La no anisotropía o isotropía en los suelos es una de las asunciones más habituales que se hacen a la hora de plantear un modelo en mecánica de suelos. Siempre va de la mano de considerar que el suelo es homogéneo y elástico.
Si eres seguidor del blog, tal vez recuerdes que hace un tiempo hicimos una introducción a esta problemática: a veces las simplificaciones que hacemos a un modelo pueden ser demasiado conservadoras. El caso es más hiriente cuando estudiamos la resistencia al corte en suelos cohesivos (arcillas). Animo al lector a leerlo antes de seguir adelante (pincha aquí).
En el post de hoy vamos a desmontar la supuesta isotropía de los suelos cohesivos, y para eso nos vamos a apoyar en resultados de ensayos de laboratorio y el método SHANSEP. Y lo más importante, veremos porque puede ser muy útil considerar el suelo anisótropo y cómo puede colaborar a dar mayor credibilidad a nuestras conclusiones geotécnicas.
Ensayos de laboratorio y anisotropía.
El objetivo es desmontar el mito de la isotropía, y más concretamente cuando la asumimos evaluando la resistencia al corte en suelos cohesivos. Para ello nos podemos apoyar en el valor de resistencia al corte sin drenaje que obtener a partir de dos ensayos de laboratorio.
- Ensayo de Corte Directo: La muestra de suelo está confinada, las fuerzas que se ejercen son horizontales y solamente se permite que pierda su resistencia al corte por un plano horizontal definido.
- Ensayo Triaxial: La muestra está también confinada y la fuerza que llevará a que pierda su resistencia al corte es vertical y en este caso, la superficie de rotura no está predefinida.
En definitiva, el ensayo de corte directo nos dará la resistencia ante fuerzas horizontales y el triaxial ante verticales. ¿Pensáis que serán iguales? Lo vamos a descubrir pronto.
Método SHANSEP y resistencia al corte.
También lo veíamos en otro post (pincha aquí). Este método se basa en que la resistencia al corte depende de la historia tensional del suelo, que es lo mismo que decir que para un mismo suelo, esta dependerá de la profundidad de la muestra.
Una de las conclusiones de este método es que podíamos obtener el parámetro (Su/σ,v) que como vimos en su momento, tenía una utilidad particular. Será este parámetro el que usaremos para comparar la anisotropía.
Ejemplo práctico de anisotropía.
Aunque por motivos que entenderán no puedo dar detalles del proyecto, los resultados que aquí se muestran son reales y muestran de manera clara la anisotropía de las arcillas, al menos, frente a la resistencia al corte
Resultados del ensayo de corte directo.
En el siguiente gráfico vemos los resultados de la resistencia al corte sin drenaje (Su) frente a la presión vertical efectiva (σ,v) de la muestra ensayada. Las muestras están sometidas a distintas presiones de confinamiento para evaluar su comportamiento a diferentes profundidades.
En primer lugar, y tal como prevé el modelo SHANSEP, hay un aumento de la resistencia la corte sin drenaje con la profundidad (presión vertical efectiva). Esta relación entre σ,v y Su se ajusta a una tendencia lineal de pendiente 3.95, que es lo mismo que decir que la relación Su/ σ,v es igual a 0.25. Es decir que, considerando una resistencia al corte sin drenaje mínima, esta aumentará en 0.25kPa por unidad de σ,v.
Mucha atención que esta conclusión la hemos obtenido revisando únicamente los ensayos de corte directo.
Resultados del ensayo de triaxial.
Realizamos el mismo ejercicio, pero con muestras sometidas a distintas presiones de confinamiento (que nos permite simular distintas profundidades) en un ensayo triaxial. Los resultados son los siguientes.
En este caso vemos que también podemos ajustar la tendencia a una recta, pero en este caso la relación Su/ σ,v es igual a 0.85. La resistencia del suelo frente a cargas verticales es 3 veces mayor que su resistencia a fuerzas horizontales. No está mal, ¿no?
Ensayo a compresión simple y anisotropía.
Algo que podría generar algo de debate es dónde queda la utilidad de los ensayos a compresión simple (UCS)
Recordemos que en estos ensayos se somete a muestra de suelo, normalmente cohesivos, a una carga vertical sin confinamiento. El valor de rotura (qu) se relaciona directamente con la resistencia al corte sin drenaje (Su) mediante la relación Su=0.5qu. Es importante resaltar la muestra es “inalterada”:
- No se somete a ninguna presión de confinamiento, es decir simulamos que la muestra no está enterrada. Teóricamente, su resistencia depende únicamente de su cohesión.
- Esto no es del todo así ya que al ser una muestra “inalterada”, tiene una cierta memoria sobre su historia tensional, así que es de esperar que existiera un aumento de la resistencia al corte con la profundidad.
La realidad es que, cuando analizas los resultados, la gráfica se parece más a una nube de puntos que a una tendencia lineal.
Conclusiones sobre la anisotropía.
- La más obvia es que, para este suelo en concreto, existe anisotropía respecto a la resistencia al corte sin drenaje, siendo la resistencia del suelo vertical tres veces mayor que la horizontal.
- En mi opinión, la resistencia que nos ofrecen los ensayos a compresión simple (UCS) nos pueden dar un valor orientativo de Su mínimo a una determinada profundidad.
Nos gusta acabar estas entradas viendo por qué es útil y cómo lo podemos aplicar.
- Para estudios de cimentaciones directas, nos interesará más la resistencia frente que a cargas verticales que las horizontales.
- Lo contrario podríamos decir para el cálculo de estabilidad en muros. En este caso la resistencia que nos va a interesar es frente a fuerzas horizontales.
- En el análisis de estabilidad de taludes nos interesará especialmente tener en cuenta la anisotropía.
Viendo la figura anterior, nos interesará tener en cuenta la anisotropía para modelizar teniendo en cuenta que el suelo perderá su resistencia al corte por cargas verticales en la posición uno y por fuerzas horizontales en la posición dos. Afortunadamente, los programas especializados como Plaxis o Geoslope permiten realizar el análisis teniendo en cuenta esta anisotropía.
En este tipo de entradas se pretende lanzar una idea clara. En este caso es que existe anisotropía respecto a la resistencia al corte sin drenaje en arcillas. Sin duda empleamos simplificaciones, pero intentamos no caer en errores que podrían invalidar la conclusión. Este es un foro abierto, así que cualquier comentario es bienvenido.
Muchas gracias y os espero pronto de vuelta por el blog.
