Si en un suelo cohesivo cortamos un cilindro y lo sometemos a la acción de una presión normal P (fig. 1), en el cilindro aparecerán nuevas tensiones, concretamente la tensión vertical de compresión σ y la tensión horizontal de corte. Si aumentamos gradualmente la presión P, al cabo de cierto tiempo aparecerán grietas inclinadas en el cilindro, y enseguida después se producirá la rotura del cilindro. En el momento de la rotura, el cilindro queda cortado bajo la acción de la presión P a lo largo del plano de corte de menor resistencia N-N.
Fig. 1. Efecto de la presión sobre el cilindro extraído de un suelo cohesivo
La resistencia del suelo que el cilindro opuso al efecto de la fuerza P en el momento de la rotura se denomina resistencia al corte del suelo, y el ángulo α de inclinación del plano de menor resistencia respecto a la horizontal se denomina ángulo del plano de menor resistencia al corte del suelo.
La resistencia al corte del suelo cohesivo consta de dos resistencias elementales: fricción interna entre las partículas sólidas y la cohesión que une las partículas sólidas. Se adopta que la resistencia al corte del suelo es igual a la máxima tensión cortante en el momento de la rotura y se expresa mediante la ecuación
τf = c + σ tg_φ_
donde: τf resistencia al corte del suelo [kp/cm2],
c cohesión del suelo [kp/cm3],
σ tensión normal del suelo [kp/cm3],
φ ángulo de fricción interna del suelo.
La fórmula anterior fue propuesta por el francés Coulomb en 1785. Según esta fórmula, para un suelo dado la cohesión c es constante e independiente de la presión normal, mientras que la resistencia por fricción σ tg_ϕ_ es directamente proporcional a la tensión σ. En realidad, la cohesión e no es constante para un suelo dado, sino que también depende en cierta medida de la tensión normal σ, porque bajo la acción de esa presión disminuye el espesor de la película de agua que recubre las partículas sólidas y con ello aumenta la cohesión. La fórmula de Coulomb es válida para suelos permeables, en los que bajo la acción de la presión normal el agua de los poros se expulsa sin resistencia, como es el caso de los suelos gravosos y arenosos, pero no es el caso de los suelos cohesivos, que son poco permeables, por lo que el agua de los poros se expulsa con dificultad y permanece como agua intersticial presurizada bajo la acción de la carga P.
Esfuerzos efectivos y neutros en el suelo
Fig. 2. Esfuerzo efectivo y neutro en el suelo
Si colocamos una muestra de suelo en el fondo de un recipiente, por ejemplo arena seca, y la cargamos con una masa, por ejemplo perdigones de plomo de peso W, toda la carga de ese peso será soportada por las partículas sólidas del suelo. La presión específica sobre la superficie de la muestra p0 = W/A en kp/cm3, donde A es el área de la sección transversal de la muestra, provocará el asentamiento de la muestra, es decir, la disminución de su porosidad, pero también ocasionará cambios en otras propiedades físicas de la muestra, como el aumento de la resistencia al corte, el aumento del módulo de compresibilidad y otros. La presión que actúa en las superficies de contacto entre las partículas se denomina presión efectiva o presión intergranular σ’. Cuando se alcanza la consolidación, es decir, cuando la muestra deja de asentarse bajo la carga p0, la presión efectiva es igual a la presión específica total que actúa a la profundidad a la que se considera el suelo. En este caso, a la profundidad, por debajo de la superficie de la muestra en la fig. 2 σ’ = W/A + hzγ donde γ es el peso volumétrico de la muestra.
Sin embargo, si en un recipiente cargamos la muestra con agua hasta la altura h, de modo que ésta haya llenado todos los poros de la muestra, la presión de la columna de agua sobre la muestra hγw, donde γw es el peso específico del agua, no provocará el asentamiento de la muestra ni la disminución de su porosidad, ni aumentará su resistencia al corte y su módulo de compresibilidad. Por eso la presión hidrostática hγw se denomina presión neutra. La presión neutra, que se обозначa con u, se transmite a través de la muestra en todas las direcciones con igual intensidad. Esta presión no provocará el aumento de la resistencia al corte, porque el agua por sí sola no tiene ninguna resistencia al corte.
Por lo tanto, la presión efectiva σ’ se transmite a través de las superficies de contacto entre las partículas sólidas del suelo, mientras que la presión neutra u se transmite a través del agua en los poros. Si la parte inferior del recipiente está llena con una muestra de suelo saturada cuya densidad aparente es γz, y por encima de la superficie de la muestra hasta el nivel N el recipiente está lleno de agua cuya densidad aparente es γw, entonces la presión total σ en cualquier punto de la muestra será σ = σ’ + u.
A la profundidad hz, por debajo de la superficie de la muestra, la presión efectiva será σ = σ’ - u
donde σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
Por consiguiente, será σ’ = hz γ’
γ’ es el peso volumétrico del suelo sumergido en agua.
Ecuación general de la resistencia al corte del suelo
Si cargamos un suelo cohesivo con una carga P, esta carga provocará el asiento del terreno y, al principio, bajo su acción se expulsará el aire de los poros, de modo que pronto en los poros quedará solo agua. Como, debido a la baja permeabilidad al agua del suelo cohesivo, el agua no puede ser expulsada de inmediato, esta permanece como agua presurizada en los poros y al principio recibe la carga exterior total P. En el transcurso del tiempo, bajo la acción de la carga P empieza a expulsarse el agua de los poros y se produce el acercamiento de las partículas sólidas, que ahora reciben una parte de la carga P. Entonces tenemos τf =c + (σ - u) tg_ϕ,_ donde σ es la presión total debida a la carga P, u la presión del agua intersticial.
La presión del agua de poros u depende de varios factores, como el curso temporal de la consolidación, la permeabilidad del suelo, el tamaño de la carga del suelo, etc. La resistencia al corte del suelo depende de la presión del agua de poros y es máxima para u=0, cuando se produce la consolidación del suelo.
Actividad coloidal del suelo
Los elementos de la resistencia interna del suelo cohesión y fricción pueden ser distintos y dependen en gran medida del tamaño de las partículas sólidas del suelo y de sus propiedades plásticas. Con el fin de determinar la influencia de la cohesión respecto a la resistencia por fricción interna del suelo coherente, Skempton introdujo el concepto de actividad coloidal del suelo _K_P, que se presenta mediante la relación del índice de plasticidad IP con la cantidad de partículas menores de 0,002 mm en % del peso de la masa total. Para ello se adoptó el siguiente criterio (fig. 3):
Fig. 3. Actividad coloidal del suelo
Para KP < 0,75 son arcillas inactivas,
para KP = 0,75 – 1,25 son arcillas normales,
para Kp > 1,25 de arcilla activa.
Con el aumento de KP crece la influencia de la cohesión en relación con la fricción interna del suelo coherente.
Sensibilidad del suelo
Si en un suelo cohesivo extraemos un cilindro de diámetro 3—3,4 cm y altura ~ 5 cm y lo cargamos con una carga normal, en el momento de la rotura del cilindro obtendremos la resistencia a compresión del suelo en estado no perturbado σ__ₙ:
σn = P/A en kp/cm2,
donde A es la sección transversal del cilindro.
Una vez finalizado el ensayo, trasladamos la probeta rota y volvemos a preparar un cilindro de las mismas dimensiones, utilizando el mismo molde cilíndrico, con la condición de que su humedad permanezca igual a la que tenía en el ensayo anterior. Luego, inmediatamente después de preparar el cilindro amasado, se repite con él el ensayo, de modo que se obtenga la resistencia a compresión del suelo en estado alterado σ__ₚ.
La sensibilidad (sensitividad) S__ₜ es la relación entre la resistencia a compresión en estado no alterado y la resistencia a compresión en estado alterado: St = σn/σp,
Según un criterio, la sensibilidad S__ₜ se evalúa de la siguiente manera:
- para S__ₜ = 1 — 2 es baja la sensibilidad de la arcilla,
- para S__ₜ = 2 — 4 es la sensibilidad media de la arcilla,
- para S__ₜ = 4 — 8 hay una gran sensibilidad de la arcilla,
- para S__ₜ > 8 es una arcilla sensible.
En la naturaleza ocurre que, a causa de una acción mecánica, por ejemplo un sismo, el suelo arcilloso pierde de repente su consistencia, que luego recupera en estado de reposo. Esta propiedad se llama tixotropía del suelo. Muchas arcillas presentan en cierta medida propiedades tixotrópicas. Se conocen casos de deslizamiento de taludes de excavaciones a causa de la fluencia de arcilla tixotrópica en Noruega, Suecia y Finlandia, donde las pruebas demostraron que no hubo variación de la humedad de la arcilla durante este proceso, es decir, que la humedad de la arcilla fue constante antes y después de la fluencia.