PRINCIPALES PARÁMETROS PARA CARACTERIZAR LA DEFORMACIÓN DEL SUELO

La deformación en suelos, dada su naturaleza heterogénea, presenta diferentes tipos de comportamiento que se clasifican como lo muestra Braja M. Das en “Fundamentos De Ingenieria Geotecnica”, de la siguiente manera:

 “En general, el asentamiento de suelos causado por cargas se divide en tres amplias categorías:

1.       Asentamiento Inmediato: provocado por la deformación elástica del suelo seco y de suelos húmedos y saturados sin ningún cambio en el contenido de agua. Los cálculos de los asentamientos inmediatos se basan, generalmente, en ecuaciones derivadas de la teoría de la elasticidad (mecánica del medio continuo).

2.       Asentamiento por consolidación primaria: es el resultado de un cambio de volumen en suelos saturados cohesivos debido a la expulsión del agua que ocupa los espacios vacíos.

3.       Asentamiento por consolidación secundaria: se observa en suelos saturados cohesivos y es resultado del ajuste plástico de la estructura de suelo. Este sigue al asentamiento por consolidación primaria bajo un esfuerzo efectivo constante.”

A continuación se presenta un gráfico resumiendo estos comportamientos:

Imagen de Braja M. Das en “Fundamentos De Ingenieria Geotecnica”

De tal manera tenemos 2 grupos de parámetros, los que nos permiten caracterizar el suelo como un sólido linealmente elástico y que permiten calcular los asentamientos inmediatos y los parámetros asociados a los procesos de consolidación que son los de mayor importancia en la práctica a la luz de la mecánica de suelos.

A continuación se mencionan los ensayos de laboratorio e “in situ” que permiten obtener los parámetros para caracterizar las deformaciones de un suelo.

·         Ensayos de laboratorio: Tratan de reproducir de manera controlada las condiciones del suelo, midiendo la respuesta obtenida a determinado esfuerzo, de tal manera se puede establecer la relación entre esfuerzo y deformación. A saber los más importantes son:

o   Ensayo de Compresión simple: O más conocido como compresión no confinada consiste en la aplicación de una carga sobre una probeta de suelo sin confinamiento lateral. Este ensayo nos permite obtener el módulo de deformación no confinada y de tal manera con las deformaciones axiales el módulo de Young y las deformaciones diametrales el coeficiente de Poisson.

o   Ensayo triaxial: Este ensayo es básicamente el anterior pero incluyendo el confinamiento lateral, además permite controlar algunas condiciones lo que posibilita reproducir de forma más adecuada las condiciones reales son: controlar la presión intersticial, por lo que es factible realizar ensayos en situación de drenaje total o en ausencia total de drenaje, Permite la consolidación previa de la probeta a una tensión de confinamiento preestablecida, La presión de confinamiento posibilita reproducir de forma más adecuada las condiciones reales de servicio. De tal manera los parámetros de deformación anteriormente descritos se medirán con mayor semejanza a como se presentarían en el terreno.

o   Ensayo de consolidación: La consolidación se ocasiona por el drenaje gradual, bajo la aplicación de una carga adicional y la transferencia asociada de presión de poro al esfuerzo efectivo ósea a la estructura de suelo, esto genera una disminución del volumen de la masa de suelo, generando un asentamiento, dependiendo del grado de permeabilidad del suelo este asentamiento se realizara rápido o lentamente, por ejemplo en suelos arenosos que son altamente permeables el asentamiento es inmediato, por el contrario para suelos arcillosos al tener baja permeabilidad el asentamiento y la respectiva consolidación se presentaran de manera lenta.

Uno de los principales análisis que se puede obtener del ensayo de consolidación es la curva que relaciona los esfuerzos efectivos con la relación de vacíos 

Imagen de Braja M. Das en “Fundamentos De Ingenieria Geotecnica”

Si tenemos la anterior curva es posible calcular el asentamiento en un estrato de suelo simplemente escogiendo la variación de relación de vacíos (∆e) para el rango de presiones apropiado y calcular mediante la ecuación general de asentamientos de la consolidación unidimensional:

Dónde:

S = Asentamiento por consolidación primaria

H = Altura del estrato de suelo

∆e=Variación de la relación de vacíos

eo = Relación de vacíos inicial

Para arcillas normalmente consolidad que muestran una relación lineal en la curva se ∆e-logσ´se cumple:

Dónde:

∆e=Variación de la relación de vacíos

Cc=Índice de compresión

σo´=presión de sobrecarga efectiva inicial

∆σ´=incremento de la presión efectiva

Terzaghi y Peck propusieron ecuaciones empíricas para el índice de compresión:

Para arcillas inalteradas Cc=0,009(LL-10)

Para arcillas remoldeadas Cc=0,007(LL-10)     donde LL = Limite Liquido

Estas ecuaciones se utilizan usualmente en campo cuando no se poseen datos sobre consolidación.

El indice de compresión Cc se puede observar en la siguiente imagen:

Imagen de Braja M. Das en “Fundamentos De Ingenieria Geotecnica”

En arcillas pre-consolidadas para, σo´+∆σ´≤σc´, la variación ∆e-logσ´ será a lo largo de la línea cb (como se muestra en el siguiente gráfico), la pendiente de la cual será aproximadamente igual a la pendiente de la curva de rebote de laboratorio, esta pendiente se denomina índice de expansión y sirve para calcular ∆e  de la siguiente manera:

Dónde:

∆e=Variación de la relación de vacíos

Cs=Índice de expansión

σo´=presión de sobrecarga efectiva inicial

∆σ´=incremento de la presión efectiva

Imagen de Braja M. Das en “Fundamentos De Ingenieria Geotecnica”

De tal manera el laboratorio de consolidación nos permite caracterizar mediante el comportamiento de variación de relación de vacíos con los esfuerzos efectivo los posibles asentamientos a que se vea expuesto el estrato de suelo estudiado, teniendo en cuenta si el suelo se encuentra normalmente consolidado o pre-consolidado.

·         Ensayos in situ: Se trata de la evaluación cualitativa del terreno haciendo analogías de los esfuerzos a analizar y como su nombre lo indica se realizan en campo. En la mayoría de los casos los resultados de este ensayo se correlacionan con los parámetros de deformación del suelo, entre los más destacados tenemos El ensayo de placa y el ensayo de penetración estándar SPT.

o   Ensayo de placa: Este ensayo nos permite medir directamente el asentamiento del suelo conforme se aplica una carga, el coeficiente de balasto (K) que resulta de la relación entre la deformación y la carga aplicada al suelo es el índice directo del comportamiento del asentamiento del suelo (subrasante) donde se aplica la carga, cabe aclarar que este parámetro es aplicable solo a deformaciones sobre la subrasante debajo de la placa, por lo que el parámetro K es mayormente utilizado en el diseño de vías. Si este ensayo es realizado a diferentes profundidades se podría caracterizar las deformaciones en el campo linealmente elástico del estrato en estudio, pero este estudio podría ser muy costo y la medición de los valores además de la preparación del terreno serian un factor bastante difícil de controlar.

El coeficiente de balasto podría catalogarse como una especia de modulo de Young pero no lo es ya que en las mediciones de este van implícitas todas las heterogeneidades propias del suelo medido y que a la luz de la mecánica de sulos no clasifican como un sólido linealmente elástico aunque el comportamiento sea similar en cierto punto.

o   Ensayo de penetración estándar SPT: Se puede pensar dada la naturaleza del ensayo (penetración normalizada) que este puede dar algunas nociones de las posibles deformaciones que se pueden dar en el suelo estudiado. Dado que el SPT es el ensayo más utilizado en la prospección geotécnica y con mayor historia existe una gran cantidad de relaciones empíricas entre el N (número de golpes) y el modulo de deformación del suelo E, a continuación dejo un enlace sobre un blog donde se presentan algunas correlaciones muy bien documentadas al respecto : http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/spt-modulo-de-deformacion-correlacion

A continuación se presenta un resumen conceptual: