ESTABILIDAD DE TALUDES EN SUELOS Y ROCAS: FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

Mdulo 1 RESISTENCIA AL CORTE DE SUELOS Autor: Ramn Verdugo, Ph.D

1.- INTRODUCCIN

Una masa de suelos debe ser entendida como un sistema particulado en el cual se puede encontrar la interaccin de tres fases; slido, lquido y gas. Los agregados minerales, o partculas, o granos, propiamente tales, corresponden a la parte slida. Entre las partculas slidas necesariamente se generan intersticios o huecos, los cuales pueden ser llenados simplemente por aire, situacin de una masa de suelos seca, por aire y agua, situacin correspondiente a una masa de suelos hmeda, o solamente por agua, condicin asociada a una masa de suelos saturada. Es entonces en los intersticios o huecos, donde se desarrollan en combinacin, o aisladamente, las fases lquida y gaseosa, como se ilustra en la Fig. 1.

Fig. 1: Elemento de suelos

Para visualizar el efecto en la resistencia, de esta condicin de material particulado trifsico, resulta til previamente considerar los siguientes casos:

a) Muestra de arcilla extrada del sur de Chile

Historia de tensiones: normalmente consolidada Humedad natural: saturada ndice de huecos: e = 1.60 Lmite lquido: LL = 120 Lmite plstico: LP = 45 ndice de plasticidad: IP = 75

b) Muestra de arcilla extrada de un corte cerca de Ovalle

Historia de tensiones: Preconsolidada Humedad natural: 15% ndice de huecos: e = 0.85 Lmite lquido: LL = 41 Lmite plstico: LP= 21 ndice de plasticidad: IP = 20

c) Arena extrada costa afuera en Punta Arenas

Contenido finos: 7% (limosos) Humedad natural: saturacin Indice de huecos: e = 0.51 Densidad relativa: Dr = 91%

En el primer caso se est en presencia de un material muy compresible, en el cual la fase lquida en volumen es mayor que la fase slida. La respuesta de este suelo bajo una solicitacin rpida estar asociada con un importante cambio de presiones en el agua intersticial y la resistencia de la masa de suelos estar fuertemente controlada por este cambio en las presiones de poros.

En el segundo caso, el suelo est con una humedad menor a la de saturacin y por tanto coexisten las tres fases. Esta condicin de suelo parcialmente saturado induce tensiones internas de succin que aumentan las tensiones efectivas entre partculas, generando un aumento de resistencia.

El tercer caso corresponde a una arena muy densa que al ser sometida a una solicitacin rpida generar una fuerte disminucin de la presin de poros. Esto produce un aumento en las tensiones efectivas entre grano, pudindose movilizar una altsima resistencia.

Resulta entonces importante reconocer la presencia de estas tres fases y cual es el efecto global que producen en la resistencia de una masa de suelos.

Por otra parte, si una masa de suelos es mirada en forma macroscpica, sta puede ser considerada como un continuo, siendo as posible definir un campo de tensiones internas y las correspondientes deformaciones asociadas. Sin embargo, esto es una simplificacin, pues resulta indiscutible que el estado tensional interno en cualquier intersticio es distinto al que se desarrolla en las cercanas, en el punto de contacto entre dos partculas.

Al considerar las tensiones internas de una masa de suelos, en las cuales pueden coexistir tres fases, resulta necesario referirse a las tensiones efectivas.

2.- PRINCIPIO DE LAS TENSIONES EFECTIVAS

El principio de las tensiones efectivas fue propuesto por Terzaghi en la dcada de los aos veinte y probablemente marca el inicio de la Mecnica de Suelos como una ciencia de Ingeniera. Este principio establece el valor de la tensin que

efectivamente se transmite a travs del esqueleto granular; tambin denominada, tensin intergranular, la cual se define como:

La tensin normal total, o simplemente tensin total, corresponde a la tensin de cuerpo existente en el medio, masa de suelos, asumido ste como un continuo.

Es importante notar que la tensin efectiva no es exactamente la tensin transmitida en los puntos de contactos entre partculas, pudiendo est ltima llegar a valores muy superiores, que inclusive pueden producir la rotura de granos. Tambin es importante notar que la tensin efectiva no puede ser medida, sino que slo calculada.

Resulta necesario indicar que el principio de las tensiones efectivas tal como se defini ms arriba es vlido para suelos con un grado de saturacin superior al 90%. Para suelos parcialmente saturados, deben introducirse factores que toman en cuenta otras consideraciones, cuyos alcances se salen del marco de este curso.

La presin efectiva puede ser conceptualizada como la sumatoria de fuerzas de contactos por unidad de rea. En la Fig. 2 se muestra la situacin particular del contacto entre dos partculas, ilustrndose lo que ocurre, en general, en un rea transversal A. Un equilibrio vertical requiere que:

Donde, Ac constituye la sumatoria de las reas de contacto individuales Aci y P corresponde a la sumatoria de las fuerzas de contacto Pi. Dividiendo por el rea transversal total, se obtiene que:

Donde, a, representa la sumatoria de reas de contacto por rea transversal total. Si se considera que para niveles de presiones usuales en ingeniera las reas de contacto son muy pequeas, con relacin al rea total, es posible considerar en una primera aproximacin que a 0. Con lo cual se llega a la relacin del principio de la tensin efectiva (Skempton, 1960).

Fig. 2: Contacto entre partculas

En suelos saturados, la experimentacin ha mostrado, prcticamente sin lugar a duda, que es la tensin efectiva, definida en la forma ya indicada, la que controla tanto la resistencia como las respuestas tensin-deformacin y volumtrica de una masa de suelos. En este contexto, el uso de la tensin efectiva resulta fundamental para predecir el comportamiento mecnico de un suelo.

Un ejemplo clsico que sirve para visualizar cambios en la presin efectiva debidos a cambios en las presiones de poros se presenta en la Fig. 3. El ejemplo consiste en un recipiente con suelo, conectado por la parte inferior a una caera mvil, la cual siempre est con agua a la altura del vertedero. La tensin vertical total en los tres casos indicados tiene la misma distribucin lineal y corresponde al peso de la masa de suelos (incluyendo el peso del agua) por la altura de la columna de suelos bajo la cual se est evaluando la tensin.

Fig. 3: Distribucin de tensiones totales, de poros y efectivas

En la Fig. 3a, el vertedero de la caera est a la misma altura del borde superior del estanque. En esta situacin no existe flujo de agua y las tensiones verticales, de poros y efectivas, son evaluadas en forma directa, indicndose los diagramas correspondientes. En la Fig. 3b, el vertedero de la caera est por debajo del borde superior del estanque, con lo que se produce un flujo de agua descendente a travs del suelo y hacia la izquierda. En esta situacin las presiones de poros son conocidas en forma directa en los puntos A y B, siguiendo una distribucin lineal entre estos puntos. Como se puede observar, la tensin efectiva aumenta respecto del caso indicado en la Fig. 3a. Por ltimo, en la Fig. 3c se ilustra la situacin inversa, con la caera por sobre el borde superior del estanque, lo que produce un flujo de agua ascendente a travs del suelo, de izquierda a derecha. Aqu tambin las presiones de poros son conocidas en forma directa en los puntos A y B, obedeciendo una distribucin lineal entre estos puntos. Inversamente a lo ocurrido en el caso anterior, la presin de poros aumenta, con lo que la tensin efectiva disminuye. Resulta interesante notar que si la caera se sube suficiente, la tensin efectiva puede llegar a un valor nulo, con lo cual se produce el fenmeno denominado ebullicin.

En resumen, es la tensin efectiva la que controla el comportamiento de una masa de suelos y vara de acuerdo a los cambios ocurridos en la presin de poros y por supuesto a cambios de la tensin total, si los hubiere. Visto desde otro punto de vista, se puede decir que si existen cambios de volumen en una masa de suelos y/o deformaciones, necesariamente tiene que haber ocurrido un cambio en las tensiones efectivas.

En una masa de suelos resulta importante conocer las variaciones en las tensiones, tanto totales como efectivas, resultando conveniente establecer un mtodo que permita seguir la trayectoria de las tensiones.

3.- TRAYECTORIA DE TENSIONES

El objetivo principal de la utilizacin de las denominadas trayectorias de tensiones es visualizar y seguir la evolucin de las tensiones, tanto totales, como efectivas, de manera de estimar, entre otras, que tan lejos o cerca se puede encontrar de la falla un estado tensional cualquiera. Para entender la utilidad de las trayectorias de tensiones resulta prctico el ejemplo indicado en la Fig. 4, donde se presentan dos elementos de suelos sometidos a diferentes procesos de carga, que eventualmente conducen a la falla del material.

Fig. 4: Trayectoria de tensiones

En la Fig. 4a se presenta la situacin idealizada de un elemento de suelo ubicado en el paramento interno de un muro de contencin. La ocurrencia de pequeas deformaciones horizontales del muro producir una disminucin de las tensiones horizontales, mantenindose bsicamente las tensiones verticales constantes. La grfica de la evolucin de los crculos de Mohr del proceso de disminucin de carga horizontal se seala en la Fig. 4a. El lugar geomtrico de los extremos superiores de los crculos de Mohr puede usarse como punto de seguimiento a la trayectoria de tensiones. Luego, las variables a introducir son:

En la Fig. 4b se seala la situacin de un elemento de suelos sometido a un aumento de las tensiones horizontales, mientras las verticales permanecen constantes. Se observa que la evolucin de los crculos de Mohr es diferente del caso anterior, lo que es reflejado por la trayectoria de tensiones asociada a este estado de solicitacin.

Luego, las curvas trayectorias de tensiones permiten establecer una especie de traza de la evolucin del historial de carga y como se ver ms adelante, diferenciar modos de falla.

La definicin anterior de las variables s y t pueden ser generalizadas al caso tridimensional, incluyendo la tensin intermedia, 2. En este caso el esfuerzo de corte mximo tambin queda representado por la diferencia entre la tensin mayor, 1 y la tensin menor, 3. En cambio, al considerar un estado triaxial de tensiones resulta ms consistente incorporar el primer invariante de tensiones que, adems, coincide con el valor de la tensin media, correspondiente al estado de tensin esfrico del tensor de tensiones. Luego, para un estado tridimensional de tensiones resulta conveniente el uso de las siguientes variables para definir la trayectoria de tensiones:

Como se explic anteriormente, la tensin efectiva es la que controla la respuesta de una masa de suelos, por lo cual resulta muy importante establecer la trayectoria de tensiones en trminos de tensiones efectivas. Es directo que la variable q, correspondiente al esfuerzo de corte mximo desarrollado entre los planos que contienen las tensiones principales mayor y menor, tiene el mismo valor, tanto en tensiones efectivas como totales. En cambio la tensin media en tensiones efectivas, p, cambia dependiendo del valor de la presin de poros de acuerdo a:

Habiendo definido una forma para seguir la trayectoria de las tensiones, ahora es posible entrar en materia de resistencia al corte.

4.- ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LA RESISTENCIA AL CORTE

Aun cuando en el mundo se ha desarrollado una gran variedad de equipos para medir la resistencia al corte de suelos, en Chile an los ms utilizados son el triaxial y el corte directo. Tambin, se trabaja con el ensayo de compresin no-confinada, pero este ensayo es algo limitado y ms bien se utiliza como un ndice. Existen otros equipos, como el de corte simple, anillo de corte, cilindro hueco, y triaxial verdadero, entre otros, los cuales se ilustran solo esquemticamente en la Fig. 5. Considerando que en nuestro pas los equipos disponibles son el triaxial y el corte directo, a continuacin se explican las caractersticas ms relevantes de estos dos equipos.

Fig. 5: Algunos equipos para evaluar la resistencia de un suelo

4.1.- Ensayo de Corte Directo

El ensayo de corte directo en su concepcin es muy antiguo, fue utilizado en las primeras investigaciones relativas a la resistencia de una masa de suelos por Coulomb en 1776. En la Fig. 6 se ilustra esquemticamente el equipo de corte directo, el cual consiste en una caja separada en dos por la zona media, con una placa superior que se apoya directamente en el suelo y donde se aplica una carga vertical. El esfuerzo de corte se aplica mediante una fuerza horizontal en la caja superior o inferior, producindose el desplazamiento relativo de ambas partes de la caja y por ende movilizndose la resistencia del suelo ubicado en el interior.

Fig. 6: Equipo de Corte Directo (Holtz & Kovacs, 1981)

Al ejecutar este ensayo en diferentes probetas sometidas a diferentes tensiones verticales, se observa que el esfuerzo de corte mximo posible de movilizar en cada caso, se relaciona directamente con la tensin vertical aplicada. Un resultado tpico se presenta en la Fig. 7, donde se observa que la resistencia al corte de un elemento de suelos puede aproximarse a una relacin lineal del tipo:

Cabe hacer notar que los equipos de corte directo comunes no permiten la medicin de las tensiones horizontales, por lo que se desconoce el estado tensional completo y no es posible dibujar, por ejemplo, los crculos de Mohr asociados a la falla.

Fig. 7: Resultados de Equipo de Corte Directo (IDIEM)

Este ensayo puede realizarse bajo deformacin controlada o carga controlada, siendo ms comn utilizar la opcin de deformacin controlada. Dependiendo de la velocidad de la deformacin horizontal, es posible desarrollar en limos y arcillas una condicin cercana a la no-drenada. En arenas se recomienda aplicar una velocidad de deformacin baja de forma de asegurar una condicin drenada. Velocidades altas podran inducir una situacin intermedia no controlada.

Algunos equipos estn diseados de manera de poder controlar la presin vertical y as mantener la altura de la probeta constante, permitiendo la aplicacin de corte en una condicin de volumen constante y por ende equivalente a un estado no-drenado. En arenas limpias, sin embargo, esta condicin tampoco es completamente cierta debido a lo que ocurre en los bordes, donde se separan ambas partes de la caja de corte.

4.2.- Ensayo Triaxial

Una vista esquemtica del equipo triaxial se muestra en la Fig. 8. La aplicacin de una presin al interior de la celda permite confinar istropamente una probeta cilndrica. Mediante el pistn axial se aplica una carga vertical, comnmente denominada, desviador de tensiones. Aun cuando este equipo es llamado, triaxial, no permite la aplicacin independiente de las tres tensiones principales, siendo siempre las dos tensiones horizontales iguales.

Fig. 8: Seccin de una Celda Triaxial tpica (Lambe & Whitman)

Este equipo permite la saturacin de las muestras mediante la aplicacin de una contrapresin al interior de la probeta. Adems, permite la medicin de los cambios en la presin de poros, con lo cual es posible conocer las tensiones efectivas en todo momento.

Dos son los modos ms usuales de carga, compresin y extensin, cuyos modos de deformacin son los ilustrados en la Fig. 9. En compresin basta con consolidar la probeta a un nivel de presin deseado y luego aplicar una carga vertical a travs del pistn axial. En extensin, una posibilidad es consolidar la probeta a un nivel de presin deseado y luego aumentar la presin de la celda, manteniendo constante la carga total axial. En general, la respuesta en extensin es ms desfavorable que en compresin.

Fig. 9: Modos de deformacin ensayo triaxial en a) compresin y b) extensin

Durante la fase de carga es posible mantener las vlvulas que conectan al interior de la probeta, vlvulas de drenaje, abiertas o cerradas. Es decir, permitiendo o impidiendo el flujo de agua desde o hacia el interior de la probeta. Es corriente clasificar los ensayos triaxiales de acuerdo a s son drenados o no-drenados como:

UU : No Consolidado - No Drenado CID: Consolidado - Drenado CIU: Consolidado - No Drenado

Dado que se puede conocer la tensin vertical, horizontal y la presin de poros (caso no-drenado), en todo momento es posible dibujar los crculos de Mohr correspondientes para el estado de resistencia ltima del suelo. En la Fig. 10 se muestran series de crculos de Mohr tpicos de un ensayo drenado. Se observa que existe una envolvente de falla a la cual los crculos de Mohr asociados a la falla son tangentes. Esta envolvente de falla corresponde a la conocida relacin de Mohr-Coulomb para el estado de rotura de una masa de suelos y cuya expresin matemtica es la misma relacin descrita para el ensayo de corte. Es importante sealar que los parmetros de resistencia al corte, c y , obtenidos a partir de ensayos triaxiales, son parecidos, pero no iguales a los de corte directo. Adems, los parmetros de resistencia al corte son diferentes en ensayos triaxiales de compresin y extensin. Esto se debe principalmente al efecto de la tensin principal intermedia.

Fig. 10 : Crculos de Mohr, ensayo triaxial drenado en arena.

En la Fig. 10 tambin se observa que la envolvente de falla es algo curva y a mayor presin de confinamiento existe una disminucin del ngulo de friccin del material.

Matemticamente es posible demostrar que las tensiones principales, en la fase de rotura, estn relacionadas con los parmetros de resistencia al corte, c y , a travs de la siguiente expresin:

Es de vital importancia ahora establecer como una masa de suelos alcanza el estado ltimo de falla.

5.- RESPUESTAS DRENADA Y NO DRENADA

Durante la aplicacin de un esfuerzo de corte a una masa de suelos, una de las grandes diferencias con otros materiales de ingeniera, es el desarrollo de importantes cambios volumtricos. Esta deformacin volumtrica es producto del reacomodo de partculas y proviene bsicamente del cambio de volumen de los huecos del sistema particulado. El primer trabajo a este respecto fue realizado por Reynolds en 1885, quien mostr que durante la aplicacin de corte, arenas densas tienden a expandirse aumentando de volumen, mientras que arenas sueltas tienden a contraerse, disminuyendo de volumen. En forma genrica, Reynolds denomin dilatancia a la tendencia al cambio de volumen de un material particulado, sin embargo, hoy en da es comn slo denominar dilatancia a la tendencia al cambio volumtrico que induce un aumento del volumen de la masa de suelos y contraccin a la tendencia al cambio volumtrico que induce una disminucin del volumen de la masa de suelos.

En la Fig. 11 se ilustra la situacin de un conjunto de esferas sometidas a un esfuerzo cortante. En el caso de un arreglo denso de esferas (volumen inicial de huecos reducido) se puede apreciar que la deformacin asociada al esfuerzo de corte tiende a producir un aumento del volumen de huecos. Por el contrario, en el caso de un arreglo suelto de esferas (volumen inicial de huecos significativo) se puede apreciar que la deformacin asociada al esfuerzo de corte tiende a inducir una disminucin del volumen de huecos.

Fig. 11: Arreglo de partculas a) Estado denso y b) suelto (Lambe & Whitmann)

La tendencia al cambio de volumen de una masa de suelos es de gran importancia en la resistencia movilizada, especialmente si esta tendencia es impedida de desarrollarse. Por ejemplo, solicitaciones suficientemente rpidas en suelos saturados pueden impedir que el proceso de cambio de volumen logre desarrollarse, esto debido a que no existe suficiente tiempo para que el agua que ocupa los intersticios pueda fluir y as permitir la ocurrencia del cambio volumtrico.

Solicitaciones rpidas, como la accin de un sismo, producen, en general, condiciones donde el drenaje del agua de los intersticios es prcticamente nulo, con lo cual se est en presencia de lo que se denomina: carga no-drenada, o una respuesta no-drenada. En el otro extremo se sita una carga lenta, como por ejemplo, la respuesta en el largo plazo de cualquier peso de estructura que est permanentemente en el tiempo y por tanto permite la disipacin de cualquier incremento de presin de poros que se produzca. En este caso se habla de respuesta drenada del suelo o carga drenada.

Materiales muy permeables, como gravas gruesas y limpias, presentan una respuesta drenada, inclusive para cargas rpidas. Por otro lado, suelos muy finos, como arcillas de alta plasticidad, responden esencialmente en una condicin no-drenada, producindose el drenaje al cabo de muchos aos. Suelos de permeabilidades intermedias pueden responder bajo condiciones ms cercanas a drenadas o no-drenadas, dependiendo de la rapidez de la solicitacin, permeabilidad del terreno y condiciones de bordes.

En una gran mayora de situaciones, la respuesta real del suelo ocurre en condiciones de drenaje parcial, pero el anlisis resulta bastante complejo y no se justifica, salvo en proyectos de gran envergadura. Luego, en la prctica se adopta como criterio de anlisis la posibilidad de slo dos condiciones extremas: totalmente drenado o totalmente no-drenado.

A continuacin se separa el comportamiento tensin-deformacin-cambio volumtrico para suelos finos y suelos gruesos, considerando condiciones de carga drenada y no-drenada: Esta separacin es slo para identificar algunas diferencias que pueden ser tiles de tener presente desde un punto de vista ingenieril, pero como se ver, bsicamente el comportamiento drenado y no-drenado de un medio particulado cae en un mismo marco referencial.

5.1- Comportamiento de suelos finos saturados

La respuesta tensin-deformacin-cambio volumtrico de suelos arcillosos y limosos de plasticidad media a alta, est fuertemente controlada por el historial de solicitaciones que haya sufrido la masa de suelos fino. En este tipo de suelos es muy importante el nivel de pre-consolidacin que existe en la masa de suelos, principalmente por dos hechos:

Un suelo fino saturado se densifica muy poco, o nada, por vibracin

Para el estado normalmente consolidado, existe prcticamente una curva nica que relaciona la densidad (ndice de huecos) con la tensin efectiva.

La Fig. 12 muestra esta relacin tpica entre el ndice de huecos y tensin efectiva vertical en un suelo arcilloso. La rama de carga, o curva de consolidacin, (curva del suelo normalmente consolidado) es nica, en el sentido que slo existe una relacin entre ndice de huecos y tensin efectiva aplicada. Entonces, si se conoce el nivel de presin solicitante, inmediatamente se conoce el ndice de huecos y viceversa. Esta curva tambin puede ser entendida como una frontera sobre la cual no existen estados posibles de la masa de suelos finos.

Fig. 12: Curva de consolidacin con rama de carga y descarga

Por otra parte, la fase de descarga comenzada desde cualquier punto de la curva de consolidacin, corresponde a un estado de preconsolidacin. Entonces, para que un suelo fino est ms denso de lo que corresponde de acuerdo a su curva de consolidacin y nivel de tensin solicitante, debe haber sido sobrecargado previamente y estar por ende, en una condicin de preconsolidacin.

Para clasificar el comportamiento de suelos finos, resulta muy conveniente la definicin del trmino, la razn de preconsolidacin, OCR (over consolidation ratio), como:

La experiencia indica que, dependiendo del valor de OCR, se puede clasificar la respuesta de suelos finos en tres grupos:

En el caso de suelos normalmente consolidados sometidos a una solicitacin no-drenada en el equipo triaxial, en la Fig. 13a se ilustra la tpica respuesta tensin-deformacin para tres presiones diferentes de confinamiento efectivo y en la Fig. 13b se ilustra la forma general de las trayectorias de tensiones efectivas. Resulta importante hacer las siguientes observaciones:

La resistencia ltima es directamente proporcional a la presin confinante inicial aplicada. Por ejemplo, si la tensin desviatrica, q, se normaliza por la presin confinante inicial, para los tres ensayos representados anteriormente se obtiene una grfica como la ilustrada en la Fig. 13c.

Las trayectorias de tensiones efectivas son geomtricamente similares, con una franca curvatura hacia la izquierda, indicando que la carga no-drenada estara asociada con incrementos de presin de poros positiva.

La respuesta tensin-deformacin es del tipo montono creciente, desarrollndose una resistencia ltima que es alcanzada en forma asinttica a grandes deformaciones.

La envolvente de falla, ilustrada en el plano q-p, se aproxima a una recta que pasa por el origen, indicando que la cohesin es nula. Luego, suelos arcillosos normalmente consolidados no presentan cohesin (entendida sta como el intercepto de la envolvente de falla con el eje de la tensin de corte).

Fig. 13: Suelo normalmente consolidado. Respuesta no-drenada (Atkinson & Brasby, 1977)

A continuacin se ilustra tambin el caso de suelos normalmente consolidados, pero sometidos a una solicitacin drenada en el equipo triaxial. Para tres presiones diferentes de confinamiento efectivo, en la Fig. 14a se ilustra la tpica respuesta tensin-deformacin, en la Fig. 14b se ilustran las trayectorias de tensiones y en la Fig. 14c las curvas de deformacin volumtricas correspondientes a cada ensayo. A partir de las grficas presentadas, resulta importante hacer las siguientes observaciones:

Al igual que en el caso no-drenado, la resistencia ltima es directamente proporcional a la presin confinante inicial aplicada. Nuevamente, si la tensin

deviatrica, q, se normaliza por la presin confinante inicial, se obtiene una grfica nica como la ilustrada en la Fig. 14d.

La respuesta tensin-deformacin es del tipo montono creciente, desarrollndose una resistencia ltima que es alcanzada en forma asinttica a grandes deformaciones.

Las curvas de deformacin volumtricas son coincidentes en una sola y estn asociadas a una contraccin del material.

Por tratarse de una solicitacin drenada, las trayectorias de tensiones efectivas coinciden con las trayectorias de tensiones totales, siendo en este caso las correspondientes al ensayo triaxial tradicional de compresin.

La envolvente de falla, ilustrada en el plano q-p, se aproxima a una recta que pasa por el origen, indicando que la cohesin es nula. Luego, suelos arcillosos normalmente consolidados no presentan cohesin (entendida sta como el intercepto de la envolvente de falla con el eje de la tensin de corte).

Fig. 14: Suelo normalmente consolidado. Respuesta drenada ( Atkinson & Brasnby, 1977)

Por otra parte, suelos finos preconsolidados (OCR 3) presentan ciertas diferencias respecto de los normalmente consolidados. Para la situacin de una carga no-drenada,

en la Fig. 15 se presentan resultados tpicos, donde se pueden hacer las siguientes observaciones:

Se produce una resistencia peak a un nivel de deformacin relativamente bajo. Las trayectorias de tensiones efectivas son curvadas hacia la derecha, indicando

que la carga no-drenada estara asociada con incrementos negativos de presin de poros.

La envolvente de falla, ilustrada en el plano q-p, es francamente curva y se puede aproximar a dos rectas. La primera, para la zona de preconsolidacin, presenta un claro intercepto con el eje vertical, con lo cual se habla de cohesin. Luego, suelos arcillosos preconsolidados evidencian cohesin (entendida sta como el intercepto de la envolvente de falla con el eje de la tensin de corte).

Fig. 15: Suelo pre-consolidado. Repuesta no-drenada.

Para la situacin de un suelo preconsolidado sometido a una carga drenada, en la Fig. 16 se presenta un resultado tpico de una arcilla fuertemente preconsolidada (OCR = 24), de donde se observa que:

La curva tensin deformacin presenta una peak de resistencia. La deformacin volumtrica es inicialmente del tipo contractiva,

transformndose muy rpidamente en dilatante. Es decir la masa de suelo inicialmente disminuye de volumen, pero en definitiva aumenta significativamente de volumen.

La envolvente de falla en este caso presenta una fuerte curvatura inicial y corta al eje de la tensin de corte en un valor distinto de cero. La envolvente global puede ser modelada por dos rectas de distinta pendiente.

Fig. 16: Suelo pre-consolidado. Respuesta drenada.

Finalmente, con relacin a los suelos finos levemente preconsolidados, stos presentan un comportamiento de transicin entre los suelos normalmente consolidados y preconsolidados.

5.2.- Comportamiento de suelos gruesos saturados

A diferencia de los suelos finos, en arenas y gravas, no se aplica el concepto de normalmente consolidados, o preconsolidado, simplemente se utiliza la idea de un material denso, o suelto. Una de las razones de esto, es que en suelos granulares no existe una curva nica de consolidacin, debido a que por vibracin un suelo granular puede variar su estado de densidad de muy suelto a muy denso, independientemente del nivel de tensiones solicitante.

Fig. 17: Suelo arenoso suelto. Respuesta drenada. (Bishop, 1966)

En la Fig. 17 se presentan resultados de un suelo arenoso suelto sometido a un ensayo triaxial, bajo carga drenada. Se puede observar que, en trminos generales, la respuesta tensin-deformacin es muy similar a la expuesta para suelos finos normalmente consolidados. Las curvas de variacin de volumen son tambin de forma

similar a las de suelos finos normalmente consolidados, pero con la salvedad que existen diferentes curvas de acuerdo al nivel de presin confinante.

En la Fig. 18 se presentan resultados de un suelo arenoso suelto sometido a un ensayo triaxial, pero ahora con una carga en condiciones no-drenadas. Se observa una significativa diferencia con relacin a los suelos finos normalmente consolidados. En este caso se pueden destacar los siguientes aspectos:

Las curvas tensin-deformacin presentan un marcado peak a un nivel de deformacin reducido, para luego exhibir una significativa prdida de resistencia.

Las trayectorias de tensiones efectivas se movilizan hacia la izquierda y hacia el origen, indicando un significativo aumento en la presin de poros.

La resistencia peak no est asociada con el ngulo de friccin mximo movilizado.

Aun cuando exista una marcada prdida de resistencia al corte, el ngulo de friccin mximo movilizado ocurre a grandes deformaciones.

Fig. 18: Suelo arenoso suelto. Respuesta no-drenada (IDIEM)

Para probetas de suelo arenoso en un estado denso, en la Fig. 19 se presentan resultados de un ensayo triaxial, bajo carga drenada. Se puede observar que la respuesta tensin-deformacin es similar a la expuesta para suelos finos preconsolidados. Algo similar ocurre con las curvas de variacin de volumen las cuales tambin presentan una forma similar a las de suelos finos preconsolidados. Sin embargo, la envolvente de falla en el plano q-p, se observa curva, pero igual pasa por el origen, indicando una variacin del ngulo de friccin mximo movilizado con el nivel de presin y una cohesin nula.

Fig. 19: Suelo arenoso denso. Respuesta drenada.

Cabe sealar que en gravas densas es posible que la curvatura sea fuerte, pero adems, se desarrolle una cohesin, siendo est de origen mecnico (trabazn de partculas).

Fig. 20: Suelo arenoso denso. Respuesta no-drenada (IDIEM)

En la Fig. 20 se presentan resultados de un suelo arenoso denso sometido a un ensayo triaxial, pero ahora con una carga en condiciones no-drenadas. Se observa una significativa diferencia, tanto en las curvas tensin-deformacin como en las trayectorias de tensiones efectivas respecto de los suelos finos preconsolidados. De los resultados expuestos se pueden destacar los siguientes aspectos:

Las curvas tensin-deformacin presentan una pequea prdida de rigidez a un nivel de deformacin bajo.

Las trayectorias de tensiones efectivas se movilizan inicialmente hacia la izquierda y bruscamente hacia la derecha, indicando un cambio de comportamiento contractivo a dilatante, o de incrementos positivos de presin de poros a negativos. Este punto particular, denominado transformacin de fase, coincide con la prdida de rigidez observada en la curva tensin-deformacin. El fenmeno de dilatancia slo puede ser observado mientras no exista cavitacin en el agua intersticial.

La resistencia ltima desarrollada a grandes deformaciones no est asociada con el mximo ngulo de friccin movilizado.

El mximo ngulo de friccin movilizado se produce a un nivel medio de deformacin.

Suelos granulares con grados de densificacin medios poseen un comportamiento intermedio entre lo observado para estados densos y sueltos.

5.3.- Suelos parcialmente saturados

En el caso de suelos parcialmente saturados, la situacin es ms compleja y no se entrar en mayores detalles. Sin embargo, es importante indicar que en suelos finos el grado de saturacin incide fuertemente en la resistencia de la masa de suelos, como indican los resultados de la Fig. 21. Esto explica las fallas de muchos taludes despus de lluvias que aumentan el grado de saturacin del terreno.

Fig. 21: Efecto del grado de saturacin en la resistencia.

6.- ESTADO CRTICO O STEADY STATE

En la Fig. 22 se muestran los resultados de una serie de ensayos no-drenados de probetas compactadas a diferentes densidades y consolidadas isotrpicamente bajo una presin efectiva de `0 = 10 kg/cm2. Se observa que tanto las curvas tensin-deformacin como las trayectorias de tensiones efectivas son fuertemente dependientes del grado de densificacin de las muestras. Adems, se observa que la resistencia ltima vara significativamente desde cero, para una densidad relativa menor a 12% (e=0.933), hasta 40 kg/cm2, para una densidad relativa de 66% (e = 0.725), quedando as de manifiesto el significativo efecto del grado de densificacin de la masa de suelos en la resistencia ltima no-drenada. Es importante recalcar que en las muestras fuertemente dilatantes, como la T07, el uso de alta contra-presin permiti evitar la cavitacin del agua intersticial, siendo as posible la completa evaluacin de la respuesta no-drenada.

Fig. 22: Respuesta no-drenada para 0 = 10 kg/cm2 a) curvas tensin-deformacin, b) trayectoria de tensiones.

Con el objeto de visualizar con mayor claridad la influencia de la densidad (o ndice de huecos) y de la presin confinante en la respuesta no-drenada de suelos arenosos, se presentan a continuacin cuatro series de ensayos, en cada una de las cuales la presin confinante se vara en un amplio rango, mientras que el ndice de huecos desarrollado despus de la etapa de consolidacin se mantiene constante en cada serie. Por lo tanto, cada serie permite estudiar la respuesta no-drenada de probetas con un determinado ndice de huecos sujetos a diferentes presiones efectivas de confinamiento. En la Fig. 23 se muestran los resultados de la serie con un ndice de huecos, e = 0.735 y presiones efectivas de confinamiento de 1, 10, 20 y 30 kg/cm2. Para la densidad y rango de presiones utilizadas, se observa que la respuesta del suelo es del tipo dilatante, evidencindose una significativa disminucin de la presin de poros, la que es ms pronunciada cuanto menor es el nivel de presin confinante inicial. Adems, se observa el importante hecho de que todas las probetas de esta serie desarrollan a grandes deformaciones el mismo valor de resistencia ltima, indicando que la resistencia ltima no-drenada es slo funcin de la densidad e independiente del nivel de presin de confinamiento inicial.

Fig. 23: Respuesta no-drenada para e = 0.735, a) curvas tensin-deformacin, b) trayectoria de tensiones.

Los resultados de la segunda serie de ensayos, llevada a cabo en probetas con un ndice de huecos despus de la etapa de consolidacin de e = 0.833 y presiones efectivas de confinamiento de 1, 10, 20 y 30 kg/cm2, se muestran en la Fig. 24. Al igual que en la serie anterior, se observa que a grandes deformaciones se alcanza una resistencia ltima idntica, independientemente de la presin efectiva de confinamiento inicial. Sin embargo, es importante destacar que para un nivel medio de deformacin, la respuesta no-drenada es fuertemente dependiente de la presin efectiva de confinamiento inicial. Para las presiones ms bajas de 1 y 10 kg/cm2, la respuesta es bsicamente dilatante, con curvas tensin-deformacin montonas crecientes hasta alcanzarse la resistencia ltima, mientras que para las presiones ms altas de 20 y 30 kg/cm2, la respuesta es contractiva, con curvas tensin-deformacin que muestran una resistencia peak asociada con un nivel de deformacin axial del orden del 2%, seguida luego de una prdida de resistencia, alcanzndose un valor mnimo de resistencia a un nivel de deformacin axial alrededor del 5 al 10%. Cuando el nivel de deformacin axial es mayor al 25%, se observa que finalmente se alcanza la resistencia ltima de la probeta.

Fig. 24: Respuesta no-drenada para e = 0.833, a) curvas tensin-deformacin, b) trayectoria de tensiones.

En la Fig. 25 se muestran los resultados obtenidos de la tercera serie de ensayos realizados con un ndice de huecos despus de la etapa de consolidacin, e = 0.908 y presiones efectivas de confinamiento de 1, 10 y 20 kg/cm2 . Para la densidad y el rango de presiones utilizados, la respuesta es principalmente contractiva, observndose para la presin de 20 kg/cm2 una fuerte prdida de resistencia hasta alcanzar la resistencia ltima. Los resultados de esta serie tambin ratifican que la

resistencia ltima no-drenada es independiente del nivel de presin efectiva inicial confinante y que sta slo depende del ndice de huecos de la probeta.

Fig. 25: Respuesta no-drenada para e = 0.908, a) curvas tensin-deformacin, b) trayectoria de tensiones.

Finalmente, los resultados de la cuarta serie de ensayos utilizando probetas con ndices de hueco mayores a 0.930 y presiones efectivas de confinamiento de 1, 10 y 20 kg/cm2 se muestran en la Fig. 26. En este caso se observa una respuesta completamente contractiva con una importante prdida de resistencia y una resistencia ltima no-drenada nula. Nuevamente los resultados experimentales sugieren que la presin de confinamiento no influye en la resistencia ltima no-drenada, siendo sta slo funcin de la densidad de la probeta. Es importante notar que los resultados de esta serie muestran que existe un ndice de huecos crtico sobre el cual la resistencia ltima es nula, comportndose el suelo repentinamente como un fluido sin ninguna resistencia al corte. Si el ndice de huecos es menor que este valor crtico, siempre existir un valor de resistencia ltima no-drenada mayor que cero.

Fig. 26: Respuesta no-drenada para e > 0.930, a) curvas tensin-deformacin, b) trayectoria de tensiones.

Los resultados experimentales obtenidos en la arena de Toyoura indican la existencia de una relacin directa entre el ndice de huecos y la resistencia ltima no-drenada. Por otra parte, es esperable que la resistencia ltima sea del tipo friccionante y por tanto se satisfaga una relacin del tipo Mohr-Coulomb, debiendo existir entonces durante el estado ltimo una relacin entre, por ejemplo, resistencia ltima y presin media efectiva,

p = (1 + 2 + 3)/3.

Esto implica que cuando se ha alcanzado un nivel de deformacin significativo, y por ende el estado ltimo, existira una relacin entre densidad, esfuerzo cortante y presin media efectiva. Esta relacin es comnmente denominada, lnea de steady state (Poulos, 1981).

Un marco conceptual til para visualizar la respuesta, tanto drenada como no-drenada, es el denominado steady state of deformation o estado de deformacin continua (Castro 1969; Casagrande, 1970; Casagrande 1975; Poulos 1981). Este estado se caracteriza por la deformacin continua de una masa de suelos a esfuerzo de corte constante, tensin efectiva normal constante, sin la ocurrencia de cambio de volumen y a velocidad constante. Esta condicin de steady state se observa a grandes deformaciones cuando se alcanza el estado ltimo, razn por la que el trmino resistencia ltima es un sinnimo de steady state strength.

Tal como se indic anteriormente, durante el estado ltimo, o steady state, existe una relacin entre, densidad, presin efectiva media y resistencia. Esta relacin se denomina lnea de steady state, o lnea de deformacin continua, siendo una representacin usual en trminos de: ndice de huecos, e, esfuerzo de corte, q = (1 - 3)/2 y presin media efectiva, p. Para la arena Toyoura, en la Fig. 27 se muestran las proyecciones de la lnea de deformacin continua en los planos e-p y p-q. Como se observa, estos datos experimentales confirman la existencia de una correlacin entre los parmetros, e, q y p evaluados a grandes deformaciones. Esta relacin tiene una gran implicancia en la evaluacin de la resistencia ltima, pues significa que para cualquier solicitacin rpida (no-drenada) es posible evaluar en forma directa la resistencia ltima a partir de la lnea de deformacin continua, al conocer el ndice de huecos de la masa de suelo.

Fig. 27: Proyecciones curvas deformacin continua (steady state) en los planos a) e - p y b) q - p

Otro aspecto de mucha importancia que es necesario analizar se refiere a las condiciones bajo las cuales una probeta de suelos presenta una respuesta no-drenada fuertemente contractiva, con una curva tensin-deformacin con una significativa prdida de resistencia. Este tipo de respuesta fue inicialmente estudiada por Castro, 1969 y un ejemplo se muestra en la Fig. 28. El anlisis de este tipo de respuesta es importante debido a que est asociado con fallas globales por inestabilidad repentina de la masa de suelos. Casagrande defini a este tipo de falla como licuacin

verdadera, o falla fluida, pues efectivamente en terreno involucra el flujo del material por varias decenas de metros.

Fig. 28: Respuesta contractiva con prdida de resistencia.

En la Fig. 29 se muestra la curva de deformacin continua (estados de resistencia ltima), indicndose mediante cuadrados negros aquellos estados iniciales que mostraron prdida de resistencia y mediante cuadrados blancos aquellos estados iniciales que desarrollaron una curva tensin-deformacin montona creciente hasta alcanzar la resistencia ltima. Los datos experimentales permiten definir una frontera ubicada por arriba de la lnea de deformacin continua sobre la cual se extienden las combinaciones iniciales de densidad y presin confinante asociadas a una respuesta contractiva con prdida de resistencia. Esta frontera indicada en la Fig. 29 ha sido obtenida en base a ensayos triaxiales con consolidacin isotrpica, para estados iniciales de tensin anisotrpicos dicha frontera se desplaza acercndose a la lnea de deformacin continua.

Fig. 29: Estados iniciales y lnea de steady state.

Entonces, la existencia de un estado ltimo, o de deformacin continua, o steady state, es de gran utilidad para evaluar la resistencia ltima no-drenada y para identificar, a partir de la combinacin de densidad y presin confinante inicial, el tipo de respuesta tensin-deformacin: montono creciente o con prdida de resistencia.

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