Suelos semisaturados Comportamiento de suelos y rocas CONTENIDO 1. Objetivos 2. Introducción 3. Suelos semisaturados 4. Compactación de los suelos 5. Agua en medio poroso 6. Tensiones en el terreno 7. Comportamiento del agua en suelos y rocas 8. Resumen 9. Bibliografía Suelos semisaturados | Objetivos El objetivo de este tema es adquirir un conocimiento profundo del comportamiento de los suelos una vez que interaccionan con el agua. Lejos de los estados extremos, que apenas existen en la naturaleza, la interacción entre el terreno y el agua provenga de cualquiera de sus orígenes tiene los componentes de tensiones totales y efectivas, a largo plazo y a corto plazo, en condiciones drenadas o sin drenar, unos conceptos que a menudo se confunden y cuyo conocimiento es el objeto principal de este tema. Introducción Para el desarrollo de este tema, en primer lugar, se describen los estados de semisaturación en el que se pueden encontrar los terrenos, para a continuación describir cómo se generan las tensiones que dan lugar a los empujes. El tema dedica un especial interés a la diferenciación de las tensiones efectivas y totales, tanto en lo que se refiere a su origen como a su comportamiento. Suelos semisaturados Todo lo relacionado con la mecánica del suelo se vuelve más complejo cuando se acerca a la realidad. Lo comentado anteriormente se refería a situaciones teóricas y empujes de suelos en estado ideal. Como se decía en la lección anterior, en el suelo interactúan las partículas sólidas con otros elementos normalmente líquidos. Es por lo que la Mecánica del Suelo Tradicional tiene como objeto principal los suelos saturados. La complicación de los comportamientos de los terrenos aumenta en el momento en el que la rigidez y resistencia de los suelos parcialmente saturados se modifican en comparación con el suelo seco. Los valores de parámetros que influyen en los empujes que se generan en el conjunto terreno-agua, suelen alcanzar cotas mayores, por lo es más conservador suponer que, en cualquier caso, los suelos pueden estar saturados. No obstante, como ocurre con el terreno sin la interacción del agua, el estudio del suelo saturado es también sencillo a la par que el que está totalmente seco, teniendo mucha más incertidumbre en los momentos intermedios, obviamente casi el total de los casos reales. Los estudios de los suelos parcialmente saturados son, por tanto, los casos más probables, ya que en la columna de cálculo o de influencia sobre cualquier estructura los niveles con presencia de agua se van alternando o son variables. Esta variabilidad puede ir desde los casos de ascensión capilar en suelos de grano fino, donde alcanza hasta centenares de metros, hasta la influencia del nivel freático que no suele superar las pocas decenas de metros. Estas acciones, y lo variable de las mismas, contribuyen a que los suelos estén siempre con algún grado de saturación, salvo que se trate de zonas con clima relativamente árido, en las que la evaporación en la superficie compense la aportación de agua por ascenso capilar desde el nivel freático. 3 Los estudios relativos a los suelos saturados parcialmente se inician los años sesenta, a raíz de la aparición de problemas de asentamiento y de movimientos relativos en cimentaciones de grandes estructuras. Fundamentalmente, estos problemas se originaban en suelos de orígenes diversos que sufrían cambios de volumen, debido a cambios en el contenido de humedad, originando la formación de fisuras y grietas. Estas acciones en el terreno se trasmitían de un modo prácticamente automático a estructuras, capas de firmes, etcétera. En general esta detección de los problemas que están producidos por la aparición de variaciones en la presencia de agua en los suelos es el origen de muchos, por no decir de la amplia mayoría, de los problemas de la ingeniería geotécnica relacionados con esfuerzos, deformación y flujo. La presencia de esta saturación parcial se traduce directamente en problemas relacionados con deformación y corresponden, principalmente, a los cambios de volumen que se presentan en los suelos expansivos, suelos colapsibles, las grietas por desecación en arcillas y en suelos compactados. De estos casos que son los más comunes en la realidad se tratará tanto en este tema como en los siguientes. Como se puede deducir, no tiene sentido hablar de problemas por saturación parcial de materiales rocosos, siendo prácticamente una casuística exclusiva de suelos. Dentro de estos suelos existen algunas tipologías que proceden de formaciones que, por su composición o disposición, son más susceptibles de ser casos de estudio, por ejemplo, suelos expansivos y colapsibles, que se encuentran por encima del nivel freático, se presentan presiones de poros negativas y si el balance de entrada y salida de agua permanece constante, no se presentarán los problemas de expansión y colapso, pero en el caso en el que el contenido de humedad varíe, se generan cambios en las presiones de poros y llevarán como consecuencia cambios de volumen. Un humedecimiento del suelo producirá un aumento de volumen en los suelos expansivos y una disminución de volumen en los suelos colapsibles. De aquí se obtiene el primero de los conceptos que deben quedar claros a la hora de estudiar los suelos semisaturados. Aunque la composición de un suelo sea susceptible de provocar problemas asociados a la saturación, si no hay variación en su contenido en agua, no serán suelos problemáticos. Es necesario identificar en qué tipo de infraestructuras serán las que se encuentran más afectadas por este fenómeno y, por tanto, por las consecuencias inherentes al mismo. Con carácter general serán todas aquellas en las que se puedan detectar problemas relacionados con flujo de agua, particularmente taludes de plataforma de obras viales, como carreteras, ferrocarriles, los taludes de desmontes o de presas de materiales sueltos, diques de obras marítimas serían las tipologías de obras en las que esta problemática está más señalada. Suelos semisaturados | Dentro de los cambios que se ven afectados en los parámetros de los suelos, se puede señalar dos tipologías de acciones, por un lado, las que se corresponden con los movimientos verticales ya sean totales o diferenciales, por la saturación de capas completas o parciales del suelo y, por otro lado, las acciones de pérdida de equilibrio estático. Las primeras estas podrían denominarse las acciones verticales producto de la saturación de los suelos, mientras que las segundas, que, por ejemplo, son las que provocan la inestabilidad de taludes en suelos semisaturados, tiene como parámetro que se ve alterado de un modo más determinante cuando se produce la saturación la resistencia al corte del terreno. Uno de los elementos más atractivos y que tienen una mayor aplicación en los suelos semisaturados en, por lo tanto, la predicción de la variación de la resistencia al corte del suelo, por ser un tema que admite mucho más estudio que las presiones verticales, más sencillas en su casuística en su estudio. Realizando esta comparativa con los suelos no saturados, la ecuación de resistencia al corte es una relación que define la resistencia al corte, en función de las variables de estado de esfuerzos y de las propiedades del suelo. Dichas variables de estado son las que condicionan y guían los cambios en el estado de esfuerzos en un suelo y las más utilizadas son tres, que son los conceptos que se entre mezclan en la definición de los esfuerzos y que comúnmente se confunden. Los conceptos fundamentales que influyen en la generación de los empujes de suelos semisaturados son el esfuerzo total, el esfuerzo efectivo y la presión de poros. El esfuerzo efectivo (σ - υw), es la variable de estado que tiene una mayor importancia para las modificaciones en el estado de esfuerzos en el suelo saturado y la responsable de un modo directo de los cambios de volumen y cambios de resistencia al corte. Es muy habitual confundirse en la explicación de estos conceptos añadiendo condicionantes tanto líquidos y gaseosos, con relación al estado trimaterial del terreno que se comentaba en el tema anterior, pero sin duda en el caso en el que ocupa del estudio del terreno, es más conveniente realizar la simplificación limitando el estudio a los estados sólido y líquido. Para el caso de los suelos no saturados, la envolvente de la superficie de inestabilidad es una superficie plana en el espacio τ, (σ – υa) y (υa − υw). Por lo tanto, esta variación obedece a las formulaciones que aparecen en la gráfica anterior. Sin duda, la coexistencia de muchos parámetros ha dado pie a que distintos autores hayan apostado por la implantación de procedimientos semi empíricos, para poder realizar una adaptación de esta formulación tanto a suelos no saturados como a los parcialmente saturados. Los más destacados tienen como base la curva característica de succión en el suelo y los parámetros de resistencia del suelo saturado (c´ y Ф´). Estas estimaciones que se realizan a partir de estos modelos son muy válidas y serán tratadas en el siguiente módulo. 4 Compactación de los suelos Dentro del comportamiento general de los suelos semisaturados, en la búsqueda de realizar una estabilización de los parámetros, se da una de las aplicaciones prácticas de mayor importancia, por lo extendida, como es la compactación de los suelos. Como consecuencia de la búsqueda de incrementar el peso específico de los suelos se localizó la posibilidad de la utilización de medios mecánicos para realizar dicho incremento. Esta aplicación de métodos mecánicos consigue la consolidación de los suelos mediante un aumento gradual del peso específico, bajo la acción natural de sobrecargas que buscan la expulsión del agua que interacciona con la parte sólida del terreno. Esta acción de compactación provoca de un modo directo una disminución de volumen, con el consiguiente aumento del peso específico. De una forma concatenada la consecución de estos objetivos de disminución del volumen y aumento del peso específico implica el aumento de resistencia y disminución de capacidad de deformación. Las distintas técnicas de compactación suelen aplicarse a rellenos artificiales, presas de materiales sueltos, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, muelles, pavimentos, entre otros, en general y ligándolo con la explicación general que se realizaba anteriormente de los suelos semi saturados, a todos los elementos estructurales, tanto provisionales como definitivos, en los que la saturación esté aportando un grado de libertad extra en el comportamiento de estos. Por lo tanto, la compactación es un proceso por el cual se disminuye el índice de poros de los suelos. Aparentemente, esto debería llevar aparejado un cambio en su contenido de humedad, sin embargo, esto no es así, ya que esta compactación no varía este índice y de ahí vendría la diferencia con la desecación, que es un proceso que tiene otros objetivos diferentes y otros procedimientos que sí que ve alterada la humedad del terreno. Existen, para estas operaciones, procesos naturales de compactación, aunque de un modo práctico, tienen mucha más importancia los procesos artificiales, que pueden ser superficiales cuando se requiere del uso de elementos compactadores sobre la superficie del terreno o profundos, cuando la necesidad es la de la mejora de los parámetros anteriormente comentados para terrenos o rellenos existentes, de espesor considerable. Estos procedimientos se realizan en el interior del terreno utilizando elementos de inspiración mecánica pero una mayor complejidad. Procedimientos como la vibroflotación, las columnas de grava, voladuras o inyecciones son los que se usan en estos casos. Es necesario notar, que como puede indicar el sentido común, la compactación consigue su objetivo principal en superficie con una mayor eficacia. Su efectividad se ve reducida, a profundidad, en lo que se refiere a la compactación en terrenos existentes. Suelos semisaturados | En el caso de obras de rellenos como tal, en el que el material se extiende en tongadas de pequeño espesor la compactación se realiza en muchas etapas, para que al final de cada tongada se comporte como compactación superficial unitaria llegando a acabados con excelentes resultados a distintas profundidades, pero producto de la aplicación del sistema de un modo secuencial en distintas etapas. Por lo tanto, la compactación es un proceso rápido a la vez que integral. La actuación del elemento compactador sea cual sea la metodología y la profundad de trabajo, tiene un tiempo de actuación de segundos. El proceso, por tanto, tiene lugar sin drenaje, con lo que no da lugar a que se produzca expulsión de agua del interior del terreno. Esto tiene otra consecuencia y es que, desde el punto de vista teórico, la compactación no tendría sentido alguno en suelos totalmente saturados, al no poder producirse ningún cambio de volumen en ninguno de los elementos que componen el terreno y, por consiguiente, sólo tiene aplicación en suelos parcialmente saturados. Ampliando los conceptos que se encuentran involucrados dentro del proceso de compactación, al margen del peso específico que se comentaba anteriormente que su aumento era el objetivo principal del proceso. También pueden valorarse la intervención de la humedad y la densidad seca a lo largo de la totalidad del proceso. Por un lado, la humedad es constante y la densidad seca aumenta, al mantenerse constante el peso de sólido y disminuir el volumen total. Durante el proceso también varía el grado de saturación. Agua en medio poroso Tomando la compactación como uno de los procesos que mayor importancia tienen dentro de la influencia de la caracterización del suelo semisaturado, se dedica el siguiente epígrafe al estudio de los parámetros que mayor importancia tienen dentro de este tipo de terrenos. Si bien, se ha comentado anteriormente que la compactación lo que provoca es que el peso específico del suelo aumente, a continuación, se comentan otros parámetros de gran importancia dentro de los suelos semi saturados y cómo la presencia en el agua en cualquier tipo de terreno varía las mismas. El agua con carácter general, en su interacción dentro del terreno ingresa al suelo por infiltración. Obviamente no todo el agua se infiltra en el terreno, sino que mientras que parte se pierde como escorrentía en la superficie o por evaporación y transpiración a la atmósfera, la que penetra dentro del terreno comienza, en mayor o menor medida, dependiendo de la composición de los materiales y de su disposición, a interaccionar alterando las propiedades generales del suelo. La importancia del agua en los parámetros tiene una mayor trascendencia en los suelos, con lo que los dos orígenes que se han comentado tienen una menor importancia. 5 La retención de agua en un suelo depende de la fuerza capilar y la atracción molecular de las partículas. A medida que los poros del suelo se humedecen por completo, la fuerza capilar disminuye de modo que la gravedad se vuelve más efectiva. Muchas propiedades de ingeniería de suelos están muy influenciadas por su contenido de agua, pero también por su situación, ya que el contenido de agua en el suelo puede cambiar por encima del nivel freático y el propio nivel freático puede fluctuar en su posición. Estos cambios pueden ser relativamente rápidos y están influenciados principalmente por el tiempo y las condiciones climáticas. En consecuencia, el efecto del agua subterránea sobre el comportamiento del suelo puede cambiar durante el período de construcción de una estructura, por supuesto, mucho más durante su estado de servicio. Del mismo modo que la presencia de agua altera las características, su ausencia como la que se produce en las operaciones de desagüe, también lo logra. Dentro de las propiedades intrínsecas, la porosidad y la permeabilidad son los dos factores más importantes que gobiernan la acumulación, migración y distribución de las aguas subterráneas. Sin embargo, ambas pueden cambiar dentro de una masa de roca o suelo en el curso de su evolución geológica. Es poco común encontrar cambios tanto en la porosidad como en la permeabilidad con la profundidad debido a la variación en una serie de características, incluida la distribución del tamaño de los poros. El tamaño real de los poros es significativo ya que, en los poros o capilares estrechos, las fuerzas de tensión superficial ejercen un control sobre el movimiento de fluidos. Además, puede producirse una interacción química entre, por un lado, el agua y los gases disueltos, y por el otro, ciertos componentes de la roca o del suelo, en particular la arcilla (y los minerales solubles). De un modo concreto en lo que se hace referencia a la porosidad, además de la distribución del tamaño de las partículas, la porosidad también se ve afectada por la clasificación, la forma de las partículas, el grado de compactación y cementación y la composición mineralógica. La porosidad más alta se alcanza comúnmente cuando todas las partículas que componen el suelo tienen el mismo tamaño. La adición de partículas de diferente tamaño, tal como se da en muchos suelos aluviales, es directamente proporcional a la cantidad agregada, a tal ensamblaje reduce su porosidad. De manera similar, si las partículas que constituyen el material son más angulares pueden causar un aumento o una disminución de la porosidad. Después de que un sedimento ha sido enterrado y endurecido, varios factores adicionales ayudan a determinar su porosidad. Los principales entre ellos son el espaciamiento más cercano de las partículas, la deformación y trituración de estas, la recristalización, el crecimiento secundario de minerales, la cementación y, en algunos casos, la disolución. Suelos semisaturados | Por lo tanto, el cambio diagenético que sufre un terreno puede aumentar o disminuir su porosidad original. La porosidad de un depósito no proporciona necesariamente una indicación de la cantidad de agua que puede ser obtenido de allí. Aunque una roca o un suelo puedan estar saturados, solo una cierta proporción de agua puede eliminarse por drenaje por gravedad o por bombeo, el resto se mantiene en su lugar por fuerzas capilares o moleculares. La relación entre el volumen de agua retenido y el volumen total expresado como porcentaje se denomina retención específica. La cantidad de agua retenida varía directamente de acuerdo con la superficie de los poros e indirectamente con respecto al espacio de los poros. La relación entre la porosidad y el rendimiento específico, por un lado, y la distribución del tamaño de partícula, por otro, se muestra en la siguiente figura. En los suelos, el rendimiento específico tiende a disminuir a medida que aumenta el coeficiente de uniformidad. El otro de los parámetros de global importancia dentro de lo que se refiere a las características intrínsecas del terreno, en el caso de la presencia de agua es la permeabilidad En las aplicaciones hidráulicas ordinarias, un terreno se denomina permeable cuando permite el paso de una cantidad medible de fluido en un período de tiempo finito e impermeable cuando la velocidad a la que transmite ese fluido es lo suficientemente lenta como para ser despreciable en condiciones de uso. El flujo a través de una sección transversal unitaria de material se modifica por la temperatura, el gradiente hidráulico y la permeabilidad. Este último se ve afectado por la uniformidad y rango de tamaño de las partículas que forman el terreno, la forma de estas, la estratificación, la cantidad de consolidación y cementación experimentada y la presencia y naturaleza de discontinuidades. Los cambios de temperatura afectan el caudal de un fluido al cambiar su viscosidad. Se asume comúnmente que la tasa de flujo es directamente proporcional al gradiente hidráulico, pero esto no siempre es así en la práctica. La permeabilidad de un material también se ve afectada por las interconexiones entre los espacios porosos. Si estos son muy tortuosos, la permeabilidad se reduce en consecuencia. En consecuencia, la tortuosidad figura de manera importante en la permeabilidad, lo que influye en la extensión y la tasa de saturación de agua libre. Puede definirse como la relación de la ruta total cubierta por una corriente que fluye en el poro, canales entre dos puntos dados a la distancia en línea recta entre ellos. La estratificación en una formación varía dentro de límites tanto vertical como horizontalmente. Con frecuencia es difícil predecir qué efecto tiene la estratificación sobre la permeabilidad de los lechos, no obstante, en la gran mayoría de los casos en los que existe una diferencia direccional de permeabilidad, la mayor permeabilidad es paralela al lecho. 6 El agua posee tres formas de energía, energía potencial atribuible a su altura, energía de presión debido a su presión y energía cinética debido a su velocidad. Este último generalmente se puede descartar en cualquier evaluación del flujo a través de los suelos. La energía en el agua generalmente se expresa en términos de altura. La capacidad que posee el agua en suelos o rocas se manifiesta por la altura a la que se elevará el agua en un tubo vertical por encima de un dato dado. Esta altura generalmente se conoce como nivel piezométrico y proporciona una medida de la energía total del agua. Si en dos puntos diferentes dentro de un área continua de agua hay diferentes cantidades de energía, entonces habrá un flujo hacia el punto de menor energía. En igualdad de condiciones, la velocidad de flujo entre dos puntos es directamente proporcional a la diferencia de altura entre ellos. La ley básica relacionada con el flujo es la enunciada por Darcy (1856), quién establece que la tasa de flujo por unidad de área es proporcional al gradiente de la altura potencial. La ley de Darcy es válida mientras exista un flujo laminar. Las desviaciones de la ley de Darcy, por lo tanto, ocurren cuando el flujo es turbulento, tales condiciones surgen cuando la velocidad del flujo es alta. El flujo turbulento puede ocurrir en medios muy permeables, en los que el número de Reynolds alcanza valores superiores a cuatro. En consecuencia, generalmente se acepta que esta ley se puede aplicar a aquellos suelos que tienen tamaños de grano más fino que la grava. La ley de Darcy probablemente no representa con precisión el flujo de agua a través de un medio poroso de permeabilidad extremadamente baja, debido a la influencia de los fenómenos superficiales e iónicos y la presencia de gases. Además de un aumento en la velocidad media, los otros factores que causan desviaciones de las leyes lineales del flujo incluyen, en primer lugar, la falta de uniformidad de los espacios porosos, ya que la diferente porosidad da lugar a diferencias en las tasas de filtración a través de los poros, canales. Un segundo factor es la ausencia de una sección de rodaje donde el perfil de velocidad puede establecer una distribución parabólica en estado estable. Por último, tales desviaciones pueden desarrollarse por perturbaciones debidas a la separación del chorro de las irregularidades de la pared. La permeabilidad también depende de la densidad y la viscosidad dinámica del fluido involucrado. De hecho, la permeabilidad es directamente proporcional al peso unitario del fluido en cuestión y es inversamente proporcional a su viscosidad. Este último es mucho influenciado por la temperatura. El intercambio iónico en las superficies de arcilla y coloides puede provocar cambios en el volumen mineral que, a su vez, afectan la forma y el tamaño de los poros. Suelos semisaturados | Se requieren velocidades de agua subterránea de moderadas a altas para mover coloides y partículas de arcilla. La solución y la deposición pueden resultar de los fluidos de los poros. Pequeños cambios de temperatura y/o presión pueden hacer que salga gas de la solución, lo que puede bloquear los espacios porosos. Como siguiente elemento involucrado sería la capilaridad de este. El movimiento capilar en el suelo se refiere al movimiento de la humedad a través de los poros diminutos entre las partículas del suelo que actúan como capilares. Tiene lugar como consecuencia de la tensión superficial, por lo que la humedad puede elevarse desde el nivel freático. Este movimiento, sin embargo, puede ocurrir en cualquier dirección, no solo verticalmente hacia arriba. Ocurre siempre que la evaporación tiene lugar desde la superficie del suelo, ejerciendo así un “tirón de tensión superficial” sobre la humedad, aumentando las fuerzas de tensión superficial a medida que avanza la evaporación. En consecuencia, la humedad capilar está en continuidad hidráulica con el nivel freático y se eleva contra la fuerza de la gravedad, el grado de saturación que disminuye desde el nivel freático hacia arriba. El equilibrio se alcanza cuando las fuerzas de la gravedad y la tensión superficial están equilibradas. El límite que separa la humedad capilar del agua gravitacional en la zona de saturación está, como era de esperar, mal definido y no se puede determinar con precisión. La zona inmediatamente por encima del nivel freático que está saturada con humedad capilar se denomina franja capilar cerrada, mientras que, por encima de esta, el aire y la humedad capilar existen juntos en los poros de la franja capilar abierta. La profundidad de la franja capilar depende en gran medida de la distribución del tamaño de las partículas y la densidad de la masa del suelo, que a su vez influyen en el tamaño de los poros. En otras palabras, cuanto menor es el tamaño de los poros, mayor es la profundidad. Por ejemplo, la humedad capilar puede alcanzar grandes alturas en suelos arcillosos pero el movimiento es muy lento. En suelos que están mal clasificados, la altura de la franja capilar generalmente varía, mientras que en suelos de textura uniforme alcanza aproximadamente la misma altura. Donde el nivel freático está a poca profundidad y la elevación capilar máxima es grande, la humedad es atraída continuamente desde el nivel freático, debido a la evaporación de la superficie del suelo, de modo que el suelo más alto está cerca de la saturación. Tensiones en el terreno Cuando un suelo está parcialmente saturado, la presión del aire es normalmente la atmosférica, tal y como se comentaba anteriormente, lo normal es que salvo en casos de confinamiento intenso a gran profundidad, la presión del aire sea siempre despreciable en lo que se refiere al terreno como estado trifase. Por lo tanto, la presión del agua en los meniscos será negativa lo que comúnmente se denomina presión capilar. 7 La tensión normal vertical σz responde, por tanto, a: Donde σz es la tensión total vertica, el término z es la profundidad debajo de la superficie del terreno y γef – γw son los pesos unitarios del suelo sumergido y del agua respectivamente. A partir de esta expresión, de forma generalizada, se describe la tensión efectiva. Donde los términos son respectivamente la tensión total, la efectiva y la tensión neutral, es decir la presión de poros. De estos términos, el concepto de tensión efectiva será de plena aplicación en el caso de tensiones normales σ, ya que, para los esfuerzos rasantes, es decir los correspondientes a la tensión de corte τ no es transferida por el agua con la misma intensidad para que esta sea efectiva. Mientras que el valor de la Tensión total se determina usando herramientas básicas de teoría mecánica, la tensión efectiva se obtiene a partir de la diferencia entre la tensión total y la tensión de poros. La tensión total depende de si el suelo está cargado por su propio peso o por efectos externos. En cuanto a la presión de poro se supone que para el agua que está en contacto con el exterior, es decir, aquella agua que fluye por los poros, el poro equivale a la presión hidrodinámica, y de otro modo a la presión hidrostática. En los suelos parcialmente saturados con altos grados de presión de poro, es necesario tener en cuenta el hecho de que esta presión se desarrolla tanto en el agua como en las burbujas de aire. Reología Estratos drenados Estrato sin drenar Corto - plazo Tensión efectiva Tensión Total Largo - plazo Tensión efectiva Tensión efectiva Suelos semisaturados | Cuando el subsuelo se divide en diferentes unidades de peso en cada apa horizontal, el modo de obtener la tensión total vertical se determina integrando el peso de todas las capas y de la presión del poro: Donde: σz Tensión normal total vertical. γ Peso unitario del suelo. d Profundidad del nivel freático debajo de la superficie. z Profundidad debajo de la superficie. γw Peso unitario del agua. En suelos saturados, la ley de Terzaghi (σ '= σ − u ) ha sido repetidamente comprobada y es comúnmente aceptada. Sin embargo, no es tan claro para el caso de saturación parcial. Cuando se presentó el concepto de tensión efectiva, se vio que a partir del análisis del equilibrio defuerzas que actúan entre partículas, se puede llegar a la expresión de la tensión intergranular, es decir la fuerza transmitida por las partículas por unidad de área total. En el caso de un suelo saturado, dicha tensión vale: υ ι σ = σ Por tanto, la ley de Terzaghi puede enunciarse también mediante la identificación de la tensión efectiva con la intergranular. En el caso de suelo parcialmente saturado, llamando c a la fracción del área de los poros ocupada por el agua, se llega a: ι α (α ω ) σ = σ – υ + χ υ – υ Bishop (1959) propuso extender a los suelos parcialmente saturados la hipótesis anterior, es decir, tomar también como tensión efectiva la intergranular, definida por el algoritmo anterior. Sin embargo, esta hipótesis permite explicar algunos fenómenos del comportamiento de suelos semisaturados, pero no todos. Por tanto, no hay una única función de las tensiones totales e intersticiales cuya variación gobierne la deformación y rotura de los suelos. Es en esta situación cuando el comportamiento de los suelos semisaturados, en lo que se refiere a los parámetros resistentes sería función de las tensiones totales e intersticiales σ, ua, uw) como variables independientes. Sin embargo, es un hecho repetidamente comprobado que, si las tres tensiones se varían en la misma cuantía, ello no provoca ninguna deformación apreciable. Por tanto, la hipótesis más general es que el comportamiento es función de dos variables tensionales independientes, en lugar de una sola tensión efectiva. Para estas (σ − ua ) y a w (u’ – u). Estas variables tienen un sentido físico claro, pues la primera es la tensión total neta, es decir la referida a la del aire y la segunda, la succión del agua. 8 Por otra parte, el estado de un suelo saturado se define mediante un único parámetro, que puede ser el índice de poros, e. En un suelo parcialmente saturado, ello no basta para definir el estado del suelo, pues se precisa también definir el porcentaje de poros que está lleno de agua, para lo que puede usarse el grado desaturación, Sr. Por lo tanto, en el caso del diagrama edométrico, que en suelos saturados es un plano e-s', en suelos parcialmente saturados pasa a tener cuatro dimensiones, haciendo una enumeración; dos de estas dimensiones que se refieren a las tensiones y otras dos en referencia a las de deformación o estado (e y Sr). La curva edométrica se convierte en dos superficies de estado, una para el índice de poros y otra para el grado de saturación, ambas en función de las tensiones significativas. Comportamiento del agua en suelos y rocas A lo largo de todo el tema se ha comprobado que el efecto de la saturación parcial influye, dependiendo del terreno, en distintos parámetros resistentes. Este comportamiento variable se caracteriza por comprometer distintos parámetros dependiendo dos factores fundamentales, por un lado, la composición del suelo y por otro la variabilidad de la presencia de agua. Es necesario, por tanto, conocer el comportamiento general de cada uno de los terrenos en el caso de estar saturados parcialmente. En el caso de los suelos los depósitos de arcilla se ven muy afectado por el contenido total de humedad y por la energía con la que se retiene esta humedad. Por ejemplo, el contenido de humedad influye en su densidad, consistencia y resistencia. La energía con la que se retiene la humedad influye en sus características de cambio de volumen, ya que el hinchamiento, la contracción y la consolidación se ven afectados por la permeabilidad y la variabilidad de la humedad. Además, dicha variabilidad de la humedad puede dar lugar a un movimiento diferencial en suelos arcillosos. Los gradientes que la generan en las arcillas pueden deberse a variaciones de temperatura, grado de saturación y composición química o concentración de las soluciones de los poros. Suele haber una reducción generalizada de la porosidad y, por tanto, también una reducción del contenido de humedad, con el aumento de la edad y la sobrecarga previa. En otro tipo de suelo, además de en cualquier tipo de roca, el problema no existe. Por último, hay que señalar que, como ejemplo de esta variación de los parámetros, los límites de Atterberg o de consistencia de los suelos cohesivos se basan en el concepto de que pueden existir en cualquiera de los cuatro estados dependiendo de su contenido de agua. Estos límites también están influenciados por la cantidad y el carácter del contenido de minerales arcillosos. Suelos semisaturados | En otras palabras, un suelo cohesivo es sólido cuando está seco, pero a medida que se agrega agua, primero se convierte en un semisólido, luego en un plástico y finalmente en un estado líquido. El contenido de agua en los límites entre estos estados se denomina límite de contracción, límite de plástico y límite de líquido, respectivamente. Resumen Todo lo relacionado con la mecánica del suelo se vuelve más complejo cuando se acerca a la realidad. Lo comentado anteriormente se refería a situaciones teóricas y empujes de suelos en estado ideal. Como se decía en la lección anterior, en el suelo interactúan las partículas sólidas con otros elementos normalmente líquidos. Los estudios de los suelos parcialmente saturados son, por tanto, los casos más probables, ya que en la columna de cálculo o de influencia sobre cualquier estructura los niveles con presencia de agua se van alternando o son variables. Esta variabilidad puede ir desde los casos de ascensión capilar en suelos de grano fino, donde alcanza hasta centenares de metros, hasta la influencia del nivel freático que no suele superar las pocas decenas de metros. 9 Bibliografía 1. BISHOP, A.W. Y BLIGHT, G.E., 1963. Some aspects of effective stress in saturated soils in partially saturated soils. Geotechnique No 13, pp. 177-197. 2. BUCKINGHAM, E., 1907.Studies on the movement of soil moisture.US Dept Agr.Bur. Soils Bulletin 38. 3. CORRALES ESTRADA, J.F., 1996. Succión matricial de suelos como parámetro de estabilidad de taludes. (Tesis de pregrado). Medellín, Universidad Nacional de Colombia. 4. FREDLUND, D.G Y MORGENSTERN, N.R., 1977. Stress state variable for unsaturated soils. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 103: pp. 447- 466. 5. LAMBE, W. T. Y WHITMAN, R.V., 1991. Soil mechanics. Jhon Wiley & Sons Inc. 6. LU NING Y LIKOS W. J., 2004.Unsaturated Soils Mechanics. Jhon Wiley & Sons Inc, New Jersey. 7. MEZA OCHOA, V.E., 2005. Influencia de la succión matricial en el comportamiento deformacional de dos suelos expansivos (Tesis de Maestría). Medellín, Universidad Nacional de Colombia.