GRAFICA DE FADUM

Concepto básico de resistencia al esfuerzo cortante.  
Said López, 2007.

La resistencia cortante de una masa de suelo es la resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo ofrece para soportar una falla y desplazamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él. (Das, 2001)  De forma general se puede entender a la falla de un suelo como el inicio del comportamiento inelástico del mismo o su momento de  ruptura. 

Existen varios criterios y teorías de falla. El criterio cinemático de deformación unitaria máxima propuesta por Saint-Vernant supone que la falla solo depende de la deformación unitaria elástica máxima. Bridgman demostró que una muestra de suelo sometido a altas presiones hidrostáticas confinantes, no tiene ruptura ni flujo plástico, y que su comportamiento es prácticamente elástico ante dichas circunstancias de presión. (Legorreta, 2005)

Dentro de los criterios dinámicos, Ranking supuso que la ruptura se produce por el esfuerzo principal y no depende de los otros esfuerzos, ello también fue descartado por  los experimentos de Bridgman.  La teoría de máxima fuerza cortante se desarrolló por Guest, Coulomb y Morh. El primer autor consideraba que la resistencia al esfuerzo cortante era una constante de los materiales. Coulomb en 1733 estableció que la resistencia al esfuerzo cortante depende de dos propiedades, la fricción interna y la cohesión entre sus partículas, propiedades que según Coulomb eran linealmente relacionadas.  Morh en 1900 presento una idea similar pero demostrando que la cohesión y la fricción no tienen proporcionalidad, también en el entendido que la falla se produce por una combinación dada de esfuerzo axial y normal, no precisamente en los máximos respectivos. Para Morh la envolvente que define la resistencia al esfuerzo cortante es una curva, sin embargo la relación que se utiliza es como la concebía Coulumb, ya que es más práctica y conservadora.  (Legorreta, 2005)

Figura 3.19 (Izquierda) Criterio de falla de Morh-Coulomb solo con una representación gráfica de esfuerzos (circulo de Morh). (Bowles, 1987)

La resitencia al esfuerzo cortante de Morh-Coulumb está definida por la expresión:

Terzaghi en 1925 observó y estableció que el esfuerzo normal debería de sustituirse por el esfuerzo efectivo en la masa de suelo quedando la expresión anterior de la siguiente manera.

Determinación de la Cohesión y fricción

Existen pruebas para determinar c y Ø de uso poco común como lo son la prueba de corte directo y torcómetro para laboratorio así como ficómetro y veleta en campo, esto además de las correlaciones indirectas a las otras técnicas de exploración, sin embargo la prueba por excelencia para determinar la cohesión y el ángulo de fricción es la prueba triaxial. Ésta se desarrolla en tres formas distintas:

consolidada drenada (TX-CD),  consolidada no drenada (TX-CU)

 y no consolidada no drenada (TX-UU).

Figura 3.20 Diagrama del equipo de la prueba triaxial según Bishop y Bjerrum (Das, 2001)

La prueba busca representar las condiciones de carga del suelo mediante una presión de confinamiento y un incremento de esfuerzos axiales. Para ello se labra una muestra cilíndrica del suelo con diámetro común de 3.6 cm,  adicionado de una membrana impermeable plástica, y se coloca por debajo del embolo de carga en la cámara triaxial. Esta acción se continúa con el llenado de la cámara triaxial con agua o glicerina. Una vez Instalado el equipo, se procede a inducir la presión de confinamiento (s₃) con  agua o aire a presión. La muestra en ese momento experimentará un incremento en la presión de poro por confinamiento (Du_c), ante ello se determina disipar o no el incremento de presión de poro de la muestra, es decir realizar una prueba consolidada o una prueba no consolidada (TX-C? o TX-U?).  Si se permite la consolidación se registra el cambio de volumen de la muestra de suelo con respecto al tiempo en base al cambio de nivel de una bureta conectada al  conducto de drenaje. Esto es la primera parte de la prueba.

Después se procede  cargar a la muestra de forma axial ya sea con incrementos controlados de carga o con deformación controlada. El esfuerzo provocado es llamado esfuerzo desviador (Ds_d). El esfuerzo desviador se incrementa hasta llevar al espécimen a la falla.  Éste esfuerzo desviador también genera un incremento de presión de poro (Du_d), que se podrá o no disipar dependiendo si se le permite a la muestra drenar, es decir realizar una prueba drenada o no drenada. (TX- ?U o TX-?D).  Esto es la segunda parte de la prueba.

La serie completa de la prueba consta de mínimo tres especímenes llevados a la falla bajo diferentes condiciones de confinamiento, con valores relativos a las condiciones que tendrá el suelo en el campo real.  Con los tres o más círculos de Morh se obtiene la envolvente de falla y los correspondientes valores de cohesión y fricción. Ver figuras 3.19 y 3.21. También se grafican las curvas esfuerzo deformación de las muestras ensayadas, de estas gráficas se puede aproximar el valor de modulo de elasticidad.

Las pruebas se deben de realizar acorde al drenaje que tenga el suelo en la construcción de la nueva estructura o  su condición más desfavorable. En caso de que el incremento de cargas (construcción) no le dé tiempo al suelo para que drene, se deberá utilizar el ensaye no consolidado no drenado (TX-UU) y si por el contrario la construcción se realizara de forma muy lenta en comparación al drenaje del tipo de suelo, permitiendo que el suelo disipe la presión de poro ante los incrementos de carga esperados, se deberá utilizar el ensaye consolidado drenado (TX-CD). Para procesos de construcción que permitan el drenaje del suelo y tengan una construcción rápida se deberá utilizar un ensaye consolidado drenado (TX-CU).

La utilización de uno u otro de estos ensayes, además de los procesos constructivos también depende de la permeabilidad del suelo. Por ejemplo un limo arenoso característico de la costra superficial con permeabilidad k=1x10^-4cm/s permite mayor drenaje que una arcilla de la formación arcillosa superior con permeabilidad k=1x10^-6cm/s ante un mismo procedimiento constructivo y misma aplicación de carga, sin embargo debido a la permeabilidad del limo arenoso es conveniente ensayarlo en una prueba triaxial consolidada no drenada (TX-CU) mientras que la arcilla por poseer una permeabilidad menor es mas conveniente ensayarla mediante una prueba no consolidada no drenada (TX-UU).

Las pruebas TX-UU son claramente aplicables a arcillas vírgenes o blandas de la Ciudad de México, ya que su la isotropía ante diferentes esfuerzos confinantes y saturación de las muestras (Gw>98%),  permite que ante diferentes esfuerzos de confinamiento, estos suelos fallen con esfuerzos desviadores similares. Estas pruebas tienden a disminuir la capacidad friccionante del suelo debido a no disipar los incrementos de presión de poro por confinamiento y esfuerzo desviador (Du_c, Du_d).

Las pruebas TX-CU son preferentes para limos arenosos, en los que se tendrán velocidades relativamente importantes de drenaje, además que al disipar la presión de poro por confinamiento (Du_c) los ensayes demuestran mas fehacientemente la capacidad friccionante del suelo.

Las pruebas consolidadas drenadas son de las que se obtiene un mayor ángulo de fricción ( Ø ) esto debido a que la disipación de la presión de poro conduce a un circulo de Morh mas cercano al eje de los esfuerzos cortantes, sin embargo se puede conseguir también en ensayes TX-CU en los que se evalúe la presión de poro por esfuerzo desviador (Du_d) Figura 3.21.  Las pruebas TX-CD son muy lentas por lo que su práctica es poco común y se reserva a proyectos especiales que tendrán construcciones igualmente lentas en cuanto a la disipación de presiones de poro en construcción y carga.

Figura 3.21 Variación del ángulo de fricción por presión de poro en TX- CD. (Covitur, 1987).

            Debido a que el las pruebas TX-UU la muestra falla con esfuerzo efectivo y presión de poro, los resultados de la prueba se podrán utilizar de igual forma con esfuerzos totales al momento de diseñar. Por el contrario si se dispone de resultados de ensayes TX-CD se deberá de trabajar en el diseño con los esfuerzos efectivos. De forma preventiva es común e incluso reglamentario (NTCDCC-2004), que se cuente con datos de ensayes rápidos (TX-UU) y se diseñe con esfuerzos efectivos. Esto puede ser tachado de conservador sin embargo permite cálculos certeros ante la falta de entendimiento de las condiciones de drenaje en las diferentes pruebas mencionadas.

Empecemos a utilizar el blog. Como buen experimento, empieza con muchas dudas sobre si es viable o no, o si se cumplirán las condiciones de diseño. NADA COMO EXPERIMENTAR. Aquí vamos.