La Fig. 2.1 muestra la sección de un recipiente lleno de suelo seco junto con un pistón con el cual se puede aplicar al suelo una carga vertical. Aumentando la escala de esta sección hasta poder ver las partículas individuales, podemos imaginar la forma en que la fuerza aplicada se transmite a través del suelo: se desarrollan fuerzas de contacto entre partículas adyacentes. Por convenio, estas fuerzas de contacto se pueden descomponer en fuerzas normales N y tangenciales T a la superficie de contacto, Por supuesto, las partículas individuales se deforman como resultado de estas fuerzas de contacto. El tipo más habitual de deformación es de naturaleza elástica o plástica en las inmediaciones del punto de contacto. La fractura y aplastamiento de las partículas puede ser importante en ciertos casos (como comentaremos en capítulos posteriores). Estas deformaciones producen un aumento del área de contacto entre partículas, como muestra la Fig. 2.2a, permitiendo así la aproximación de los centros de las partículas. Si existen partículas lajosas o laminares, se flexionarán como se indica en la Fig. 2.2b, permitiendo así movimientos relativos entre partículas adyacentes. Además, una vez que la fuerza tangencial en un punto de contacto supere la resistencia tangencial en dicho punto, se producirá un deslizamiento relativo entre las partículas (Fig. 22c). La deformación general de una masa de suelo será, en parte, el resultado de las deformaciones individuales y, en parte, la consecuencia del deslizamiento relativo entre partículas. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la contribución principal a la deformación general se debe al deslizamiento entre partículas, junto con la reorganización de las mismas. El esqueleto mineral del suelo por lo regular es bastante deformable, debido al deslizamiento y reorganización de las partículas, aun cuando las partículas individuales sean muy rígidas.
Fig. 2.1. Representación esquemática de la transmisión de fuerzas a través de un suelo, a) Ampliación de una parte de la sección mostrando las fuerzas transmitidas por dos puntos de contacto. b) Sección de un recipiente lleno de suelo.
De allí, la primera consecuencia de la naturaleza discontinua del suelo:
La deformación de una masa de Suelo viene controlada por las interacciones entre partículas individuales, especialmente por el deslizamiento entre las mismas.
Debido a que el deslizamiento es una deformación no lineal e irreversible, se puede esperar que el comportamiento esfuerzo-deformación del suelo también sea marcadamente no lineal e irreversible’. Además, el estudio de los fenómenos producidos en los puntos de contacto resulta fundamental para el estudio de los suelos e, inevitablemente tendremos que ocuparnos de conceptos tales como la fricción y adhesión entre partículas.
Por supuesto, en una masa de suelo existe un sinnúmero de puntos de contacto individuales. Por ejemplo, en 1 cm3 de arena fina el número de contactos será del orden de 5 millones. Por tanto, es imposible plantear uña ley esfuerzo-deformación de un suelo, considerando el comportamiento en los contactos, aunque pudiéramos describir exactamente lo que sucede en cada uno de ellos. Por esta razón, es necesario basarse en medidas de experimentación directa sobre las propiedades de sistemas con gran número de partículas. De todos modos, el estudio del comportamiento en puntos de contacto típicos aún desempeña un papel importante: sirve como guía para entender e interpretar las medidas experimentales directas. Esto puede relacionarse con el estudio de los metales: el conocimiento del comportamiento de un cristal individual y de las interacciones entre cristales, permiten entender el comportamiento de la masa metálica y la forma de mejorar las propiedades de la misma.
Si el recipiente de la Fig. 2.1 es de paredes rígidas, el suelo normalmente disminuirá de volumen al aumentar la carga. Esta disminución de volumen se produce debido a que las partículas se van encajando, acortando sus distancias. Se producen roturas tangenciales o de corte (deslizamientos) en machos puntos de contacto, pero no existe una rotura general por corte de la masa de suelo. La carga vertical puede aumentarse sin límite. Este proceso se denomina compresión volumétrica. Si se retira la carga aplicada, la masa de suelo aumentará de volumen a través de un proceso inverso que supone una redistribución de las partículas. Este proceso de aumento de volumen se denomina expansión o en algunos casos hinchamiento.
Si, por otra parte, el recipiente es de paredes flexibles, puede producirse una falla por corte general. La falla se produce a cierta carga vertical y ésta se relaciona con la resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Esta resistencia está determinada por la resistencia al deslizamiento entre las partículas que tienden a desplazarse unas respecto a otras
Fig. 22. Causas del movimiento relativo entre partículas de suelo.
a) Movimiento producido por deformación en la zona de contacto. Las líneas continuas señalan el contorno de las partículas después de la carga (supuesta la inferior inmóvil); de trazos se muestra la posición inicial. 1,) Movimiento relativo por flexión de partículas laminares, c) Movimiento relativo por deslizamiento de una partícula sobre otra.
Las propiedades de compresibilidad, dilatación y resistencia al corte se estudiarán con detalle en capítulos pos- tenores.
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