Resistencia cortante del suelo

La ecuación anterior representa una recta en el espacio, que a menudo se denomina línea de resistencia intrínseca o envolvente de rotura del suelo.

Esta línea proporciona, para cada valor de la tensión efectiva normal a un plano que atraviesa un elemento del suelo, la máxima tensión tangencial movilizable a favor de dicho plano (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág.

74).

Figura 23

Criterio de rotura de Mohr-Coulomb.

Nota. Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica (Braja M. Das, 2015.p.230).

Figura 24

La envolvente de rotura y el círculo de Mohr. Estados posibles (a y b) e imposible (c).

Nota. Fuente: Ingeniería Geotécnica (Gonzales de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002.

p.75).

Si los parámetros de resistencia al corte del suelo (𝑐^,, ∅^,) dan lugar a la línea de resistencia intrínseca dibujada, es inmediato observar que:

• A partir del círculo (a), existe un margen de seguridad que impide que el estado tensional alcance el nivel de rotura del suelo. Esto significa que el estado representado por el círculo (a) es factible y seguro, ya que el suelo no se ha roto.

• El estado tensional representado por el círculo (b) indica una situación de rotura.

Así, el punto (O) representa la combinación (𝜎^,_𝑓, 𝜏_𝑓 ) en un plano que atraviesa el elemento de suelo en el que se alcanzan las condiciones del criterio de rotura definido.

• El estado tensional representado por el círculo (c) es imposible, ya que existirían orientaciones de planos atravesando el elemento de suelo en los que se excederían las condiciones (𝜎^,, 𝜏) de rotura (todos los planos representados por puntos del círculo situados por encima de la línea de resistencia intrínseca).

Del análisis anterior se desprende que, cuando se alcanzan las condiciones de rotura en un elemento de suelo, el círculo de Mohr que representa su estado tensional será tangente a la línea de resistencia intrínseca y que, además, el plano a favor del cuál se alcanzan dichas condiciones de rotura será el representado por el punto de tangencia (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág. 75).

2.2.7.2. Ensayo de corte directo

Para obtener una muestra de suelo para realizar una prueba de corte directo, se pueden utilizar muestras cuadradas o circulares, que suelen tener una sección transversal de alrededor de 20 a 25 cm2 y una altura de 25 a 30 mm. La caja de corte se divide horizontalmente en dos partes iguales, y la fuerza normal se aplica desde arriba de la caja. El esfuerzo normal puede llegar a ser de hasta 1000 kN/m. Para provocar una falla en la muestra de suelo, se aplica una fuerza cortante al mover una mitad de la caja en relación a la otra (Das, 2015, pág.

233).

En la prueba de corte, puede ser esfuerzo controlado o deformación controlada según el equipo utilizado. En la prueba de esfuerzo controlado, se aplica la fuerza de corte en incrementos iguales hasta que la muestra falle a lo largo del plano de división de la caja. Se mide el desplazamiento cortante de la mitad superior de la caja después de cada carga incremental con un indicador

horizontal. El cambio de volumen se puede obtener a partir del indicador que mide el movimiento vertical de la placa superior de carga. (Das, 2015, pág. 233).

Durante las pruebas de deformación controlada, una mitad de la caja de corte es sometida a una velocidad constante de desplazamiento de cizallamiento por medio de un motor accionado por engranajes. La velocidad de desplazamiento de cizallamiento constante se mide mediante un indicador de cuadrante horizontal, y la fuerza de resistencia cortante del suelo correspondiente a cualquier desplazamiento de cizallamiento se puede medir mediante un anillo de prueba horizontal o celda de carga. El cambio de volumen de la muestra durante la prueba se obtiene de manera similar a las pruebas de esfuerzo controlado (Das, 2015, pág. 233).

Figura 25

Diagrama de un arreglo de prueba de corte directo.

Nota. Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica (Braja M. Das, 2015.p.233).

Figura 26

Equipo de prueba de corte directo.

Nota. Fuente: Fundamentos de Ingeniería Geotécnica (Braja M. Das, 2015.p.234).

La prueba de esfuerzo controlado permite únicamente observar y representar gráficamente la resistencia máxima al corte. Es importante destacar que la resistencia máxima al esfuerzo cortante obtenida en estas pruebas es solamente una aproximación debido a que la falla ocurre en algún punto entre el incremento de carga de pre-falla y el incremento de la carga de falla. Sin embargo, las pruebas de esfuerzo controlado son más efectivas en la simulación de situaciones reales en el campo que las pruebas de deformación controlada (Das, 2015, pág. 234)

Para una prueba establecida en suelo seco, el esfuerzo normal se puede evaluar como:

La resistencia al esfuerzo cortante para diferentes desplazamientos de cizalladura se puede deducir de la siguiente forma:

Se presenta de forma cualitativa los resultados de un ensayo drenado completo relacionado con la movilización de resistencia al corte. El gráfico representa el desplazamiento horizontal (Δx) de la parte inferior de la caja de corte en el eje de abscisas y la tensión tangencial (τ) medida para cada valor de desplazamiento en el eje de ordenadas. El gráfico muestra varios aspectos de interés (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág. 77).

• Independientemente de la tensión efectiva normal aplicada, se puede observar que la tensión tangencial movilizada incrementa gradualmente a medida que se aumenta el desplazamiento de la caja de corte, hasta que se alcanza un valor máximo (τf) (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, &

Oteo, 2002, pág. 77).

• Cuando es más la tensión aplicada normal inicial, mayor es la tensión tangencial máxima alcanzada (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, &

Oteo, 2002, pág. 77).

• La curva de la relación entre la tensión tangencial y el desplazamiento horizontal muestra una pendiente inicial más inclinada a medida que aumenta la tensión efectiva normal aplicada. Esto sugiere que la rigidez del suelo aumenta con el nivel de tensiones (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág. 77).

En la figura se observa las tensiones tangenciales máximas de las curvas anteriores a lado de las tensiones efectivas normales iniciales. Como puede mostrarse, los puntos representativos (𝜎´_𝑛, 𝜏_𝑓 ) de los 3 ensayos se puede unificar de forma considerablemente aproximada con una recta, que llegaría a ser la línea de resistencia intrínseca o envolvente de rotura de la que se pueden calcular los parámetros (𝑐´, ϕ´) (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág.

77).

Figura 27

Envolvente de rotura y parámetros de resistencia al corte.

Nota. Fuente: Ingeniería Geotécnica (Gonzales de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002.

p.78).

2.2.7.3. Arcillas de alta plasticidad

Para suelos con alto contenido de arcilla, la resistencia al corte puede disminuir significativamente a medida que se produce más deformación, lo que resulta en una envolvente de resistencia que está claramente por debajo de la resistencia proporcionada por 𝑐´ = 0, ø´𝑁𝐶. Esta resistencia se denomina resistencia residual, y viene determinado por los parámetros de 𝑐_𝑟= 0, ø´_𝑟ꜗ < 𝜙´𝑁𝐶.

La reducción de la resistencia hasta su nivel residual se debe al mecanismo de deformación laminar de las partículas de arcilla. Cuando se aplica un esfuerzo de corte, las partículas comienzan a reorientarse y se disponen progresivamente en una configuración más débil que la original, con una disposición paralela. Este proceso de reorientación se concentra generalmente en una banda estrecha, y es allí donde se produce la falla. Los parámetros de resistencia residual se definen por esta forma de falla del suelo (González de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002, pág. 82).

Figura 28

Curvas de ensayo de arcillas de alta plasticidad.

Nota. Fuente: Ingeniería Geotécnica (Gonzales de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Oteo, 2002.

p.82).