Presiones en los poros durante la distorsión bajo esfuerzo cortante. La mayor parte de los suelos finos naturales contienen cantidades apreciables de agua; muchos están casi o completamente saturados. Por lo tanto, la resistencia de los materiales saturados es una cuestión de considerable importancia práctica.
Aunque las causas físicas de los fenómenos son diferentes, las relaciones esfuerzo-deformación para limos y arcillas normalmente consolidadas, de baja a moderada sensibilidad, tanto en las pruebas S como en las pruebas R, son semejantes a las de la arena suelta (figs. 4.4b, 4.4c, 4.7b, y 4.7c). Las relaciones para arcillas preconsolidada se parecen mucho a las de las arenas compactas, excepto porque la diferencia de esfuerzo para una arcilla preconsolidada en una prueba R alcanza un valor máximo y luego disminuye como muestra la fig. 4.7d. En las pruebas R de las arcillas normalmente consolidadas, se desarrollan presiones de poro positivas, mientras que las arcillas preconsolidadas tienden a dilatarse y a desarrollar presiones de poro negativas. La línea de ruptura para los limos y arcillas normalmente consolidados puede expresarse todavía en función de los esfuerzos efectivos, por la ec. 4.5. Las arcillas preconsolidadas, pueden poseer resistencia significativa al esfuerzo cortante, aun en las pruebas S en las cuales la presión de la cámara p3 sea cero.
Como aproximación tosca, la línea de ruptura correspondiente a presiones de cámara menores que la carga de preconsohdacion puede expresarse como:
en la que, para una arcilla dada, se encuentra que d es aproximadamente constante, pero se ha encontrado que Ød depende de la carga de preconsolidación.
En la mayor parte de los problemas de cimentaciones en los que interviene la falla de los suelos finos saturados, las ecs. 4.5 y 4.6 tienen poca aplicación directa, porque la presión de poro Udf no puede valuarse fácilmente. Usualmente, es más conveniente efectuar pruebas de tal manera, que se incorpore la influencia de la presión de poro en los resultados. En muchos casos, ayuda mucho al criterio del ingeniero el conocimiento del comportamiento del suelo en condiciones en las que no hay disipación de la presión de poros. Por lo tanto, este tema merece tratarse con mayor detalle. Condición Ø = O En la fig. 4.9a, el círculo de esfuerzos designado A representa los resultados de una prueba R en una arcilla blanda saturada. La abscisa de la extremidad izquierda del diámetro, es el esfuerzo total p3 en el momento de la falla; la del extremo derecho es el esfuerzo axial total en la falla, p1. El diámetro del círculo es donde el subíndice denota las condiciones del esfuerzo que corresponde a la falla.
La presión de poro en la muestra en el momento de la falla, puede valuarse de dos maneras diferentes. Puede deterininarse por medidas directas, en cuyo caso, la prueba se designa como prueba R . Como la presión de poro udf actúa con igual intensidad en todas direcciones, el esfuerzo principal efectivo menor es p3 = p1 – udf, y el esfuerzo principal efectivo mayor es p1 = p1 – udf, Por lo tanto, el círculo de esfuerzos construido en fúnción de los esfuerzos efectivos en la falla, se desaloja a la izquierda del círculo de esfuerzos totales A, una distancia udf. El círculo de esfuerzos efectivos que corresponde a las condiciones de falla, está representado por el círculo de linea llena E. Como pf = p1 – p3 = p1 – p3 el círculo de falla para una prueba dada tiene el mismo diámetro, ya esté construido en función de esfuerzos efectivos o esfuerzos totales.
La presión de poro puede determinarse también utilizando la ec. 4.5 si Ød es independientemente conocido, por ejemplo, por medio de una serie de pruebas drenadas, tipo S. La línea de falla en términos de esfuerzos efectivos está representada por la línea recta llena trazada desde el origen con el ángulo Ød. El círculo de falla para la prueba R, dibujado en termrnos de esfuerzos efectivos, debe ser tangente a esta línea de falla. Por lo tanto, el círculo esfuerzos efectivos correspondientes a la prueba R es el círculo E. La distancia horizontal entre el círculo E y el A representa la presión de poro udf.
El círculo de esfuerzos totales A corresponde a una prueba R en la que la presión de poro, antes de la aplicación de la carga axial era cero y la presión de poro al final de la prueba era udf. Sin embargo, si después de la consolidación inicial bajo la presión de cámara p3 , este valor se hace aumentar en ua sin permitir drenaje, la presión de poro en la muestra antes de la aplicación de la carga axial hubiera sido ua y la presión de poro en la falla hubiera sido ua + udf. El círculo de falla correspondiente hubiera sido el B (fig. 4.9b). Sin embargo, el círculo de esfuerzos efectivos hubiera sido todavía E. Como podría haberse elegido cualquier cambio ua en la presión de la cámara, se deduce, que si se consolidan varias muestras bajo la misma presión en la cámara a y luego se probaran en condiciones no drenadas a diferentes presiones de cámara, la línea de falla en términos de esfuerzos totales es una horizontal. Puede expresarse simplemente por:
Figura 4.9 a) Esfuerzos efectivos y totales en la falla; pruebas R realizadas en suelos finos saturados. b) Diagrama que ilustra el concepto Ø = 0.
Como la línea es horizontal, las circunstancias anteriores se conocen como condición Ø = O (Skempton 1948). Como las pruebas de compresión no confinadas son simplemente pruebas triaxiales en las que el esfuerzo principal menor p3 es cero (círculo C en fig. 4.9b), la resistencia al esfuerzo cortante en la condición Ø = O puede valuarse con pruebas de compresión simple como:
Las condiciones Ø = O se satisfacen solamente si el cambio en la presión de cámara u no se asocia con ningún flujo de agua en la muestra. Como el suelo está saturado, esta restricción es equivalente al requisito de que, después de que se ha llegado al equilibrio bajo la presión de cámara p3, no se permite ningún cambio en la humedad de la muestra. Puede también sacarse en conclusión que la resistencia al esfuerzo cortante de una arcilla saturada, con un cierto grado dado de perturbación, tiene el mismo valor cualquiera que sea el método de prueba, siempre que la humedad de la arcilla permanezca constante.
En conexión con suelos que tengan permeabilidades tan bajas como la que tienen la mayor parte de las arcillas y algunos limos, hay muchos problemas prácticos en los que la humedad no cambia en forma importante durante un tiempo apreciable después de la aplicación del esfuerzo. Es decir, que prevalecen las condiciones no drenadas o Ø = O Así, si se extrae una muestra inalterada sin cambiar de humedad, y luego se prueba, permaneciendo constante la humedad, ya sea a la compresión simple, o sin consolidación bajo una presión en la cámara de p3 + ua, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo in situ puede tomarse como la mitad de la resistencia a la compresión simple. A las pruebas que satisfacen esta condición se les llama pruebas rápidas, no drenadas o pruebas Q. Por lo tanto, como consecuencia del concepto Ø = O las pruebas Q y especialmente la prueba de compresión sin confinar toma una importancia práctica grande. Las pruebas de veleta en el campo o en el laboratorio, si se ejecutan con suficiente rapidez, son también pruebas Q, con las cuales puede determinarse la resistencia máxima s = c.
La resistencia al esfuerzo cortante determinada por medio de pruebas Q en arcillas inalteradas es siempre conservadora, si las condiciones en el campo produjeran al fin una disminución de la humedad o de la consolidación de la arcilla. Por ejemplo, debajo de una zapata, es probable que ocurra consolidación bajo la carga aplicada y, en consecuencia, es probable que la resistencia aumente con el tiempo. Si se inducen además presiones de poro positivas por los esfuerzos cortantes, se crea otra tendencia más a la consolidación. Por lo tanto, una determinación de la capacidad de carga de la zapata tomando como base las pruebas Q está del lado de la seguridad. Por otra parte, la arcilla situada debajo de una excavación profunda puede tender a expandirse debido a la disminución de esfuerzo producida por la remoción de la sobrecarga. Si la tendencia a la expansión excede a la tendencia a la consolidación, como resultado de las presiones de poro inducidas por los esfuerzos cortantes, el contenido de agua de la arcilla puede aumentar y la resistencia al esfuerzo cortante disminuirá correspondientemente. No es probable que ocurran estas condiciones en el campo, debajo de las excavaciones con profundidades de uno o dos pisos en arcillas normalmente consolidadas o ligeramente preconsolidadas. Sin embargo, si ocurren, las resistencias al corte deducidas de las pruebas Q, ya no están del lado de la seguridad.
El concepto Ø = O y el uso de las pruebas Q sería también válido para las ar cillas preconsolidadas, si en el campo no hay oportunidad para cambiar la humedad. Sin embargo, las fuertes presiones de poro negativas, asociadas a relaciones de preconsolidación muy altas crean una tendencia en el suelo a expanderse, con lo que se reduce la resistencia. Así, en la mayor parte de los problemas prácticos, el concepto Ø = O para una arcilla preconsolidada conduce a resultados del lado de la inseguridad. Por lo tanto, excepto para relaciones de preconsolidación tan bajas como posiblemente de 2 a 4, el concepto Ø = O no debe usarse en arcillas preconsolidadas.
Muchas arcillas duras saturadas contienen redes de grietas capilares o superficies de resbalamiento. La resistencia al esfuerzo cortante de los depósitos de esta clase depende de la influencia de esos defectos. En algunos casos, se ha encontrado que son útiles pruebas triaxiales hechas en especímenes grandes que incluyan un número representativo de tales singularidades, para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de la masa. La presión de cámara usualmente se toma igual a la presión de la sobrecarga que actuaba sobre la muestra cuando estaba en el terreno. Pueden obtenerse datos más seguros por medio de pruebas de carga a gran escala o de ex cavaciones de prueba en el campo.
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