tes consecuencias en el comportamientodel suelo, como notables variacionesvolumétricas o de resistencia. Comoejemplo, podemos citar, que Skempton y

Northey (1952) indican que la reducciónde sales en el agua intersticial puede pro-vocar altas sensitividades en el suelo, conla consecuencia de la inestabilidad degrandes masas de terreno. Es un fenóme-no a tener muy en cuenta, cuando setrata con suelos parcialmente saturados,porque ya hay ejemplos de presas de tie-rra construidas con un suelo estable consu propia tensión superficial, pero quehan fallado cuando se han llenado conagua que tenía iones incompatibles.

A medida que disminuye la succión, ladeformabilidad del suelo aumenta. Larelación succión – humedad (o succión -grado de saturación) desempeñan unpapel importante en la caracterizacióndel suelo parcialmente saturado. Amayor humedad o grado de saturaciónmenor será la succión para un mismo

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índice de poros y la curva de esta relaciónse obtiene mediante ensayo de la succióncontrolada.

Cuando se presentan pequeños valo-res de succión, el contenido de agua en elsuelo depende prácticamente de laestructura del suelo, del efecto capilar ydistribución de los poros dentro delsuelo. El suelo retiene el agua con unaenergía variable; esta fuerza depende dela cantidad de agua retenida y de lasuperficie de las partículas sólidas. Parauna cantidad de agua determinada, lafuerza de succión es tanto mayor, cuantomás fina es la granulometría.

Pero, al presentarse el valor grande desucción, o sea cuando el agua es práctica-mente adsorbida a las partículas, laimportancia de la textura y de la superfi-cie específica del material es superior a laestructura. Esto puede explicar, que almismo valor de la succión el contenido dehumedad de arcillas es superior a loslimos y arenas.

El estudio geotécnico específico desuelos no saturados comenzó en muchoscentros de investigación mundiales con laadaptación de las nuevas técnicas deensayo de suelos en los equipos edomé-tricos. Estos equipos fueron perfeccio-nando con la modificación de las técnicas

de control de succión (técnica osmótica,control de humedad relativa) y amplian-do el número de parámetros a medir(deformación y presión lateral, entrada ysalida de agua, temperatura). Siguendesarrollándose también los equipospara la realización de los ensayos decorte y triaxiales con succión controlada,los que permiten la medida y control dela presión de agua y de aire, y medidaindependiente de los cambios volumétri-cos de agua y de la probeta. El control dela succión se realiza aplicando el principiode traslación de ejes que se fundamentaen la hipótesis de que cuando se estable-ce una succión dada, incrementar la pre-sión de aire es equivalente a disminuir enla misma proporción la presión de agua.Igualmente, se utiliza la aplicación de lasucción mediante la técnica osmótica,técnica de equilibrio de vapor y medidasimultánea de la succión mediante psicró-metros.

En 1978, Frendlund D.J. et.al. propu-sieron la ecuación de resistencia al cortede los suelos no saturados:

τ = c´ + (σ-ua)tgϕ´+ (ua-uw)tgϕb

donde (σ-ua) es la tensión neta, excesode presión total sobre la presión de porode aire; (ua-uw) es la succión; c´ y ϕ´ son la

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cohesión y el ángulo de fricción (con res-pecto al esfuerzo efectivo) a una condi-ción saturada y ϕb es el ángulo de fric-ción interna con respecto a la succión ysus valores no son constantes para untipo de suelo dado.

Teóricamente, si la succión se incre-menta indefinidamente, el suelo debealcanzar finalmente un estado seco y laecuación arriba mencionada será reduci-da a la relación de Mohr–Coulomb parasuelos secos. Para satisfacer esta condi-ción ϕb debe aproximarse a cero o sea avalores muy altos de succión.

De los estudios experimentales losinvestigadores dedujeron: que la resis-tencia al corte está controlada por lahumedad relativa; se presenta mayorresistencia cuanto menor es la humedadrelativa. En las deformaciones volumétri-cas obtenidas se observó que la dilatancia

disminuye apreciablemente cuando elmaterial tiene mayor contenido dehumedad. De los resultados también seconcluyó que existe una dependenciadirecta del incremento de rotura de par-tículas con el aumento del contenido dehumedad. Por otro lado, se verificó laposibilidad de que el material alcanzaseel estado crítico; se observó que en lamayoría de los ensayos se alcanzó estacondición y en otros existe la tendencia.Se encontró además, que la posición de lalínea de estados críticos esta controladapor la succión que posee el material.

BIBLIOGRAFÍA

• Zeballos M. E. Aplicaciones de la mecá-nica de los suelos no saturados.

• Alonso E. Y Lloret A. Comportamientode suelos parcialmente saturados.

• Barrera B. M., Garnica A. P., MartínezR. F. Influencia de la succión en loscambios volumétricos de un suelocompactado. Publicación Técnica No.238 Sanfandila, Qro, 2004.

• Fredlund, D.G. and Rahardjo, H. Soilmechanics for unsaturated soils. JohnWiley & Sons, INC., New York. 1993

• Robles S. J. Un modelo de deformabili-dad para suelos no saturados. Tesisdoctoral. Universidad Politécnica deMadrid. 2001

• Jiménez Salas J.A. Geotecnia yCimientos I. Editorial Rueda. Madrid.

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