Tensión efectiva en suelos blandos

¿Sabías que el terreno siente? No siente emocionalmente como las personas, pero como cualquier elemento de la naturaleza, responde a los cambios en su entorno. Un buen ejemplo son los cambios de tensión efectiva en el terreno, y en el post de hoy nos vamos a centrar en cómo afectan al asentamiento en suelos blandos estos cambios de tensión efectiva.

Antes de seguir leyendo, les recomiendo que le echéis un vistazo al post que escribimos sobre el fenómeno de consolidación y los parámetros de laboratorio (pincha aquí)

Ejemplo práctico

La información que nos interesa de este ejemplo es la siguiente:

• Perfil estratigráfico:

• • 0-26.0m: Arcilla (normalmente consolidada). Nivel compresible con valores característicos de m_v y c_v.
  • 0-200m: Roca (incompresible).
  • No consideramos que exista nivel freático. Es decir, las presiones totales serán iguales a las efectivas.
  • Consideramos un peso total unitario de 17.5 KN/m³ tanto para la arcilla como la roca. El objetivo es simplificar los gráficos.

• Nivel de excavación: 10.6m desde la superficie. Es decir, bajo la plataforma, tendremos 15.4m de espesor de arcillas.

• Estructura:
  • 250 KPa
  • Dimensiones de la cimentación: 13x13m

Estado tensional efectiva inicial.

El aumento de tensión efectiva es proporcional a la profundidad. La pendiente de la recta es el peso total unitario.

Estado de tensión efectiva después de la excavación.

Al excavar 10.6m, nuestro gráfico de presiones empezará a ese nivel. Pero hay otra cosa más interesante, tenemos un diferencial de presión constante de 185KPa entre el estado inicial (línea negra) y el estado después de la excavación (línea verde).

¿Os acordáis de la rama de descarga del ensayo edométrico?

Al retirar carga, el terreno responderá elevándose. ¿Cuánto? La magnitud será proporcional:

• Coeficiente de entumecimiento (Cs). Recordemos que este coeficiente es la pendiente de la rama de descarga de la curva edométrica (ajuste recta de color verdoso).

• Diferencial de presiones entre el estado inicial y el estado después de la excavación. En este caso 185kPa.

Mucho cuidado aquí porque puede dar la tentación de restar a los asentamientos que calculamos después de cargar el suelo con la estructura, la “elevación” que se produce en el terreno tras la excavación. No es el tema de este post, pero no se debe hacer.

Los asentamientos a considerar en nuestro estudio son los que vamos a ver en el siguiente apartado.

Estado tensional después de entrar en carga la cimentación.

En este paso consideramos que la carga de la estructura (250KPa) se transmite a través de la cimentación (dimensiones de 13x13m) al terreno desde el nivel de excavación 10.6m.

Esta nueva carga provocará un nuevo estado tensional en el suelo (línea roja) producto de la suma del estado del suelo después de la excavación y la distribución de presiones bajo el suelo de la cimentación.

Está nueva situación generará asentamientos del terreno. ¿De qué tipo y magnitud? Vamos a verlo:

 Antes del Punto A

• Asentamiento de descarga-recarga. Será proporcional:
  • Coeficiente de entumecimiento (Cs).

• • Diferencial de presiones entre el estado inicial (línea negra) y el estado después de la excavación (línea verde). En este caso 185kPa.

Fácil, ¿no? A pesar de que el terreno se haya elevado después de excavar, al cargar la cimentación el suelo vuelve a asentarse. De alguna manera, nos movemos en el ramal de descarga de la curva edométrica.

• Asentamiento virgen. Será proporcional:
  • Coeficiente de compresión (Cc). Recordemos que este coeficiente es la pendiente de la rama de carga de la curva edométrica.

• • Diferencial de presiones entre el estado inicial (línea negra) y el estado después de cargar la cimentación (línea roja). En este caso, el diferencial es variable y se reduce en profundidad.

Después del Punto A

• Asentamiento de descarga-recarga. Será proporcional:
  • Coeficiente de entumecimiento (Cs).

• • Diferencial de presiones entre el estado después de la excavación (línea verde) y el estado después de cargar la cimentación (línea roja). También es variable y se reduce con la profundidad.

• Asentamiento virgen. Al ser el estado tensional inicial (línea negra) mayor que el que existe después de cargar la cimentación (línea roja), no se producirán asentamientos vírgenes más allá del punto A.

Lo relevante en este punto es que las excavaciones reducen, e incluso pueden “anular”, los asentamientos vírgenes. Si vemos la última gráfica, y ponemos el nivel de excavación en el punto A, a unos 16.0m, no tendríamos asentamientos vírgenes.

Comentarios adicionales sobre cambios en la tensión efectiva

Hay dos factores de nuestro modelo que no hemos comentado, y que son relevantes:

• Dimensiones de la cimentación: Cuanto mayor es, la tensión transmitida por la cimentación alcanza mayor profundidad. En general podemos asumir que afecta hasta una profundidad de dos veces el lado de una cimentación cuadrada. En nuestro caso estaríamos hablando de 26.0m de profundidad (2×13.0m)
• Espesor del estrato compresible bajo la cimentación. En este caso tenemos 15.4m de arcilla bajo la cimentación. Las diferencias de tensiones que tengamos más allá este nivel compresible no generarán asentamientos.
• Magnitud de asentamientos “vírgenes” y “decarga-recarga”. Siempre que excavemos (descarga) y pongamos una estructura (carga) tendremos los segundos. Es importante señalar que la magnitud es proporcional a Cs, mientras que los vírgenes lo son de Cc. Fijándonos en las pendientes de ambas curvas vemos que el valor de Cc es bastante más alto que Cs, por lo que lo que realmente importante es reducir los asentamientos vírgenes.

En nuestro ejemplo, tenemos diferencias de tensiones relevantes entre el estado inicial y después de entrar en carga la cimentación hasta 26.0m bajo la cimentación. En teoría, este diferencial generaría asentamientos de descarga-recarga. El hecho de tener el contacto entre la arcilla y la roca a 15.4m bajo la cimentación impide que se generen asentamientos más allá de esta profundidad.

Conclusiones

La idea de este post es poner un poco de sentido común al fenómeno de consolidación y de cálculo de asentamientos asociados. El concepto que debemos fijar es que el suelo, de alguna manera “siente” los cambios de esfuerzos efectivos y en función de ellos se eleva o se asienta.

Otro aspecto que veo interesante es que en el fenómeno influyen muchos factores: magnitud de la excavación, parámetros del terreno, carga de la estructura, etc. Esto permite hacer análisis de sensibilidad (¿qué pasaría si excavo más, o menos?, por ejemplo. Por último, hay que indicar que la casuística no acaba aquí: ¿alguien se anima a hacer el ejercicio en el caso que rellenemos en lugar de excavar? ¿o que excavemos y luego rellenemos con un material incompresible?, por ejemplo.

Si ha sido así, os recomiendo que sigáis investigando sobre el tema. En siguientes posts avanzaremos en otros aspectos del fenómeno, que son realmente interesantes.

Muchas gracias por vuestro tiempo.