Capacidad de carga de cimentaciones sobre suelos no saturados
By PhD Carolina Hernández Valerio (Marzo 2024).En este blog exploramos de manera detallada la fascinante interacción entre la succión de suelos no saturados y el cálculo de la capacidad de carga en cimentaciones, analizaremos cómo la variabilidad en la succión del suelo puede impactar significativamente en la estabilidad y eficiencia de las cimentaciones.
Introducción
La rigidez de un suelo juega un papel crucial en el cálculo de la capacidad de carga de cimentaciones, especialmente en relación con el esfuerzo cortante. La rigidez del suelo se refiere a su resistencia para deformarse o su capacidad para transmitir esfuerzos. La relación entre la rigidez y el esfuerzo cortante afecta directamente la capacidad de carga de una cimentación.
En términos generales, a medida que aumenta la rigidez del suelo, se espera que la capacidad de carga de la cimentación también aumente. Esto se debe a que un suelo más rígido tiene una mayor capacidad para soportar esfuerzos sin sufrir deformaciones excesivas. Un suelo blando y menos rígido tiende a deformarse más bajo cargas aplicadas, lo que puede resultar en una capacidad de carga menor.
Parámetros de resistencia en los suelos no saturados
La determinación de la resistencia al corte en suelos parcialmente saturados se ha fundamentado en la aplicación de la ley de esfuerzos efectivos, que explícitamente incorpora la succión (Bishop et al., 1960), así como las fuerzas eléctricas intergranulares (Lambe, 1960). En este contexto, la resistencia al corte experimenta un aumento proporcional al crecimiento de la succión, reflejando un incremento en los esfuerzos efectivos.
En contraste, la resistencia al corte de suelos saturados representa la resistencia mínima del suelo en condiciones de saturación completa, es decir, la situación más desfavorable. Dado los diversos grados de saturación que un suelo puede experimentar en la naturaleza, comprender la variación de la resistencia asociada a los cambios en el contenido de agua (o grado de saturación) proporcionará una comprensión más holística de su comportamiento. Entre los factores primordiales que influyen en la resistencia al corte se encuentran la densidad seca (o índice de poros), el contenido de humedad y la estructura del suelo (Lambe y Whitman, 1959; Seed y Chan, 1959).
De manera similar al análisis de la deformación volumétrica, diversos autores han corroborado que la resistencia al corte experimenta un aumento con la succión, partiendo del estado saturado. Brull (1980) identificó una relación lineal entre el módulo dinámico a pequeñas deformaciones y la succión en ensayos con limos y arenas, abarcando mediciones de succiones hasta 800 kPa mediante una placa de succión. Richards (1974) empleó psicrómetros para medir succiones de hasta 3000 kPa, proponiendo una relación entre el módulo de corte y el logaritmo de la succión. Delage et al. (1987) realizaron ensayos triaxiales con succiones superiores a los 800 kPa, observando incrementos en la rigidez al corte conforme aumentaba la succión. Es importante destacar que si el suelo se desatura completamente, alcanzando un estado seco, la succión desaparece, limitando el aumento del módulo de corte, conclusión respaldada por ensayos en limos y arenas mediante columnas resonantes realizados por Wu et al. (1984).
Una contribución significativa al desarrollo de un modelo constitutivo para el comportamiento de suelos no saturados fue aportada por Fredlund, Morgenstern y Widger (1978). Estos investigadores sugirieron una relación entre el esfuerzo de corte (τ) de suelos no saturados y las dos variables de estado de esfuerzo.
Donde c ́ y φ ́ son la cohesión y el ángulo de fricción (con respecto al esfuerzo efectivo) a una condición saturada y φb es el ángulo de fricción interna con respecto a la succión (Barrera, 2002).
En una investigación pionera, Fredlund, Morgenstern y Widger (1978) demostraron experimentalmente que el valor de φ ́ era equivalente tanto en condiciones saturadas como no saturadas, utilizando ensayos triaxiales en muestras compactadas a contenidos de agua constantes. Todos los puntos de falla fueron representados en el espacio τ, ua – uw, ((σ1 + σ2)/2) - ua, generándose en una superficie plana. Los valores de φ ́, φb y c ́ se calcularon a partir de los resultados, y se emplearon para definir la ecuación anteriormente mencionada.
En otro estudio, Gulhati y Satija (1981) analizaron la resistencia al corte de suelos no saturados en ensayos triaxiales bajo condiciones drenadas y con contenidos de agua constantes. Estos investigadores correlacionaron la resistencia de falla con el esfuerzo neto y la succión, introduciendo dos factores de fricción. Los puntos de falla se representaron en la superficie definida por q, σ-ua y ua-uw, concluyendo que la resistencia de suelos no saturados puede definirse en términos de dos variables de estado tensional: σ-ua y ua-uw.
Escario y Sáez (1986) presentaron resultados que indican la necesidad de ajustar la ecuación anterior. Llevaron a cabo ensayos de corte directo en condiciones drenadas sobre arcillas, variando los valores de succión controlada. La Fig. 1 exhibe los resultados de uno de los suelos analizados. Estos resultados señalaron que φb en la ecuación no se mantuvo constante para un tipo de suelo específico.
En una línea similar, Gan, Fredlund y Rahardjo (1988) también observaron la no linealidad del esfuerzo de corte respecto a la succión en ensayos triaxiales. Cada ensayo de corte se llevó a cabo con valores de succión controlada. A bajos niveles de succión, el valor de φb fue aproximadamente igual a φ ́, pero comenzó a disminuir a medida que la succión aumentaba (Fig. 2).
La no linealidad del esfuerzo de corte en relación con la succión resultó aún más evidente en los ensayos de corte directo realizados por Escario y Juca (1989). En estos ensayos, la componente de resistencia debida a la succión alcanzó un máximo en un valor específico de succión y posteriormente empezó a disminuir. Desde un punto teórico, si la succión aumenta indefinidamente, el suelo eventualmente llegaría a un estado seco, y la ecuación se reduciría a la relación de Mohr-Coulomb para suelos secos. Para que se cumpla esta condición, φb debe decrecer a cero con valores muy elevados de succión.
La validez general del criterio de rotura propuesto por Fredlund et al. (1978) ha sido objeto de cuestionamiento en diversas referencias. Algunos aspectos específicos observados o deducidos, vinculados a las hipótesis implícitas en su ecuación, incluyen los siguientes:
La desaparición del efecto de la succión al llegar al estado seco, implicando que el aumento de la resistencia al corte del suelo debería decrecer hasta el nivel correspondiente al estado saturado. Esta condición sugiere la existencia de un máximo intermedio, que, aunque podría ocurrir en situaciones de baja saturación comunes en ingeniería, limita la aplicabilidad general del criterio. Esta preocupación ha sido señalada por Alonso y Lloret (1985) y Escario y Sáez (1986), y confirmada experimentalmente por Escario y Sáez (1986) mediante ensayos de corte directo con succión controlada.
La variabilidad de φb en rangos bajos de succión, como describe Escario y Sáez (1986). Fredlund et al. (1987) sugieren que φb se iguala a φ ́ en bajos valores de succión, considerando que φb puede considerarse constante excepto para dicho rango de succiones, donde se convierte en φ ́. De manera similar, Delage et al. (1987) obtienen valores de φb dependientes de la succión al ensayar arcillas en un equipo triaxial.
Conclusiones
En resumen, el criterio propuesto por Fredlund et al. (1978) podría apartarse de la realidad dependiendo de los rangos de succión o del tipo de suelo sometido a ensayo, a pesar de ser considerado válido para variaciones suficientemente pequeñas del estado tensional. La determinación de la resistencia al corte en suelos parcialmente saturados permanece como un desafío no completamente resuelto. Aunque la evidencia experimental resalta la no linealidad de la envolvente de resistencia respecto a la succión, las formulaciones teóricas enfrentan considerables dificultades (Bishop et al. 1960; Fredlund et al. 1978). Actualmente, hay una inclinación hacia la aplicación de teorías del estado crítico para expresar las envolventes de resistencia, como indican estudios recientes (Alonso et al. 1987; Toll, 1990). Este panorama subraya la complejidad y la necesidad continua de investigaciones en la comprensión y modelado del comportamiento de suelos parcialmente saturados.
Referencias
Alonso, E.E., Gens, A., and Hight, D.W. (1987) Special problem soils. General report. In proceedings of the 9th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Dublin, Vol. 3: 1087-1146. Barrera Bucio, M. (2002). Estudio experimental del comportamiento hidro-mecánico de suelos colapsables. Universitat Politècnica de Catalunya. Bishop, A.W., Alpan, I., Blight, G.E. and Donald, I.B. (1960). Factors controlling the strength of partly saturated cohesive soils. Res. Conf. on Strength of Cohesive Soils, Boulder: 503-532. Brull, A. (1980). Caracteristiques Mechaniques des sols de fondation de Chausses en fonction de leur etat d´humidite et compacite. Int. Conf. Compaction, Paris, 1 : 113-118. Delage, P., Suraj de Silva, G.P.R. De Laure, E. (1987). Un nouvel appareil triaxial pour les sols non-satures. In Proceedings of the 9th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Dublin, Vol. 1: 25-28. Escario, V. and Sáez, J. (1986). The shear strength of partly saturated soils. Géotechnique 36, No. 3: 453- 456. Fredlud, D.G., Morgenstern, N.R., and Widger, R.A. (1978). The shear strength of unsaturated soils. Canadian Geotechnical Journal. 15, No. 3: 313-321. Gan, J.K.M., Fredlund, D.G. and Rahardjo, H. (1988). Determination of the shear strength of unsaturated soils. Can. Geotech. J., 25: 500-510. Gulhati, S.K. and Satija, B.S. (1981). Shear strength of partially saturated soils. Proc. 10th Int. Conf. Soil Mech., Stockholm 1: 609-612. Lambe, T.W. (1960). A mechanistic picture of shear strength in clay. Research Conf. On Shear Strength of Cohesive Soils, Boulder, Colorado: 555-580. Seed, H. B. and Chan A.M. (1959). Structure and strength characteristics of compacted clays. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, A.S.C.E., Vol. 85, SM5: 87-128. Richards, B.G. (1974). Application of an experimentally based non-linear constitutive model of soils in laboratory test. Aust. Geomech. Jnl. G8: 20-30. Toll, D.G. (1990). A framework for unsaturated soil behaviour. Géotechnique, Vol. 40, No.1: 31-44.