Teoría: Tensiones In Situ
Cómo se calculan las tensiones geostáticas en un terreno estratificado, el papel del nivel freático y del principio de tensiones efectivas, y de dónde vienen las tensiones horizontales en reposo.
Tensiones geostáticas
En un terreno de superficie horizontal y capas horizontales, no hay tensiones de corte en planos verticales ni horizontales. La tensión vertical total a una profundidad es entonces el peso de todo lo que hay encima, por unidad de área.
Por encima del nivel freático se usa el peso unitario húmedo (γ) y por debajo el saturado (γsat). Como los pesos son constantes en cada tramo, el diagrama de σv es una poligonal, que cambia de pendiente en los límites de las capas y en el nivel freático.
Presión de poros
Sin flujo, el agua de los poros está en equilibrio hidrostático: la presión de poros es cero en el nivel freático y crece linealmente por debajo de él.
Por encima del nivel freático, esta página toma u = 0. En la franja capilar la presión de poros es negativa (succión), lo que aumenta la tensión efectiva; eso no se considera aquí.
Tensión efectiva
Según el principio de Terzaghi (1936), es la tensión efectiva, la parte de la tensión total soportada por el esqueleto del suelo, la que controla la resistencia y la deformación del suelo.
Por debajo del nivel freático, σ′v crece con el peso unitario sumergido, γ′ = γsat − γw. Por eso bajar el nivel freático aumenta las tensiones efectivas y puede causar asentamientos, y subirlo las reduce.
Tensiones horizontales en reposo
Sin deformación lateral, la tensión horizontal efectiva es una fracción de la vertical, dada por el coeficiente de empuje en reposo. La relación vale para tensiones efectivas; la tensión horizontal total suma la presión de poros, que es igual en todas las direcciones.
Como K0 cambia de una capa a otra, σ′h salta en los límites. Para suelos normalmente consolidados, la expresión de Jaky da una buena estimación; la sobreconsolidación aumenta K0, que puede superar 1.
| Suelo | K0 típico |
|---|---|
| Arena suelta | 0,45 a 0,50 |
| Arena densa | 0,35 a 0,45 |
| Arcilla normalmente consolidada | 0,55 a 0,70 |
| Arcilla sobreconsolidada | 0,8 a 2,0 |
Limitaciones
- El terreno se trata en una dimensión: superficie y capas horizontales y una sobrecarga infinita. Las cargas de área finita, como zapatas y terraplenes, se distribuyen con la profundidad y requieren soluciones como la de Boussinesq.
- La presión de poros es hidrostática: con flujo vertical, condiciones artesianas o exceso de presión de poros por consolidación, es distinta.
- Se ignora la succión capilar por encima del nivel freático, así como cualquier cambio de γ con la humedad dentro de una capa.
Referencias
- Terzaghi, K. The shearing resistance of saturated soils and the angle between the planes of shear. Proceedings of the 1st International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Cambridge, v. 1, p. 54–56, 1936.
- Jaky, J. The coefficient of earth pressure at rest. Journal of the Society of Hungarian Architects and Engineers, v. 78, n. 22, p. 355–358, 1944.
- Mayne, P. W.; Kulhawy, F. H. K0–OCR relationships in soil. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, v. 108, n. GT6, p. 851–872, 1982.
- Das, B. M.; Sobhan, K. Principles of Geotechnical Engineering. 9.ª ed. Boston: Cengage, 2018.