Por último, debido a que el suelo es un sistema de varias fases, puede expresarse la carga aplicable a una masa de suelo la resistan el esqueleto minera! y, en parte, el fluido intersticial. Este “reparto de la carga” es análogo al concepto de presiones parciales en gases.
Los diagramas de la Fig. 2.5 nos ayudan a entender este reparto de cargas. La Fig. 2.5a muestra un cilindro de suelo saturado El pistón poroso permite aplicar cargas al suelo y, a la vez, deja que el fluido se escape de los poros del suelo. La parte (b) muestra una analogía hidromecánica en la que las propiedades del suelo se han idealizado: la resistencia del esqueleto minera! a la compresión está representada por un muelle o resorte; la resistencia al flujo de agua a través de! suelo la representa una válvula en un pistón impermeable.
Fig. 2.5. Analógica hidromecánica para ¡lustrar la distribución de cargas en la consolidación. a) Ejemplo físico. b) Analógica hidromecánica; estado inicial. c) Carga aplicada a una la válvula cerrada. d) El pistón desciende al ir escapando el agua. e) Equilibrio sin más escape de agua. f) Transferencia gradual de carga.
Supongamos que se aplica una carga al pistón de la analogía hidromecánica pero que la válvula está cerrada. La carga del pistón se reparte entre el agua y el muelle, en relación a la rigidez de cada uno. En nuestra analogía hidromecánica el pistón se moverá muy poco al aplicar la carga, debido a que el agua es relativamente, incompresible. Como el muelle se acorta muy ligeramente, toda la carga aplicada la resiste un incremento de la presión del agua en la cámara. Las condiciones en esta fase se representan en la Fig. 2.5c.
A continuación abramos la válvula y la presión del agua dentro de la cámara obligará a que el agua escape a través de la válvula (Fig. 2.5d). Al escapar el agua, el muelle se acorta y comienza a soportar una parte cada vez más importante de la carga aplicada, produciéndose una disminución correspondiente en la presión del fluido que llena la cámara. Por último, se alcanza un estado (Fig. 2.5e) en el cual el muelle resiste toda la caiga aplicada y la presión del agua vuelve a su valor hidrostático inicial. Una vez que se alcanza este estado, el agua cesa de fluir por la válvula.
Durante cualquier intervalo de tiempo solamente puede escapar por la válvula un caudal limitado de agua. De aquí, que el proceso de transmisión de cargas del agua al muelle debe producirse gradualmente. Esta variación gradual de la forma en que se distribuye la carga se ilustra en la Fig. 2.5f
El reparto de cargas entre las fases sólida e intersticial también se produce en el ejemplo físico y en los problemas de suelos reales, aunque el fluido intersticial no siempre soporta la totalidad de la carga aplicada inicialmente. Por otra parte, en los problemas reales existirá el mismo proceso de variación gradual en la forma de soportar la carga. Este proceso de explosión gradual del agua se denomina consolidación y el período de tiempo empleado es el desfase hidrodinámico. El grado de compresión o consolidación producido hasta un determinado instante depende no sólo de la carga aplicada, sino también de la intensidad de los esfuerzos transmitidos en los contactos entre partículas, es decir, de la diferencia entre los esfuerzos aplicados y la presión intersticial. Esta diferencia se denomina esfuerzo efectivo. La consolidación y el proceso inverso de expansión (que se produce cuando un suelo absorbe agua después de suprimir la carga).
Llegamos así a la cuarta consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo: cuando la carga aplicada a un suelo se hace variar repentinamente, esta variación es absorbida conjuntamente por el fluido intersticial y el esqueleto mineral la variación de presión intersticial obliga al agua a moverse a través del suelo, con lo cual las propiedades del suelo varían con respecto al tiempo.
Este último efecto fue descubierto por Karl Terzaghi alrededor de 1 920. Tal descubrimiento marcó el comienzo de la moderna ingeniería de suelos. Fue la primera de los muchos aportes de Terzaghi, quien fue en verdad, el “padre de la mecánica de suelos”.
El efecto más importante del desfase hidrodinámico es el asentamiento diferido de las estructuras. Es decir, el asentamiento continúa durante varios años después de constituirse la estructura. La Fig. 2.6 muestra el registro asentamiento-tiempo de dos puntos del edificio Núm. 10 del “campus” del Instituto Tecnológico de Massachusetts. El asentamiento de este edificio, durante la primera década después de su construcción, dio lugar a una alarma considerable. Terzaghi examinó el edificio a poco de su llegada a los EE.UU., en 1925, e indicó correctamente que la velocidad de asentamiento disminuiría con el tiempo.
Fig, 2.6. Asentamiento del edificio No. 10 del 1. T. M.
Otros aspectos de la consolidación. En este punto es esencial tener una idea general sobre la duración del des- fase hidrodinámico en varias formaciones típicas de suelo, Con este fin, es útil hacer un análisis intuitivo del proceso de consolidación para apreciar qué propiedades del suelo tienen influencia sobre el desfase y en qué forma influyen sobre él.
El tiempo necesario para el desarrollo del proceso de consolidación está relacionado con dos factores:
1. El tiempo transcurrido debe ser directamente proporcional al volumen de agua que ha de escapar del suelo. Pero este volumen de agua está, a su vez, relacionado con la variación de esfuerzos, la compresibilidad del esqueleto mineral y el volumen del suelo.
2. El tiempo será inversamente proporcional a la velocidad con que el agua puede circular a través del suelo. Por la mecánica de fluidos sabemos que la velocidad de filtración está relacionada con el producto de la permeabilidad por el gradiente hidráulico y que el gradiente es proporcional a la pérdida de carga del fluido a través del suelo dividida por la distancia que debe recorrer el fluido intersticial.
Estas consideraciones pueden expresarse por la relación
Esta relación nos indica que el tiempo necesario para la consolidación:
1. Aumenta la compresibilidad.
2. Disminuye al aumentar la permeabilidad.
3. Aumenta rápidamente con el espesor de la masa de suelo.
4. Es independiente de la magnitud de la variación de esfuerzos.
La aplicación de esta relación se ilustra mediante los ejemplos 2.1 y 2.2.
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