El concepto y la relación con el tema principal de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, desde las diferentes pruebas hasta los factores influyentes a la hora de idealizar la estructura sobre el suelo

INTRODUCCIÓN

Toda obra de ingeniería exige seguridad, funcionalidad y economía. Cuando se habla de seguridad en el caso específico de los suelos, se busca que el sistema que forman la cimentación y el suelo no genere un mecanismo de falla que ponga en peligro la estabilidad de la obra.

Para llevar a cabo el análisis de la estabilidad de una estructura, desde el punto de vista de la ingeniería, es necesario determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos involucrados en el mecanismo potencial de falla. Sin embargo, dicha determinación implica grandes retos para el ingeniero de mecánica de suelos, en virtud de las variables involucradas en el problema, tales como: el tipo de suelo, el grado de compacidad o consistencia, el grado de saturación y anisotropía, entre otras. El grado de saturación, por ejemplo, ha permitido crear la “Mecánica de Suelos Tradicional” (para suelos 100% saturados) y la “Mecánica de suelos no saturados”. Es por ello que en el presente trabajo de investigación se puntualizan los conceptos y las principales relaciones del tema de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos, desde las diferentes pruebas hasta los factores influyentes a la hora de idealizar la estructura sobre el suelo.

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE

DE LOS SUELOS.

En 1776 Coulomb, físico e ingeniero francés, propone un mecanismo para estudiar la resistencia del suelo, que consiste en aceptar que dicho material falla por esfuerzo cortante a lo largo de un plano de deslizamiento. Observó que en dicho plano la resistencia al esfuerzo cortante de cierto tipo de suelos, resultaba proporcional al esfuerzo normal actuante. Para quitar el signo de proporcionalidad introdujo un coeficiente, tan f, donde f representa una constante del material conocida como “ángulo de fricción interna”. Observó también que otros suelos como las arcillas saturadas, parecían tener una resistencia al esfuerzo cortante constante, independiente del esfuerzo normal aplicado.

Prueba Directa De Resistencia Al Esfuerzo Cortante:

Durante muchos años, la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamente la única usada para la determinación de la Resistencia de los suelos; hoy, aun cuando conserva interés práctico debido a su simplicidad, ha sido sustituida en buena parte por las pruebas de compresión triaxial, descriptas adelante.

En la figura anterior se muestra un esquema del aparato necesario para efectuar la prueba. El aparato consta de dos marcos, uno fijo y otro móvil, que contienen a la muestra de suelo. Dos piedras porosas, una superior y otra inferior, proporcionan drenaje libre a muestras saturadas, al probar muestras secas. La parte móvil tiene un aditamento al cual es posible aplicar una fuerza rasante, que provoca la falla del espécimen a lo largo de un plano que por la construcción del aparato, resulta bien definido. Sobre la cara superior del conjunto se aplican cargas que proporcionan una presión normal en el plano de falla, graduable a voluntad. La medición de la muestra es medida con extensómetros, tanto en dirección horizontal como en vertical. Una descripción un poco más detallada de la prueba figura, lo siguiente:

Gráfica de los resultados de una prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante

En ésta, como en todas las pruebas de resistencia de suelos, caben dos posibilidades de realización: el método de esfuerzo controlado y el método de deformación controlada. En el primero la prueba se lleva a efecto aplicando valores fijos de la fuerza tangencial al aparato de modo que el esfuerzo aplicado tiene en todo momento un valor prefijado; en el segundo tipo, la máquina actúa con una velocidad de deformación constante y la fuerza actuante sobre el espécimen se lee en la báscula de la máquina que la aplica.

Una de las ventajas de esta prueba consiste en la imposibilidad de conocer los esfuerzos que actúan en planos distintos al de falla durante su realización. En el instante de falla inicial, los esfuerzos actuantes en estas otras direcciones pueden determinarse teniendo en cuenta que, en ese instante, el círculo de falla debe ser tangente a la línea de falla. Este círculo, así como los valores y direcciones de los esfuerzos principales, pueden obtenerse por el procedimiento del polo como se ilustra a continuación:

Circulo de falla con los con los esfuerzos y direcciones principales

en la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante.

En esta figura se ha considerado que la línea de falla pasa por el origen de coordenadas. Conociendo los esfuerzos  y s=τ máx. (Punto D) se traza el círculo tangente a dicha línea de falla de D, cuyo centro esta sobre el eje. El polo P se encuentra trazado por D una paralela al plano en que actúan esos esfuerzos; es decir, en dirección horizontal. Uniendo P con A y B se tienen las direcciones de los planos principales. Nótese que el punto D está en la parte positiva del eje τ, debido a que la desviación ϕ del esfuerzo total en la sección de falla es positiva, según la convención ya introducida.

Tipos de fallas consideradas en los suelos.

Es sabido que cuando un material falla en una prueba de resistencia su curva esfuerzo-deformación será semejante a alguno de los dos arquetipos que aparecen en la imagen anterior.

La curva llena, de (a) es representativa de materiales llamados “falla frágil” y se caracteriza porque después de llegar el esfuerzo a un máximo bien definido (resistencia) desciende rápidamente, al aumentar la deformación. La curva (b) corresponde a materiales de falla plástica en los que la falla se produce a un esfuerzo que se sostiene aunque la deformación aumente; la falla no está bien definida, habiendo en realidad lo que suele denominarse un flujo del material, bajo esfuerzo constante.

Uno de los inconvenientes mas importantes de la prueba de resistencia al esfuerzo cortante directo es que su uso debe restringirse a los suelos de falla plástica, debiendo no efectuarse en suelos frágiles, pues la curva esfuerzo-deformación obtenida para estos resulta desplazada hacia valores menores del esfuerzo, respecto a la que se obtendría con pruebas más adecuadas, proporcionando, por lo tanto, valores menores de la resistencia.

El hecho puede

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