Esfuerzo Efectivo

El principio del esfuerzo efectivo es probablemente el concepto más importante en la ingeniería geotécnica. En el cálculo y análisis de problemas como el asentamiento de los suelos, capacidad de carga de fundaciones, estabilidad de presas, y presión lateral en estructuras de retención de tierra, la compresibilidad y resistencia al corte de un suelo son las propiedades que más influyen en el diseño y estas propiedades dependen en gran parte del esfuerzo efectivo, lo cual hace que el concepto del esfuerzo efectivo sea muy importante en el análisis de estos problemas.

En los suelos a diferencia de otros materiales sus componentes (sólidos, agua y aire) no están firmemente unidos y es por esta razón que la respuesta del suelo en conjunto a cualquier carga o la transmisión de esfuerzos de esa carga al interior del suelo es la acumulación del comportamiento de sus tres componentes. El esqueleto del suelo es por lo general muy deformable, debido al deslizamiento y reorganización de las partículas. Por este motivo es que la deformación de una masa de suelo viene controlada por la interacción entre las partículas individuales. Esta interacción entre la estructura del suelo y el fluido en los poros determina el único comportamiento que depende del tiempo en la masa del suelo, esto es debido a que el agua y el aire dentro los espacios vacíos entre partículas se comportan en forma distinta según se apliquen las cargas muy rápida o muy lentamente. 

Para poder entender más fácilmente los esfuerzos y deformaciones que se producen en un suelo es necesario primeramente definir claramente que son los esfuerzos y las deformaciones que producen

Tomado de : https://es.scribd.com/doc/55413309/esfuerzos-efectivos-en-suelos

Definición

El esfuerzo efectivo en cualquier dirección está definido como la diferencia entre el esfuerzo total en dicha dirección y la presión del agua que existe en los vacíos del suelo.  El esfuerzo efectivo es por lo tanto una diferencia de esfuerzos.

De acuerdo a lo planteado en el principio de Terzaghi relacionado en este tema se fundamenta en la teoría de la consolidación que datan de 1920, y el siguiente concepto: 

     “Los esfuerzos en cualquier punto de una sección de una masa de suelo pueden calcularse de los esfuerzos principales totales σ1, σ2 y σ3 que actúan en ese punto. Si los vacíos del suelo están llenos de agua con un esfuerzo u, los esfuerzos totales principales consisten de dos partes. Una parte, u, actúa en el agua y en el sólido en todas direcciones con igual intensidad. Se denomina presión de poros. La diferencia   representa un exceso sobre la presión de poros y ocurre exclusivamente en la fase sólida. Esta fracción de los esfuerzos totales principales, será llamada esfuerzos efectivos principales... Un cambio en la presión de poros no produce cambio de volumen y prácticamente no influencia los esfuerzos en la falla...Los materiales porosos (arena, arcilla y concreto) reaccionan a un cambio en u como si fueran incompresibles y como si su fricción fuera igual a cero. Todos los efectos medibles de un cambio de esfuerzo, tales como compresión, distorsión y un cambio de resistencia cortante son exclusivamente debidos a cambios en los esfuerzos efectivos σ 1 ,σ 2 y σ 3 .Por lo tanto, cualquier investigación en la estabilidad de un cuerpo saturado de suelos requiere el conocimiento de tanto el esfuerzo total como la presión de poros”.

En el cual se aplicaría cómo criterios de diseño para el soporte de túneles en roca en base a una evaluación empírica lo que considera que tanto las partículas sólidas y el agua son incompresibles de la cual ha generado contribuciones a la mecánica de suelos.

 

Naturaleza del Esfuerzo Efectivo

El suelo es una estructura semejante a un esqueleto de partículas sólidas en contacto, formando un sistema intersticial de vacíos intercomunicados. Los vacíos del suelo están total o parcialmente llenos de agua. La interacción entre la estructura del suelo y el fluido de los vacíos determina el comportamiento, desde el punto de vista de la ingeniería, único y dependiente del tiempo, de la masa del suelo.

La compresibilidad de un suelo sujeto a carga o descarga, es principalmente su capacidad de deformación de vacíos, usualmente por desplazamiento de agua. La resistencia de un suelo es su capacidad última de resistencia a tal carga.

Los esfuerzos cortantes sólo pueden ser resistidos por la estructura de las partículas sólidas, pues el agua no tiene resistencia cortante. Por otro lado, el esfuerzo normal en cualquier plano es la suma de dos componentes: una debida a la carga transmitida por las partículas sólidas de la estructura del suelo, y la otra, una presión del fluido en los espacios vacíos.

La compresibilidad y la resistencia de un suelo dependen de la diferencia entre el esfuerzo total debido a la carga externa, σ, y la presión de poros, µ. Esta diferencia se denomina esfuerzo efectivo, y se expresa por:

σ = (σ − µ) (1)
 

La naturaleza física de este parámetro puede entenderse intuitivamente considerando a un suelo saturado limitado por una membrana flexible impermeable. El esfuerzo total debido a la carga aplicada es σ, que es perpendicular a la membrana. La presión de poros es µ (µ < σ), la cual por ser una presión hidrostática, tiene igual intensidad en todas las direcciones. La presión de poros es perpendicular a la membrana y tiene el valor de µ. Examinando los esfuerzos normales a la membrana, se puede apreciar que la diferencia de esfuerzos (σ-µ) se transmite a la estructura del suelo a través de la membrana, para una situación de equilibrio. Entonces, el esfuerzo efectivo (σ-µ) es una medida de la carga transmitida por la estructura del suelo.

 

El Principio de Esfuerzos Efectivos en Suelos Secos o Saturados El principio de los esfuerzos efectivos fue propuesto por Karl Terzaghi en 1923 . La expresión anterior fue establecida para suelos saturados o suelos granulares secos. De acuerdo a Lambe y Whitman (1969), el principio de esfuerzos efectivos se enuncia del modo siguiente:

a) El esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo total menos la presión de poros.

b) El esfuerzo efectivo controla ciertos aspectos del comportamiento del suelo, especialmente la compresibilidad y la resistencia. Bishop y Blight (1963) indicaron que existen dos condiciones necesarias y suficientes para que la ec. (1) se cumpla rigurosamente para el cambio de volumen y la resistencia de suelos saturados o secos:

     1) Las partículas del suelo son incompresibles.

     2) El esfuerzo de fluencia en la partícula sólida, que controla el área de contacto y la resistencia    cortante intergranular, es independiente del esfuerzo de confinamiento.

Los suelos reales no satisfacen completamente estas dos condiciones, tal como fue indicado por Skempton (1961); el comportamiento mecánico de los suelos y otros materiales porosos está controlado más exactamente por un esfuerzo efectivo que es función del esfuerzo total y la presión de poros en la forma:

σ =σ − kµ

Resistencia máxima o resistencia pico

Este tipo de parámetro se localiza sobre la gráfica de esfuerzo deformación como el punto máximo de la gráfica el cual es la resistencia al corte máxima del suelo que no ha sido fallado previamente

Resistencia residual

Esta es la resistencia del material en el cual se analiza después de un suceso de deslizamientos después de ocurridos, en la cual muestra que su curva sobre la gráfica esfuerzo – deformación es similar a la curva donde se obtiene la resistencia pico.

Como factor clave para determinar la diferencia de estas dos resistencias es la sensitividad, que por perdida de resistencia por el remoldeo se genera una reorientación de las partículas de arcilla. 

 

 

Envolventes de resistencia pico y residual

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De acuerdo al tipo de suelo estas resistencias tienden a:

a.     Suelos dúctiles: Las resistencias son muy similares.

b.     Suelos frágiles: Se presenta disminución significativa de la resistencia pico a la residual.

c.     Sensitividad: Relacionada con la pérdida de resistencia por el remoldeo o la reorientación de las partículas de arcilla.

Estimación de esfuerzos efectivos a partir del parámetro C de Bishop en una arena limosa

   

El comportamiento de resistencia y cambios volumétricos de un suelo saturado están controlados por los esfuerzos efectivos, sin embargo, para el caso  de los suelos no saturados no ha sido posible esclarecer este argumento. No  existe una ecuación de esfuerzos efectivos para los suelos no saturados que  sea aplicable a todos los tipos de suelos. Bishop (1959) propuso una ecuación para esfuerzos efectivos para suelos no saturados, esta ecuación contiene el parámetro c; para determinar este parámetro existen varias ecuaciones pero ninguna comprende todos los casos. Por otra parte, en la mecánica de suelos se ha considerado que la resistencia cortante de los suelos finos se incrementa con la succión; sin embargo, esto no es el caso para todos los tipos de suelos.

 Existen algunos suelos cuya resistencia alcanza un máximo para cierta succión y luego se reduce para valores mayores de succión, no obstante, tales casos aún no han sido completamente documentados y analizados.

Se presenta una serie de pruebas triaxiales con succión controlada en laboratorio hechas en una arena limosa. Las pruebas se hicieron para las  trayectorias de humedecimiento y secado. La succión se controló mediante  circulación de aire con humedad relativa constante. La curva de retención de agua fue también obtenida para ambas trayectorias de humedecimiento y secado con la técnica del papel filtro, y para la trayectoria de secado se hicieron pruebas con el cilindro extractor de membrana. Los resultados de las pruebas triaxiales se muestran en diagramas p’-q y se ha podido observar  que la resistencia del suelo crece a un máximo para cierta succión y luego decrece para valores mayores de succión, también se han incluido los valores de c obtenidos de algunas ecuaciones existentes para este parámetro y resultados experimentales. 

Terzaghi (1936) establece el principio de los esfuerzos efectivos, y en mecánica, se han definido esos esfuerzos como los que controlan la resistencia al cortante y los cambios de volumen de los suelos, éstos últimos generalmente se han relacionado con el fenómeno de consolidación. En este principio, Terzaghi considera que tanto las partículas sólidas y el agua son incompresibles, además de que puede ser despreciada el área de contacto entre dos partículas.