Estrés efectivo en el suelo: desarrollo, importancia y principios

Cuando se construye un edificio, su peso se transmite al suelo a través de sus cimientos, lo que induce tensiones en los estratos subyacentes. Estas tensiones inducidas pueden causar problemas, como un asentamiento excesivo o una falla de corte, por lo que son importantes para los ingenieros geotécnicos.

Tensiones en subsuelo:

Las tensiones en el subsuelo son causadas por:

(i) peso propio del suelo

(ii) Carga estructural sobre el suelo.

Las tensiones desarrolladas en suelos saturados son:

(i) Tensiones efectivas

(ii) Tensiones neutrales.

(iii) Tensiones totales.

Estrés eficaz:

Karl Terzaghi fue el primero en reconocer la importancia del estrés efectivo. Es el estrés transmitido de grano a grano en el punto de contacto a través de la masa del suelo. También se conoce como estrés intergranular. Se denota por σ '. Cuando la masa del suelo está cargada. La carga se transfiere a las ganancias del suelo a través de su punto de contacto. Si en el punto de contacto, la carga aplicada es mayor que la resistencia de los granos, entonces habrá compresión en la masa del suelo.

Esta compresión se debe en parte a la compresión elástica de los granos en los puntos de contacto y en parte se debe al deslizamiento relativo entre las partículas. Esta carga por unidad de área de la masa del suelo responsable de la deformación de la masa del suelo se denomina tensión efectiva.

Estrés Neutral:

Es la tensión o presión transmitida a través del fluido poroso. También se denomina presión de poro y se denota por u. En suelos saturados, los poros de la masa del suelo se llenan de agua. Cuando se carga la masa saturada del suelo, la carga no se transmite a través de los granos. La carga se transfiere al agua de poro. Como el agua es incompresible, se desarrolla una presión en el agua de los poros.

Esta presión se llama presión de poro o presión de agua de poro. La presión del poro no tiene ninguna influencia medible en las propiedades mecánicas del suelo, como la relación de vacío, la resistencia al corte, etc. Esta presión o tensión se denomina tensión neutral.

Estrés Total:

El estrés total es igual a la suma del estrés efectivo y el estrés neutral. Se denota por σ.

σ = σ + u

El estrés efectivo no se puede medir en el campo por ningún instrumento. Solo se puede calcular después de medir la tensión total y la presión de poro. Por lo tanto, el estrés efectivo no es un parámetro físico, pero es solo un concepto matemático muy útil para determinar el comportamiento de ingeniería del suelo.

Importancia del estrés efectivo en problemas de ingeniería:

El estrés efectivo juega un papel importante en:

(i) Asentamiento de suelo

(ii) Resistencia al corte del suelo

Asentamiento de suelo:

El fenómeno de reducción gradual en el volumen de suelo debido a la expulsión de agua de los poros del suelo se denomina consolidación o compresión o asentamiento del suelo. La figura 5.3 muestra una curva de compresión de arcilla. Es una curva entre la tensión efectiva σ y la relación de vacíos e. Del gráfico se desprende claramente que cuando σ aumenta e e disminuye, es decir, debido al aumento en el esfuerzo efectivo, la compresión del suelo aumentará.

La liquidación final de la consolidación se puede calcular utilizando la fórmula

S = m _V H

donde m _V es el coeficiente de compresibilidad de volumen

H es el espesor de la capa compresible.

∆σ es el aumento promedio en la presión efectiva.

De la ecuación anterior queda claro que el asentamiento del suelo es directamente proporcional a la presión efectiva. Así que el asentamiento del suelo depende del estrés efectivo o la presión efectiva. A medida que aumenta el estrés efectivo, también aumenta el asentamiento del suelo.

Resistencia al corte del suelo:

Muchos problemas de ingeniería geotécnica requieren una evaluación de la resistencia al corte que incluye:

(a) Fundamentos estructurales:

La carga de una estructura se transfiere al suelo a través de la cimentación. Esto produce tensión de corte y tensión de compresión. Si la tensión de corte producida es mayor que la resistencia al corte del suelo, se produce una falla de corte que causa el colapso de la estructura.

(b) Pendientes de la Tierra:

En un terreno inclinado, la gravedad produce esfuerzos cortantes en el suelo. Si estas tensiones superan la resistencia al corte, se produce un lado de tierra.

(c) Pavimentos de carreteras:

Las cargas de las ruedas, desde los vehículos, se transfieren a través del pavimento al suelo. Estas cargas producen una tensión de corte que causa una falla de corte.

¿Tú sabes?

El valor de K en la dirección x es igual al de la dirección y para una superficie nivelada del suelo.

La resistencia al corte del suelo se calcula utilizando la fórmula

S = σ tan ɸ

Donde σ = estrés efectivo

ɸ = Ángulo de fricción efectivo

Para un suelo dado, f es constante. La resistencia al corte es directamente proporcional al estrés efectivo. Así que con el aumento del estrés efectivo aumenta la fuerza. Si la resistencia al corte del suelo es mayor, la falla de corte será menor.

Principio del estrés efectivo:

Si se carga la masa saturada del suelo, la carga se transfiere al agua de los poros. Después de la expulsión de agua de poro se transfiere a los granos del suelo. Deje que YY sea el plano ondulado que pasa por los puntos de contacto de los granos del suelo. Sea A el área del plano ondulado YY. Esta área A es la suma del área de contacto de los granos (A _g ) y el área del agua de los poros (A _w ) como se muestra en la figura 5.5. Es evidente a partir de la figura 5.6 que el área de contacto de los granos (A _g ) es mucho menor que el área de agua de poros (A _w ), es decir, A _w = A.

Sea F la carga total en el área A.