La Fig. 10.3 muestra el comportamiento esfuerzo- deformación de una arena cuarzosa uniforme, de tamaño medio a grueso, en un proceso de compresión confinada. Inicialmente la arena estaba en un estado compacto. La deformación es la vertical, igual a la deformación volumétrica obtenida a partir de la altura original de la muestra. Como esfuerzo se toma la presión vertical. Los datos corresponden a los resultados de varias pruebas edométricas, con equipo convencional para la gama de presiones más bajas y mediante aparatos especiales para las presiones más elevadas. Adviértase que las curvas esfuerzo-deformación se han representado tomando las deformaciones positivas hacia abajo (compresiones). Esto suele ser habitual en mecánica de suelos, ya que las deformaciones de compresión se asocian con los asentamientos (es decir movimientos descendentes).
La Fig. 10.3c sugiere que el comportamiento esfuerzo- deformación de la arena puede considerarse en tres fases.
Fig 10.3 Curvas Esfuerzo-deformación, en compresión confinada. Arena de Otawa, porosidad inicial = 0.375
1. Para presiones de hasta unos 140 kg/cm2, las curvas presión-deformación presentan concavidad hacia arriba. Así pues, la arena se vuelve cada vez más rígida al aumentar el nivel de presiones. Este comportamiento presión-deformación, denominado encaje, es muy característico de los sistemas de partículas. Las deformaciones se deben principalmente al efecto que aparece en la Fig. 10.2. Al aumentar las presiones entran en primer lugar en colapso las agrupaciones sueltas dentro del suelo, produciéndose agrupaciones más compactas. Cada uno de estos movimientos da lugar a una agrupación más cerrada, y por tanto más rígida, de las partículas. Por último se alcanza una fase en la que las agrupaciones de partículas se comprimen fuertemente, produciéndose roturas en los puntos de contacto y permitiendo así un cierto deslizamiento adicional.
2. A partir de 140 kg/cm2, la curva presión-deformación comienza a presentar una curvatura inversa, con concavidad hacia el eje de deformaciones. Esta cedencia (yielding) es el resultado de la fractura de las partículas de arena, lo que permite grandes movimientos relativos entre ellas. En esta fase de carga pueden oírse claros chasquidos del suelo. El examen microscópico y granulométrico, antes y después de la prueba, muestra que se produce una considerable degradación de las partículas.
3. La fracturación de las partículas permite agrupaciones más compactas de las nuevas partículas creadas. Como el número de partículas ha aumentado ahora, la fuerza media por contacto decrece realmente. De esta forma la arena se hace cada vez más rígida al aumentar las presiones.
Estos mismos procesos generales se producen en la compresión de todos los suelos granulares, aunque rara-
mente en fases tan diferenciadas. La Fig. 10.4 muestra los resultados obtenidos con varias arenas naturales típicas. El deslizamiento entre partículas puede producirse a cualquier nivel de esfuerzos. La fracturación de las partículas comienza realmente en pequeño grado con presiones muy bajas, pero se va haciendo cada vez mis importante al alcanzar una cierta presión crítica. Esta presión crítica es mínima cuando el tamaño de las partículas es grande, el suelo está en estado suelto, las partículas son angulosas, la resistencia de los granos minerales es baja y el suelo tiene una granulometría uniforme.
Figura 10.4 resultados de pruebas edo métricas con altas presiones en diversas arenas.
En la mayoría de los problemas de ingeniería los niveles de esfuerzos suelen ser suficientemente pequeños para que la fractura de las partículas carezca de importancia. En estos problemas, las curvas típicas presión-deformación para compresión confinada son del tipo que aparece en las Figs. 1O.3a y 10.3b. En general, la fracturación sólo es importante cuando las presiones superan los 35 kg/cm2. Presiones superiores a este valor se producen en presas de tierra muy altas y también en problemas que suponen el hundimiento de extensas zonas como resultado de la extracción de petróleo o agua de estratos profundos. En el caso de enrocamientos uniformes y de gran tamaño, la fracturación suele ser muy importante para presiones de sólo 10 kg/cm2’. L fracturación de las partículas ha sido estudiada por Roberts (1964), Hendron (1963), Marsal (1963) y Lee y Farhoomand l967).
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