Esfuerzo en la masa del suelo Los esfuerzos dentro de un suelo se producen por el peso propio del mismo o por Cargas que se encuentren sobre éste. Con la finalidad de establecer un orden. Empezaremos por analizar los esfuerzos verticales que se generan en la masa de suelo por el peso propio de los materiales Los suelos son sistemas de fase múltiple. En un volumen dado de suelo, las partículas de sólidos están distribuidas al azar con espacios vacíos entre ellas. Los espacios vacíos son continuos y están ocupados por agua, aire o ambos. Para Analizar problemas tales como la compresibilidad de suelos suelos,, la capacidad de carga de cimentaciones, la estabilidad de terraplenes y la presión lateral sobre estructuras de retención de tierras, tierras , los ingenieros necesitan conocer la naturaleza de la distribución de los esfuerzos a lo largo de una sección transversal dada del perfil del suelo, suelo, es decir , qué frac fracción ción del esfuerzo normal a una profundidad dada en una masa de suelo es tomada por el agua en los espacios vacíos y cuál es tomada por el esqueleto del suelo en los puntos de contacto de las partículas del suelo. En esta parte analiza los principios para estimar el incremento del esfuerzo vertical en suelos, causados por varios tipos de carga, con base en la teoría de la elasticidad. Aunque los depósitos de suelo natural no son materiales totalmente elásticos, isótropos u homogéneos, los cálculos para estimar incrementos en el esfuerzo vertical dan resultados bastante buenos para el trabajo práctico.
Esfuerzos en un suelo saturado sin infiltración La muestra una columna de suelo saturado sin infiltración de agua en ninguna Dirección. El esfuerzo total a en la elevación del punto A se obtiene a partir del peso específico saturado del suelo y del peso específico del agua arriba de él. El esfuerzo total se divide en dos partes: 1.- una porción es tomada en los espacios de vacíos y actúa actú a con igual intensidad en todas direcciones. 2.- El resto del esfuerzo total es tomado por po r los sólidos en sus puntos de contacto la suma de los componentes verticales de las fuerzas desarrollados en los puntos de contacto a esto se llama esfuerzo efectivo. FIGURA 1
Consideración del esfuerzo efectivo para una columna de suelo saturado sin infiltración. = + ( − )
Donde:
= = = =
FIG. 2
FIG.3
EN LA FIGURA 1-2-3 A) Consideración del esfuerzo efectivo para una columna de suelo saturado sin filtración. B) Fuerzas que actúan en los puntos de contacto de las partículas de suelo en el nivel del punto A El concepto de esfuerzo efectivo se ilustra dibujando una línea ondulada a-a por el Punto A que pase únicamente a través de los puntos de contacto de las partículas de sólidos. Sean PI, P 2 , P 3,.. , P n las fuerzas que actúan en los puntos de contacto de las partículas de suelo. La suma de las componentes verticales de todas aquellas Fuerzas sobre el área de sección transversal unitaria es igual al esfuerzo efectivo
Donde P1(v) P2 (v).P3 (v),..., Pn (v) son las componentes verticales de P1, P2, P3,..,Pn, respectivamente, y A es el área de la sección transversal de la masa de suelo bajo consideración. De nuevo, si as es el área de sección transversal ocupada por los contactos sólido Con sólido (es decir, as = a1 + a2 + a3 +... + an), entonces el espacio ocupado por el agua es igual a (A - a s )' Entonces escribimos
El valor de a's es muy pequeño y se desprecia para los rangos de presión encontrados generalmente en problemas prácticos. La ecuación = ´ +
Donde u se le llama esfuerzo neutro Ejemplo
En la figura anterior se muestra el perfil de un suelo. Calcule el esfuerzo total, la presión de Poro del agua y el esfuerzo efectivo en los puntos A , B , C yD
Esfuerzos en un suelo saturado con infiltración Si se tiene infiltración, el esfuerzo efectivo en cualquier punto en una masa de suelo será diferente al del caso estático. Éste crecerá o decrecerá, dependiendo de la dirección de la infiltración. Si se tiene infiltración el esfuerzo efectivo es cualquier punto en un masa de suelo será diferente al del caso estático. Esta crecerá dependiendo su dirección.
-Infiltración hacía arriba -Infiltración hacia abajo
Infiltración hacia arriba En la figura que muestra una capa de suelo granular en un tanque donde la infiltración hacia arriba es causada por la adición de agua a través de una válvula situada en el fondo del tanque. La tasa de agua suministrada se mantiene constante. La pérdida de carga causada por la infiltración hacia arriba entre los niveles de los puntos A y B es h. Tomando en cuenta que el esfuerzo total en cualquier punto en la masa de suelo es determinado únicamente por el peso del suelo y del agua arriba de éste, calculamos ahora el esfuerzo efectivo en los puntos A y B: EN A
Esfuerzo total: = 1 Presión de poro del agua: = 1 Esfuerzo efectivo: ´ = − = 0 EN B
Esfuerzo total: = 1 + 2 Presion de poro del agua: = (1 + 2 + ℎ) Esfuerzo efectivo: ´ = − =2 (
− ) − ℎ
=2 ´ − ℎ
Similarmente, calculamos el esfuerzo efectivo en un punto c localizando a una profundidad debajo de la parte superior de la superficie del suelo
En la figura: a) Estrato de suelo en un tanque con filtración hacia arriba; variación del esfuerzo total b) Esfuerzo total c) Presión del poro de agua d) Esfuerzo efectivo con la profundidad en un estrato de suelo con filtración hacia arriba Note que h/H 2 es el gradiente hidráulico i causado por el flujo, y entonces
Las variaciones del esfuerzo total, de la presión de poro del agua y del esfuerzo Efectivo con la profundidad están graficadas, respectivamente. Si la tasa de infiltración y del gradiente hidráulico son incrementadas gradualmente, se alcanzará una condición límite, en donde
Donde i cr = gradiente hidráulico crítico (para un esfuerzo efectivo nulo). En tal situación, La estabilidad del suelo se perderá. A esto se le llama ebullición o condición rápida
=
!
Para la mayoría de los suelos, el valor de icr' varía entre 0.9 y 1.1, con un promedio de 1.
Infiltración hacia abajo La condición de infiltración hacia abajo se muestra en la figura 5.4a. El nivel del agua en el tanque de suelo se mantiene constante ajustando el suministro desde la parte superior y la salida en el fondo. El gradiente hidráulico causado por la infiltración hacia abajo es i = h/H2. El esfuerzo total, la presión de poro del agua y el esfuerzo efectivo en cualquier punto son, respectivamente,
Conclusión:
Cuando se construye una cimentación. Tiene a lugar a cambios en el suelo bajo la cimentación. Si se tiene infiltración del suelo, este crecerá decrecerá dependiente de la dirección de la infiltración. Recomendación
Se debe realizar drásticamente el estudio de suelo con un procedimiento muy importante ya que con dicho estudio podremos saber el tipo de suelo. Con un análisis si hay una filtración de agua en el terreno.
