Esfuerzo cortante en suelos: características y comportamiento de un suelo sometido a corte

En este artículo comentamos brevemente qué son y qué efectos producen los esfuerzos cortantes en los suelos, así como los métodos de obtención de resistencia al corte de un suelo.

En muchos problemas geotécnicos los esfuerzos tangenciales provocados por las carga de la estructura deben ser contrarrestados por la resistencia del terreno, siendo, por tanto, necesaria su evaluación para conocer el coeficiente de seguridad respecto a la rotura. En algunos suelos esta resistencia sólo posee una componente friccional, proporcional a la tensión normal, mientras que en otros existe una componente cohesiva, proporcional a la superficie de corte y debida a las fuerzas electroquímicas entre partículas.

Al modificar el estado tensional del suelo se producen deformaciones que pueden originar su rotura. Aunque los suelos con cohesión rompen a veces por tracción, como puede ser el caso de las grietas verticales que a veces se observan en la coronación de un talud deslizado, la forma de rotura más habitual en suelo es por esfuerzo cortante (tensión tangencial). 

La resistencia al corte del suelo no puede considerarse como un parámetro único y constante, ya que depende de su naturaleza, estructura, enlaces, nivel de deformaciones, etc., así como, muy especialmente, de su estado tensional y de la presión del fluido que rellena sus poros (agua o agua y aire).

El criterio de rotura en suelos más difundido deriva del propuesto por Coulomb, que relaciona tensiones efectivas normales y tensiones tangenciales actuando en cualquier plano del suelo. Este criterio establece que, para un suelo saturado, la resistencia al corte viene dada por la expresión:

Donde,

σ_u = tensión total normal actuando sobre el mismo plano

u = presión intersticial

c’= cohesión efectiva

ϕ = ángulo de rozamiento interno efectivo

Esta ecuación representa una recta en el espacio (σ’, ), que a menudo se denomina línea de resistencia intrínseca o envolvente de rotura del suelo (figura 5.9).

Figura 5.9. Criterio de rotura de suelos

Esta envolvente de rotura, proporciona, para cada valor de la tensión efectiva normal a un plano que atraviesa un elemento de suelo, la máxima tensión tangencial movilizarle a favor de dicho plano. Por lo que actúa como una superficie de estado separando estados posibles de imposibles:

• El punto (1) de la figura 5.9 representa un estado de rotura
• El punto (2) de la figura 5.9 representa una combinación de (σ’, ) que tiene un cierto grado de seguridad ya que, para una determinada tensión efectiva normal, la tensión tangencial es inferior a la máxima
• El punto (3) de la figura 5.9 representa un estado imposible por encontrarse por encima de la envolvente de rotura, lo cual quiere decir que se ha sobrepasado la combinación máxima (σ’, ) del criterio de rotura, y por tanto no es compatible con la resistencia del suelo.

Por otro lado, en el gráfico de la figura 5.9, la cohesión efectiva representa la ordenada en el origen de la envolvente, por lo que representa la máxima resistencia tangencial movilizarle en un plano cualquiera cuando la tensión efectiva normal en dicho plano es nula.

Se puede inferir a su vez de esta figura, que la máxima tensión tangencial movilizable en un plano es mayor a medida que aumenta la tensión efectiva normal que actúa sobre dicho plano. Es decir, el suelo es más resistente cuanto mayor sean sus tensiones efectivas.

En general, los suelos poseen al mismo tiempo cohesión y fricción interna, sin embrago existen dos casos límite:

1. Las arenas lavadas y secas no poseen cohesión, en las que la carga de ruptura se produce para un valor de tensión tangencial tal que:

Por lo que la envolvente de rotura pasa por el origen de coordenadas (figura 5.10):

Figura 5.10. Criterio de rotura de arenas lavadas y secas

1. Las arcillas blandas y secas, las cuales se comportan como si ϕ = 0, resultando la carga de ruptura constante e igual a la cohesión del suelo:

Por lo que la envolvente de rotura es igual a q_u o esfuerzo unitario de rotura a compresión no confinada (figura 5.11):

Figura 5.11. Criterio de rotura de suelos arcillosos blandos secos.

Si representamos la tensión tangencial frente al desplazamiento producido, observamos que en algunos materiales a medida que la deformación continúa, la resistencia se reduce hasta que alcanza un valor mínimo constante que se denomina resistencia residual (figura 5.12).

Por lo tanto, la resistencia residual, es un valor más bajo que la resistencia de pico, y se manifiesta una vez que la rotura se ha producido.

Figura 5.12. Curvas tensión tangencial-desplazamiento para diversos suelos.

En arcillas normalmente consolidadas la resistencia al corte del material remoldeado, se suele considerar igual al valor de la resistencia residual. Adicionalmente cabe decir, tal como se aprecia en la figura 5.12, que las arcillas normalmente consolidadas apenas presentan una resistencia de pico diferente de la denominada resistencia residual.

5.4.1.      Comportamiento de los suelos sometidos a corte

• Suelos Granulares

En los suelos granulares, el ángulo de rozamiento interno (de pico) depende directamente de la densidad inicial del suelo. La relación entre la densidad y la compacidad inicial de un determinado suelo granular y su resistencia es muy acusada. Tanto es así, que en la práctica habitual se dispone de correlaciones aproximadas entre dicha compacidad, determinada a través de ensayos in situ como el SPT (que se describirá en el siguiente módulo), y el ángulo de rozamiento interno tal y como se muestra en el siguiente cuadro 5.1:

Cuadro 5.1. Correlación ente el SPT y el ángulo de rozamiento interno de suelos granulares.

Aunque la compacidad es indiscutiblemente el factor principal, la mayor o menor resistencia de un suelo granular depende a su vez de algunos otros factores entre los que cabe destacar la forma de las partículas, la distribución granulométrica y el tamaño de los granos.

En lo que respecta a la forma, resulta evidente que será más sencillo hacer deslizar o rodar entre sí partículas redondeadas que granos angulosos e irregulares, de manera que un suelo constituido por estos últimos mostrará mayor resistencia al corte.

Con relación a la granulometría, en un suelo uniforme la mayoría de las partículas son de tamaño similar, de forma que el tamaño del hueco máximo entre partículas depende directamente del tamaño de estas. Un suelo bien graduado, sin embargo, posee partículas de muchos tamaños distintos, con lo que los granos medianos pueden ocupar los poros de las partículas más gruesas, las partículas más finas los huecos entre las medianas, y así sucesivamente. Lógicamente esta mejor posibilidad de estibación da lugar a que en un suelo bien graduado se pueda alcanzar una estructura más densa y más resistente que un suelo uniforme.

Finalmente, resultará más difícil hacer deslizar y rodar entre sí partículas de gran tamaño que partículas pequeñas.

Estos aspectos que acabamos de describir, se aprecian en el siguiente cuadro 5.2 en el que se muestran algunos órdenes de magnitud de los ángulos de rozamiento interno que cabe esperar en función de la compacidad y el tipo de suelo:

Cuadro 5.2. Valores del ángulo de rozamiento interno en suelos granulares no plásticos en función de la granulometría y la compacidad (los valores más bajos corresponderían a suelos redondeados y con partículas más débiles, los más altos a suelos con partículas angulosas y resistentes).

• Suelos Cohesivos

Los suelos cohesivos o arcillosos, suponiendo que estos se encuentran sometidos a corte en condiciones drenadas, para idealizar un estado de formación de un depósito arcilloso sin efectos de ganancia de resistencia por envejecimiento, cementación, etc., se comportan según las siguientes pautas en función de nivel de plasticidad:

• Arcillas de bajo índice de plasticidad:

1. Las arcillas normalmente consolidadas de baja plasticidad alcanzan su resistencia (de pico) con pequeños niveles de deformación. Al aumentar las deformaciones de corte se puede producir una pequeña reducción de la tensión tangencial
2. En ausencia de fenómenos de envejecimiento o cementación, la envolvente de rotura se caracteriza por mostrar una cohesión efectiva nula y un determinado ángulo de rozamiento interno (ϕ’_{normalmente consolidado}).
3. En general tienden a reducir su volumen frente a las deformaciones de corte (se contraen).
4. Las arcillas sobreconsolidadas de baja plasticidad muestran una resistencia (de pico) superior a la de las arcillas normalmente consolidadas, alcanzando dicha resistencia con niveles de deformación pequeños.
5. Al aumentar el nivel de deformaciones la tensión tangencial movilizada decrece, tendiendo la máxima resistencia del estado normalmente consolidado (c’=0, ϕ’_nc).
6. La envolvente de rotura muestra una cierta cohesión
7. Con grados de sobreconsolidación ligeros pueden contraer, pero a medida que aumenta la sobreconsolidación muestran un aumento neto de volumen (se dilatan).

• Arcillas con elevado índice de plasticidad: en relación a las condiciones “de pico” su comportamiento es similar al de las arcillas de bajo índice de plasticidad. Sin embargo, con niveles de deformación elevados se puede producir una importante reducción de la tensión tangencial movilizable, llegando a unas condiciones “residuales” (c’_r = 0, ϕ’_r < ϕ’_nc).

5.4.2.      Obtención de la resistencia al corte de los suelos 

Las componentes del esfuerzo de corte de un suelo, es decir, la cohesión del mismo y su ángulo de fricción interna, pueden obtenerse de diferentes formas. Existen aparatos muy sencillos para medir en el campo, sobre testigos de sondeo o las paredes de una excavación la resistencia al corte de suelos cohesivos, como por ejemplo el penetrómetro de bolsillo.

En el interior de sondeos puede utilizarse el ensayo de penetración estática y el molinete, fundamentalmente en situaciones sin drenaje.

Sin embargo, lo más habitual es la obtención de los parámetros de corte (cohesión y ángulo de rozamiento interno) a través de ensayos en laboratorio sobre muestras de suelo. En laboratorio existen numerosos aparatos aplicables a este mismo fin. Entre ellos, los más utilizados son el corte directo y el triaxial, además en el caso de arcillas también puede determinarse por medio del ensayo de compresión uniaxial no confinada o compresión simple. Estos ensayos se estudiarán en detalle en el siguiente módulo 6.

Extracto de uno de los módulos del “Curso de mecánica de suelos“, que se imparte en el centro de formación Ingeoexpert, de la mano de Juan José Pérez Santos, colaborador de nuestra empresa.

Si desea solicitar presupuesto para realizar estudios geotécnicos o geológicos, no dude en contactar con nosotros en info@geoquantics.com o en llamar al (+34) 914448239.