Entendiendo la Resistencia Cortante del Suelo: Tipos, Teorías y Pruebas

Resistencia Cortante del Suelo: Fundamentos y Aplicaciones

La resistencia cortante de una masa de suelo es la resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo ofrece para resistir la falla y el deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él.

Tipos de Suelos y su Resistencia

En función de su naturaleza, los suelos pueden ser:

1. Suelos granulares: En estos suelos no existe atracción o interacción entre las partículas que lo forman, y las fuerzas determinantes en su comportamiento son fuerzas de masa. La resistencia de estos suelos se deriva de la fricción entre sus partículas y de su grado de encaje.
2. Suelos cohesivos: Se caracterizan por una marcada interacción entre sus partículas, consecuencia de la elevada superficie específica de las mismas. Por tanto, serán importantes los fenómenos de superficie y la interacción suelo-agua.

La propiedad fundamental de los suelos cohesivos es la presencia de resistencia al esfuerzo cortante en ausencia de esfuerzo normal (cohesión), prueba de que los fenómenos de fricción no son fundamentalmente la causa de la resistencia a corte de los suelos cohesivos.

Estado de Esfuerzos y Deformación Plana

Se dice que un medio continuo está sometido a un estado de esfuerzos plano continuo cuando puede determinarse un plano al que resulten paralelos los segmentos dirigidos que representan los esfuerzos actuantes en todos los puntos de dicho medio.

Se dice que un medio continuo está sometido a un estado continuo de deformación plana cuando, para todos los puntos del medio, puede determinarse un plano en el cual las deformaciones normales asociadas a él sean nulas y cuando, simultáneamente, existen otros dos planos normales al primero y entre sí, en los que las deformaciones angulares asociadas sean también nulas.

El estado de esfuerzos plano en un punto quedará definido:

1. Si se conocen los esfuerzos en ese punto asociado a dos planos cualesquiera ortogonales entre sí y al eje z.

Según la teoría de la elasticidad, el estado de esfuerzos plano en un punto está definido cuando se conocen los esfuerzos en ese punto, asociados a dos planos cualesquiera paralelos al eje z y mutuamente perpendiculares.

De acuerdo con la teoría de elasticidad, existen planos ortogonales entre sí donde los esfuerzos tangenciales son nulos, por lo que solo actúan esfuerzos normales. Estos planos son llamados principales y cada uno de ellos será asociado a un esfuerzo normal, llamado también principal.

Esfuerzos Principales y Esfuerzo Cortante Máximo

En teoría de la elasticidad se demuestra que existen planos ortogonales entre sí, llamados principales de esfuerzo, en los que los esfuerzos tangenciales son nulos, existiendo únicamente esfuerzos normales, denominados principales.

Se demuestra también que en un estado de esfuerzos plano, hay dos planos principales, con su correspondiente esfuerzo principal ligado; uno de estos es el mayor de todos los esfuerzos normales actuantes en el punto considerado, mientras el otro es el menor.

El ingeniero alemán Otto Mohr introdujo un método alternativo de solución para la transformación de un esfuerzo plano. Este método se basa en consideraciones geométricas simples y no requiere el uso de ecuaciones especializadas.

El círculo de Mohr puede servir para encontrar los esfuerzos actuantes en cualquier dirección y ligados a un punto considerado de la masa de suelo siempre y cuando se conozcan las magnitudes y las direcciones de los esfuerzos principales.

Este queda definido por los esfuerzos principales mayor y menor (Q1 y Q3) y es el que, por lo general, interesa analizar específicamente en mecánica de suelos debido a que la teoría de falla más usada en este campo involucra a los esfuerzos normales asociados a los esfuerzos tangentes máximos que se pueden presentar en el punto considerado.

Teoría de Falla y Relación de los Esfuerzos Principales

Criterio de Falla de Mohr-Coulomb

Mohr presentó una teoría en 1900 sobre la rotura de los materiales. Esta teoría afirma que un material falla cuando el esfuerzo cortante en cualquier sección alcanza un valor máximo (Zf), el cual depende del esfuerzo normal actuante en dicha sección. Este se produce debido a una combinación crítica de esfuerzo normal y cortante, y no solo con la presencia de un esfuerzo máximo normal o bien de un esfuerzo cortante. Así entonces, la relación funcional entre un esfuerzo normal y un esfuerzo cortante sobre un plano de falla se expresa en la forma Tf= Q tanθ.

La línea de falla se define como el lugar geométrico de los esfuerzos cortantes máximos o de falla correspondiente a diferentes esfuerzos normales.

Coulomb

Cohesión:

Observó que existen otros suelos en los cuales la resistencia de cortante es independiente de cualquier presión normal actuante. Estos suelos presentan resistencia al cortante y a esta energía se le llama cohesión.

Los suelos que poseen esta energía son puramente cohesivos, como es el caso de las arcillas.

Suelos Cohesivos Friccionantes

El caso más común en la naturaleza es aquel donde el suelo posee ambas características. A estos suelos se les llama cohesivos friccionantes (suelos intermedios) y su ecuación de resistencia es la combinación de las dos anteriores.

Ley de Falla por Cortante en Suelos Saturados

Terzaghi demostró que las presiones que controlan o que gobiernan la resistencia al cortante de los suelos no es la total, sino la efectiva o intergranular, y lo hizo apoyado en su analogía mecánica.

En un suelo saturado, el esfuerzo normal total en un punto es la suma del esfuerzo efectivo y la presión del poro.

• Suelos Normalmente Consolidados: Son aquellos suelos que nunca estuvieron sometidos a presiones efectivas mayores que las actuales.
• Suelos Preconsolidados: Son aquellos suelos que alguna vez han sufrido presiones efectivas mayores que las actuales.
• Los suelos sobreconsolidados son aquellos en los que la presión de preconsolidación es mayor que la presión efectiva actual.

Ángulo de fricción: Es especialmente importante en mecánica de suelos para determinar tanto la capacidad portante como la resistencia al deslizamiento de un terreno arenoso.

Pruebas para Determinar la Resistencia Cortante

Prueba de Compresión Triaxial

Esta prueba es mucho más completa que la de esfuerzo directo. En la actualidad, para determinar parámetros de Resistencia al cortante de los suelos, en ellas se pueden variar a voluntad teóricamente las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales. Como una forma de simplificar, hay dos de los esfuerzos que se mantienen iguales.

Procedimiento (Triaxial de 2 Etapas)

1. Etapa 1: Luego de colocar la muestra dentro de la cámara, se aplica una presión a través de agua, lo que es igual en todas las direcciones. Para esta condición, la muestra no falla (confinamiento o aplicación de presión de cámara).
2. Etapa 2: Conocido como aplicación de presión axial de falla, consiste en aplicar a la muestra una presión en dirección axial a través del vástago superior, aumentándolo hasta provocar la falla de la muestra.

Dependiendo de si se permite o no el drenaje o consolidación, surgen los siguientes tipos de prueba triaxial:

Prueba Lenta "L"

1. Etapa 1: Aplicar presión de cámara con pequeños incrementos en un tiempo necesario hasta que se complete la consolidación de la muestra.
2. Etapa 2: Luego de consolidada la muestra, se hace fallar mediante la aplicación de esfuerzo axial.

Prueba Rápida: Consolidación RC

1. Etapa 1: Igual a la lenta.
2. Etapa 2: Luego de consolidada la muestra, se cierra la válvula para impedir el drenaje, lo que hace que el agua contenida soporte una parte de la presión aplicada.

Prueba Rápida: R

1. Etapa 1: Se aplica una presión de cámara de forma rápida con válvula exterior cerrada para impedir la consolidación de la muestra.
2. Etapa 2: Se hace fallar la muestra mediante la aplicación del esfuerzo desviador de forma rápida (PC).

Prueba Triaxial en Suelos Cohesivos Saturados y Normalmente Consolidados

La presión aplicada a estos suelos debe ser igual a la presión efectiva, la máxima presión que el suelo ha soportado durante toda su historia geológica.

La línea de falla obtenida en esta prueba resulta de una recta que pasa por el origen, lo que indica que la resistencia...

Prueba de Corte Directo

El sentido general del procedimiento consiste en aplicar un esfuerzo normal sobre la cara superior de la muestra con un valor predeterminado y luego aplicar una fuerza cortante a través del marco móvil aumentándola hasta provocar la falla del material en un plano definido por el aparato, realizando varias pruebas sobre muestras de un mismo material.

Relación de Vacíos Crítica

Es la relación de vacíos en la cual dos muestras de suelo, en estado denso y suelto, sometidas a grandes deformaciones se acercan a la misma densidad y la resistencia al corte continúa siendo constante.