Comportamiento de los Suelos bajo Estados de Esfuerzo Complejos - Cimentaciones.

La prueba de consolidación unidimensional y la teoría de la consolidación de Terzaghi, , ilustra principios importantes. Sin embargo, los resultados específicos son aplicables solamente en aquellas condiciones en las cuales las deformaciones laterales de los suelos son despreciables y, si se va a predecir la rapidez del asentamiento, a casos en que el flujo del agua que se escapa es principalmente vertical. Solamente una cantidad limitada de los problemas que se presentan al especialista en cimentaciones quedan dentro de estas estrechas categorías. En la mayor parte de los casos ocurren deformaciones tanto laterales como verticales y tiene lugar flujo de agua tanto vertical como lateral. Además, el ingeniero necesita investigar el grado en el que su estructura grava la resistencia del material de cimentación. Por lo tanto, debe valuar no solamente las relaciones entre esfuerzo y deformación, sino también las condiciones bajo las que el suelo puede fallar.

Las relaciones esfuerzo- deformación en los suelos y en las rocas son usualmente demasiado complejas para representarlas por constantes corno el módulo de elasticidad y la relacion de Poisson, que son suficientes para definir el comportamiento del acero dentro de la amplitud de variación de los esfuerzos de trabajo. Las curvas esfuerzo-deformación, comúnmente no presentan un comportamiento lineal, y ni siquiera son independientes de la historia de los esfuerzos. La configuración de las curvas y las resistencias máximas de los materiales dependen de la presión lateral. Ya que en los suelos reales obran presiones laterales debidas a la sobrecarga y a otras cargas soportadas por el suelo, frecuentemente es necesario considerar esta dependencia. En algunos casos, las características esfuerzo-deformación de los suelos también dependen del tiempo, a veces por el fenómeno de la consolidación, y otras, por tendencias al creep, deformacion bajo esfuerzos constantes.

Aun cuando en el caso de la mayor parte de los problemas prácticos de rutina no pueden considerarse las diversas complejidades con precisión, el conocimiento del comportamiento del suelo y la roca bajo varias condiciones bien definidas, permite la elaboración de procedimientos prácticos para diseñar y predecir el funcionamiento de los cimientos reales.

Arcillas Expansivas y Lutitas Laminares Duras - Suelos.

Anteriormente se dijo que, si se interrumpe la carga en una prueba de consolidación en una arcilla y se inicia un proceso de des- carga, la muestra se expande como lo indica el tramo mm’ de la curva de la fig.3.2. Por supuesto, para expanderse la arcilla requiere la presencia de agua bastante como para permitir el aumento de la relación de vacíos. En algunas arcillas y lutitas laminares, el aumento de volumen debido a la reducción del esfuerzo, es tan grande, que rompe carreteras y estructuras. Además, si la humedad de esos materiales se mantiene normalmente baja debido, por ejemplo, a la aridez del lugar, la reducción en la rapidez de la evaporación, causada posiblemente por la presencia de la losa de un edificio, puede conducir a la acumulación de humedad y a una intensa expansión. Si la construcción impide esta expansion, pueden desarrollarse fuerzas extremadamente grandes. Se dice que los suelos que se comportan de esta manera son expansivos. Los suelos expansivos producen serias dificultades de cimentación en muchas partes del mundo. En el capitulo 20 se discuten las características de estos materiales.

Determinación de la Compresibilidad en la Práctica - Suelos.

Si se sabe que un depósito de arcilla está normalmente consolidado y que ésta no es de alta sensibilidad, la compresibilidad puede valuarse con precisión razonable usando cualquiera de tres procedimientos. Las muestras inalteradas pueden sujetarse a pruebas de consolidación, y la curva de campo K determinarse por la construcción ilustrada en la fig. 3.4. Pueden sujetarse a pruebas de consolidación muestras alteradas o remoldeadas y determinarse la curva K de campo en forma semejante a la mostrada en la fig. 3.4. O, sin ejecutar pruebas de consolidación, puede valuarse el indice de compresión tomando como base el límite liquido y la relación estadistica, de la ec. 3.2.

Si la arcilla es muy sensible, es probable que la compresibilidad real exceda mucho la determinada por cualquiera de los procedimientos anteriores, a menos que se hagan pruebas de consolidación con muestras inalteradas muy buenas.

Si la arcilla está preconsolidada, la compresibilidad a presiones menores que la presión de preconsolidación po va a ser probablemente mucho menor que la de las arcillas normalmente consolidadas cuyas detrás características sean semejantes. Aun con las mejores muestras inalteradas, es probable que los asentamientos estimados con base en pruebas de consolidación sean muy grandes.

Cuando se hace una prueba de consolidación con una muestra de arcilla en el laboratorio, por razones prácticas se la sujeta a cambios en los esfuerzos aplicados mucho más rápidamente que en el depósito real durante, por ejemplo, la excavación y construcción de un edificio. Además, en las pruebas de laboratorio, el tiempo durante el cual la arcilla sostiene un sólo incremento de carga es cuando mucho de unos cuantos días, mientras que la vida de una estructura localizada encima del depósito de arcilla puede sei de varios años. Debido a estas y otras diferencias, los asentamientos previstos y reales pueden diferir apreciablemente, pero la experiencia ha demostrado que las previsiones sobre el asentamiento fmal, es• pecialmente sobre depósitos blandos, son pasos esenciales del proyecto y, cuando se hacen con buen criterio, puede confiarse en ellas.

Sin embargo, el asentamiento final de un depósito de arcilla sujeto a un cambio de carga, no ocurre inmediatamente; con frecuencia se desarrolla gradualmente, durante muchos meses o años. Por lo tanto, en la práctica es necesario hacer una estimación de la rapidez con la que se produce el asentamiento. El retraso del asentamiento con respecto al aumento de carga es principalmente una consecuencia de la resistencia a la remoción del agua de los poros de la arcilla.

Características de Consolidación de las Arenas.

Las curvas e-log p para una arena confinada lateralmente (fig. 3.9a) se parecen a las de las arcillas preconsolidadas. Las curvas e-p correspondientes (fig. 3.9b) son cóncavas hacia arriba; las curvas de descarga y de recompresión son muy planas. La fig. 3.9 b indica que la compresibilidad de una arena dada depende en gran parte de su compacidad relativa. Las arenas sueltas son mucho más compresibles que las compactas; además, aun con las presiones más grandes la relación de vacíos de una arena suelta no puede llegar al valor de la misma arena cuando está muy compacta. Bajo grandes presiones los granos pueden romperse. Por otra parte, la relación de vacíos de la misma arena suelta puede disminuirse fácilmente a la de una arena compacta, valiéndose solamente de vibración.

Las arenas bien graduadas son menos compresibles que las uniformes o las de ganulometría discontinua, a la misma forma de granos e iguales compacidades relativas. Las arenas de . partículas redondeadas son usualmente menos compresibles que las de partículas angulares comparables en todos sus demás aspectos. La adición de pequeños porcentajes de partículas de forma laminar, como la mica, pueden aumentar mucho su compresibilidad. 

Figura 3.9. Curvas 3-log p y e-p típicas de una área confinada latera1mente para (K1) inicialmente suelta y (Kd) inicialmente compacta.

Características de Consolidación de los Suelos Susceptibles de Colapso.

Los suelos parcialmente saturados pueden poseer cementantes que les proporcionen cohesión y considerable rigidez. Si estos son solubles, como los precipitados químicos que se acumulan en los climas semiáridos, pueden destruirse por una inmersión prolongada, Si los cementantes son minerales arcillosos o sustancias amorfas parecidas a las arcillas, pueden adsorber agua y debilitarse cuando se sumergen; el verdadero loes pertenece a esta categoría, como también algunas arenas sueltas ligeramente arcillosas. Los terraplenes compactados con humedad inferior a la óptima es probable que queden con una cohesión aparente debida a capilaridad que les da una rigidez que puede destruirse fácilmente por inundación.

Figura 3.8 Disminución de la relación de vacíos por adición de agua en una muestra de loes, bajo presión vertical y con el contenido de agua natural, en el consolidómetro. Los resultados pueden compararse con los de la muestra saturada antes de la prueba (según Holtz Gibbs. 1951 )

Las curvas e-log p de estos materiales probados sin permitir que el agua tenga acceso a las muestras a través de las piedras porosas, no presentan aspectos extraordinarios, pero si se deja penetrar el agua en cualquier etapa de la prueba, puede ocurrir una espectacular disminución de la relación de vacíos bajo presión vertical externa constante, como se ilustra en la fig. 3.8. Los suelos que presentan este comportamiento se denominan colapsa bies. La magnitud del asentamiento de un depósito de suelo colapsable puede estimarse sujetando las muestras, con su humedad de campo, a los esfuerzos verticales previstos en el terreno y observando el cambio en la relación de vacíos, manteniendo al suelo en condición sumergida bajo esfuerzo vertical constante.

Los suelos colapsables son muy abundantes en muchas partes del mundo donde las sequías son largas y el agua freática está a gran profundidad. En esas localidades, incluso el riego de los prados situados alrededor de las casas recién construidas puede causar serios asentamientos. Las implicaciones técnicas de los suelos colapsables en la cimentación se estudiaran mas adelante.

Características de Consolidación de los Suelos Residuales.

Los comentarios anteriores se refieren al comportamiento de muestras de depósitos de arcilla sedimentaria. Los suelos residuales cohesivos, aunque son producto de procesos geológicos muy diferentes, con frecuencia se caracterizan por tener curvas e-log p semejantes a las de las arcillas transportadas de moderada a alta sensibilidad. Puede parecer que han sido preconsolidados pero la presión de preconsolidación aparente es consecuencia de los nexos de cohesión heredados entre las partículas, en vez de ser presiones efectivas producidas por una sobrecarga anterior o por desecación.

Algunas veces se encuentran zonas de materiales blandos y muy compresibles, con contenidos de agua cercanos al límite 1iquido, en las partes bajas de masas de suelo residual, sobre todo si la roca poco meteorizada que los subyace es lo suficientemente poco permeable como para que el agua subterránea tenga que fluir por arriba de ellas. Dentro de esta zona, la destrucción de los nexos interparticulares por alteración química puede avanzar al grado en que dichos nexos queden exactamente equilibrados por el peso de los materiales sobreyacentes. En consecuencia, el suelo puede tener las características de compresibilidad de una arcilla normalmente consolidada, algunas veces de alta sensibilidad.

Características de Consolidación de las Arcillas Sensibles - Suelos.

Los resultados de una prueba de consolidación en una muestra cuidadosamente extraída de una arcilla de alta sensibilidad (St mayor que 8) se parece a la curva Ku (fig. 3.7). La rama plana inicial de la curva e-log p se convierte en forma relativamente brusca en un tramo inclinado que parece representar un colapso estructural de la arcilla, de manera que un ligero aumento de la presión conduce a una gran disminución en la relación de vacíos. La curva pasa luego por un punto de inflexión y su pendiente disminuye. Si se usa la relación estadística de la ec. 3.2, para determinar la compresibilidad de ese material, el asentamiento calculado es demasiado pequeño. Como el error que se comete está del lado de la inseguridad, los cálculos de los asentamientos deben basarse en pruebas hechas en muestras inalteradas.

Figura 3.7. Curvas e-log p típicas para muestras inalteradas (Ku) y remoldeadas (Kr) de arcilla de alta sensibilidad.

Si se traza una tangente a la parte más inclinada de la curva en su punto de inflexión c, corta la línea e0 en b. La presión correspondiente a b es aproximadamente igual a aquélla en que se produce el colapso. En la mayor parte de las arcillas muy sensibles b queda cuando menos ligeramente a la derecha del punto a, que representa la presión de sobrecarga efectiva po. El incremento de presión b-a puede re- presentar el grado en que ha sido precargado el suelo, o puede representar una resistencia de adherencia que tiene origen en procesos fisicoquímicos subsecuentes a la deposición. En cualquier caso, el incremento representa la presión máxima que puede añadirse al suelo sin excitar los grandes, y a menudo, espectaculares asentamientos asociados a la rama inclinada de la curva. En las zonas en que el subsuelo está formado por arcillas blandas altamente sensibles, como la ciudad de México o partes de Escandinavia, la experiencia ha indicado la necesidad de limitar la presión añadida por un edificio nuevo a solamente una fracción de la resistencia de adherencia.

Las alteraciones producidas durante el muestreo y el manejo de las muestras, pueden enmascarar completamente las características importantes del suelo; las curvas e-log p para arcillas completamente remoldeadas de elevada sensibilidad no son en ningún aspecto diferentes de las arcillas de sensibilidad normal. Aún las arcillas completamente remoldeadas no son tan compresibles como el suelo inalterado a presiones algo superiores a la presión de colapso. Por lo tanto, a diferencia de las estimaciones de los asentamientos en arcillas de sensibilidad normal, las que se hacen en arcillas muy sensibles quedan, si se basan en resultados de pruebas sobre especimenes remoldeados, del lado de la inseguridad. Por lo tanto, son absolutamente indispensables las buenas muestras inalteradas.