Mecánica de suelos, Génesis y la composición de los suelos, La tensión efectiva y capilaridad: condiciones hidrostáticas, Clasificación de suelos, Seepage: flujo estacionario de agua, Consolidación: flujo transitorio de agua, Comportamiento de cizallamiento: la rigidez y la fuerza, Aplicaciones


Mecánica de suelos es una rama de la ingeniería mecánica que describe el comportamiento de los suelos. Se diferencia de la mecánica de fluidos y mecánica de sólidos en el sentido de que los suelos consisten de una mezcla heterogénea de fluidos y partículas de suelo, pero también pueden contener sólidos orgánicos, líquidos, y gases y otros materiales. Junto con la mecánica de rocas, mecánica de suelos proporciona la base teórica para el análisis en la ingeniería geotécnica, una subdisciplina de la ingeniería civil y la ingeniería geológica, una subdisciplina de la geología. Mecánica de suelos se utiliza para analizar las deformaciones y el flujo de fluidos dentro de las estructuras naturales y artificiales que se admiten en o hechos de tierra o estructuras que están enterrados en el suelo. Ejemplos de aplicación son la construcción y el puente de fundaciones, muros de contención, presas y sistemas de tuberías enterradas. Principios de mecánica de suelos también se utilizan en disciplinas relacionadas como ingeniería geológica, ingeniería geofísica, ingeniería costera, ingeniería agrícola, la hidrología y la física del suelo.

Este artículo describe la génesis y composición del suelo, la distinción entre la presión de poro del agua y la tensión efectiva intergranular, la acción capilar de fluidos en los poros, la clasificación del suelo, la filtración y la permeabilidad, el cambio dependiente del tiempo de volumen debido a la compresión del agua de diminutos espacios de los poros, también conocido como la consolidación, la resistencia al corte y la rigidez de los suelos. La resistencia a la cizalladura de los suelos se deriva principalmente de la fricción entre las partículas y de enclavamiento, que son muy sensibles a la tensión efectiva. El artículo concluye con algunos ejemplos de aplicaciones de los principios de la mecánica del suelo, tales como la estabilidad de taludes, la presión lateral de la tierra en los muros de contención, y la capacidad de carga de las fundaciones.

Génesis y la composición de los suelos

Génesis

El principal mecanismo de creación de suelo es la erosión de la roca. Todos los tipos de rocas se pueden romper en pequeñas partículas para crear suelo. Mecanismos de meteorización son meteorización física, meteorización química y biológica de meteorización Las actividades humanas tales como excavaciones, voladuras y eliminación de residuos, también puede crear suelo. Con el tiempo geológico, suelos profundamente enterrados pueden ser alterados por la presión y la temperatura para convertirse en rocas metamórficas o sedimentarias, y si derretida y se solidifica de nuevo, podrían completar el ciclo geológico al convertirse en roca ígnea.

Meteorización física incluye efectos de la temperatura, de congelación y descongelación del agua en las grietas, la lluvia, el viento, el impacto y otros mecanismos. La meteorización química incluye la disolución de materia que compone una roca y la precipitación en forma de otro mineral. Los minerales de arcilla, por ejemplo, pueden estar formados por la erosión de feldespato, que es el más común mineral presente en las rocas ígneas. El constituyente mineral más común de limo y arena de cuarzo es, también llamado sílice, que tiene el nombre químico dióxido de silicio. La razón de que el feldespato es más común en las rocas de silicio pero es más frecuente en los suelos es que el feldespato es mucho más soluble que el sílice. Limo, arena y grava son básicamente pequeños trozos de rocas rotas. De acuerdo con el Sistema de Clasificación de Suelos Unificado, tamaños de partícula de cieno están en el intervalo de 0,002 mm a 0,075 mm y arena partículas tienen tamaños en la gama de 0,075 mm a 4,75 mm. Partículas de grava se rompen trozos de roca en el rango de tamaño de 4,75 mm a 100 mm. Las partículas mayores que la grava se denominan guijarros y cantos rodados.

Transporte

Depósitos de suelo se ven afectados por el mecanismo de transporte y la deposición a su ubicación. Los suelos que no son transportados son llamados suelos residuales-que existen en la misma ubicación que la roca de la cual fueron generados. Granito descompuesto es un ejemplo común de un suelo residual. Los mecanismos comunes de transporte son las acciones de la gravedad, el hielo, el agua y el viento. Suelos soplados viento incluyen dunas y loess. El agua transporta las partículas de diferente tamaño en función de la velocidad del agua, por lo tanto los suelos transportados por el agua se clasifican de acuerdo a su tamaño. Limo y arcilla pueden depositarse en un lago, y la grava y la arena recoger en la parte inferior del lecho de un río. Viento depósitos de suelos quemados también tienden a ser clasificados de acuerdo a su tamaño de grano. La erosión en la base de los glaciares es lo suficientemente potente como para recoger las grandes rocas y cantos rodados, así como del suelo, los suelos se redujo en la fusión del hielo puede ser una mezcla bien graduada de muy diversos tamaños de partículas. La gravedad en su propia también puede llevar a las partículas hacia abajo desde la cima de una montaña para hacer un montón de tierra y rocas en la base; depósitos de suelo transportadas por gravedad se llaman coluvial.

El mecanismo de transporte también tiene un efecto importante en la forma de las partículas. Por ejemplo, la baja velocidad de molienda en un lecho de río se producen partículas redondeadas. Recién coluviales partículas fracturadas menudo tienen una forma muy angular.

Composición del suelo

 Mineralogía del suelo

Limos, arenas y gravas se clasifican por su tamaño, y por lo tanto pueden consistir en una variedad de minerales. Debido a la estabilidad de cuarzo en comparación con otros minerales de la roca, el cuarzo es el componente más común de la arena y el limo. Mica, feldespato y otros minerales comunes presentes en las arenas y limos. Los componentes minerales de grava pueden ser más similar a la de la roca madre.

Los minerales de arcilla comunes son montmorillonita o esmectita, illita, caolinita y o caolín. Estos minerales tienden a formar en la hoja o placa como las estructuras, con una longitud que oscila típicamente entre 10-7 m y 4x10-6 m y el espesor que varía típicamente entre 10-9 M y 2x10-6 m, y tienen un área de superficie específica relativamente grande . El área superficial específica se define como la relación entre el área superficial de las partículas de la masa de las partículas. Los minerales de arcilla generalmente tienen superficies específicas en el intervalo de 10 a 1000 metros cuadrados por gramo de sólido. Debido a la gran superficie disponible para la química, electrostática, y la interacción de van der Waals, el comportamiento mecánico de los minerales de arcilla es muy sensible a la cantidad de fluido de los poros disponible y el tipo y la cantidad de iones disueltos en el fluido de los poros.

Los minerales de los suelos son predominantemente formados por átomos de oxígeno, silicio, hidrógeno, y el aluminio, en sus diversas formas cristalinas. Estos elementos a lo largo con el calcio, sodio, potasio, magnesio, y de carbono constituyen más del 99 por ciento de la masa sólida de los suelos.

Los suelos están formados por una mezcla de partículas de diferente tamaño, forma y mineralogía. Debido a que el tamaño de las partículas, obviamente, tiene un efecto significativo en el comportamiento de los suelos, el tamaño de grano y la distribución del tamaño de grano se utilizan para clasificar los suelos. La distribución del tamaño de grano describe las proporciones relativas de partículas de diversos tamaños. El tamaño de grano es a menudo visualizan en un gráfico de distribución acumulativa que, por ejemplo, muestra el porcentaje de partículas más fino que un tamaño dado como una función del tamaño. El tamaño de grano medio,, es el tamaño para el cual 50% de la masa de las partículas se compone de partículas más finas. El comportamiento del suelo, especialmente la conductividad hidráulica, tiende a ser dominado por las partículas más pequeñas, por lo tanto, el término "tamaño efectivo", denotado por, se define como el tamaño para el cual 10% de la masa de las partículas se compone de partículas más finas.

Arenas y gravas que poseen una amplia gama de tamaños de partículas con una distribución uniforme de tamaños de partículas se denominan suelos bien graduados. Si las partículas de suelo en una muestra son predominantemente en una gama relativamente estrecha de tamaños, el suelo se llaman suelos uniformemente graduadas. Si hay huecos distintos en la curva de gradación, por ejemplo, una mezcla de arena y grava fina, sin arena gruesa, los suelos pueden ser llamados brecha clasificado. Suelos calificados uniformemente graduados y la brecha de ambos se consideran mal clasificado. Hay muchos métodos para medir la distribución del tamaño de partícula. Los dos métodos tradicionales son el análisis granulométrico y análisis hidrómetro.

 Granulometría

La distribución del tamaño de las partículas de arena y grava se miden típicamente usando análisis granulométrico. El procedimiento formal se describe en la norma ASTM D6913-04. Una pila de tamices con agujeros dimensionados con precisión entre una malla de cables se utilizan para separar las partículas en contenedores de tamaño. Un volumen conocido de suelo seco, con terrones desglosados de partículas individuales, se pone en la parte superior de una pila de tamices dispuestos de grueso a fino. La pila de tamices se agita durante un período estándar de tiempo para que las partículas se clasifican en barras de tamaño. Este método funciona razonablemente bien para partículas en el intervalo de tamaño de arena y grava. Las partículas finas tienden a pegarse entre sí, y por lo tanto el proceso de tamizado no es un método eficaz. Si hay una gran cantidad de finos presentes en el suelo puede ser necesario dejar correr el agua a través de los tamices para lavar las partículas gruesas y terrones por medio.

Una variedad de tamaños de los tamices están disponibles. El límite entre la arena y el limo es arbitraria. De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, un tamiz # 4 que tiene 4.75mm tamaño de la abertura separa la arena de grava y un tamiz # 200 con una abertura de 0,075 mm separa la arena de limo y arcilla. De acuerdo con la norma británica, 0.063 mm es el límite entre la arena y el limo, y 2 mm es el límite entre la arena y la grava.

 Análisis Hidrómetro

La clasificación de los suelos de grano fino, es decir, los suelos que son más finos que la arena, está determinada principalmente por sus límites de Atterberg, no por su tamaño de grano. Si es importante para determinar la distribución del tamaño de grano de suelos de grano fino, se puede realizar la prueba de hidrómetro. En las pruebas con el densímetro, las partículas de suelo se mezclan con agua y se agitan para producir una suspensión diluida en un cilindro de vidrio, y a continuación, el cilindro se deja para sentarse. Un hidrómetro se utiliza para medir la densidad de la suspensión como una función del tiempo. Las partículas de arcilla pueden tardar varias horas para resolver más allá de la profundidad de la medición del hidrómetro. Las partículas de arena pueden tener menos de un segundo. La ley de Stoke proporciona la base teórica para el cálculo de la relación entre la velocidad de sedimentación y tamaño de partícula. ASTM proporciona los procedimientos detallados para la realización de la prueba del hidrómetro.

Las partículas de arcilla pueden ser lo suficientemente pequeño que nunca se asientan, ya que se mantienen en suspensión por el movimiento Browniano, en cuyo caso pueden ser clasificados como coloides.

 Relaciones masa-volumen

Hay una variedad de parámetros utilizados para describir las proporciones relativas de aire, agua y sólidos en un suelo. Esta sección define los parámetros y algunos de sus interrelaciones. La notación básica es la siguiente:

, Y representar los volúmenes de aire, agua y sólidos en una mezcla de tierra;

, Y representan los pesos de aire, agua y sólidos en una mezcla de tierra;

, Y representar a las masas de aire, agua y sólidos en una mezcla de tierra;

, Y representan las densidades de los componentes de una mezcla de suelo;

Tenga en cuenta que los pesos, W, se pueden obtener multiplicando la masa, M, por la aceleración de la gravedad, g, por ejemplo,

La gravedad específica es la relación de la densidad de un material en comparación con la densidad del agua pura.

La gravedad específica de los sólidos,

Tenga en cuenta que los pesos unitarios, denotadas convencionalmente por el símbolo pueden obtenerse multiplicando la densidad de un material por la aceleración debida a la gravedad,.

Densidad, Densidad, o densidad húmeda, son diferentes nombres para la densidad de la mezcla, es decir, la masa total de la atmósfera, el agua, los sólidos dividido por el volumen total de agua del aire y sólidos:

Densidad en seco,, es la masa de sólidos dividido por el volumen total de agua del aire y sólidos:

Densidad de flotación, se define como la densidad de la mezcla menos la densidad del agua es útil si el suelo está sumergido bajo el agua:

donde es la densidad del agua

Contenido de agua, es la relación de la masa de agua a la masa de sólido. Se mide fácilmente pesando una muestra del suelo, secado a cabo en un horno y volviendo a pesar. Los procedimientos estándar se describen por la norma ASTM.

Relación de vacíos,, es la relación entre el volumen de huecos para el volumen de sólidos:

Porosidad,, es la relación del volumen de vacíos y el volumen total, y se relaciona con la relación de vacíos:

Grado de saturación,, es la relación entre el volumen de agua para el volumen de huecos:

A partir de las definiciones anteriores, algunas relaciones útiles se pueden derivar por el uso de álgebra básica.

La tensión efectiva y capilaridad: condiciones hidrostáticas

Para comprender la mecánica de suelos, es necesario entender cómo tensiones normales y las tensiones de cizallamiento son compartidos por las diferentes fases. Ni gas ni líquido proporcionan una resistencia significativa al esfuerzo cortante. La resistencia al corte del suelo es proporcionada por la fricción y el enclavamiento de las partículas. La fricción depende de los esfuerzos de contacto intergranulares entre partículas sólidas. Las tensiones normales, por otra parte, son compartidos por el fluido y las partículas. Aunque el aire de poro es relativamente compresible, y por lo tanto, necesita poco esfuerzo normal en la mayoría de los problemas geotécnicos, agua en estado líquido es relativamente incompresible y si los huecos están saturados con agua, el agua de los poros debe ser exprimida con el fin de llevar las partículas más cerca juntos.

El principio de la tensión efectiva, introducido por Karl Terzaghi, establece que el esfuerzo efectivo s 'se puede calcular mediante una simple sustracción de la presión de poro de la tensión total:

donde s es la tensión total y u es la presión de poro. No es práctico para medir s 'directamente, por lo que en la práctica la tensión efectiva vertical se calcula a partir de la presión de poro y la tensión vertical total. La distinción entre la presión y el estrés términos también es importante. Por definición, la presión en un punto es igual en todas las direcciones, pero las tensiones en un punto puede ser diferente en diferentes direcciones. En la mecánica del suelo, las tensiones de compresión y las presiones son considerados como positivos y tensiones a la tracción se consideran negativos, que es diferente de la convención de signos mecánica de sólidos para el estrés.

El estrés total

Para las condiciones del nivel del suelo, la tensión vertical total en un punto, en promedio, es el peso de todo por encima de ese punto por unidad de área. El esfuerzo vertical debajo de una capa uniforme de la superficie con la densidad, y el grosor es, por ejemplo:

donde es la aceleración debida a la gravedad, y es la unidad de peso de la capa superpuesta. Si hay varias capas de suelo o el agua por encima del punto de interés, el esfuerzo vertical se puede calcular sumando el producto de la unidad de peso y el espesor de todas las capas suprayacentes. El estrés total aumenta al aumentar la profundidad en proporción a la densidad del suelo suprayacente.

No es posible calcular la tensión total horizontal de esta manera. Empujes laterales se tratan en otro lugar.

Presión de poros

Si no hay flujo de agua de los poros se producen en el suelo, las presiones de agua de poro serán hidrostática. La tabla de agua se encuentra en la profundidad en la que la presión del agua es igual a la presión atmosférica. Para condiciones hidrostáticas, la presión del agua se incrementa linealmente con la profundidad por debajo del nivel freático:

donde es la densidad del agua, y es la profundidad por debajo del nivel freático.

 La acción capilar

Debido a la tensión superficial del agua se levantará en un pequeño tubo capilar por encima de una superficie libre de agua. Del mismo modo, el agua se elevará por encima de la capa freática en los pequeños espacios de los poros alrededor de las partículas del suelo. De hecho, el suelo puede ser completamente saturada por alguna distancia por encima de la tabla de agua. Por encima de la altura de la saturación capilar, el suelo puede estar húmedo, pero el contenido de agua disminuye con la elevación. Si el agua en la zona capilar no se está moviendo, la presión del agua obedece a la ecuación de equilibrio hidrostático,, pero tenga en cuenta que, es negativo por encima de la tabla de agua. Por lo tanto, las presiones hidrostáticas son negativos por encima del nivel freático. El espesor de la zona de saturación capilar depende del tamaño de los poros, pero típicamente, las alturas varían entre un centímetro o así para la arena gruesa a decenas de metros para un limo o arcilla. De hecho, el espacio de los poros del suelo es un ejemplo fractal uniforme se ha encontrado un conjunto de fractales distribuidos uniformemente D-dimensionales promedio de tamaño lineal L. Para el suelo arcilloso que L = 0,15 mm y D = 2,7.

La tensión superficial del agua explica por qué el agua no drena fuera de un castillo de arena húmeda o una bola de arcilla húmeda. Presiones de agua negativos hacen que el palo de agua a las partículas y tiran de las partículas entre sí, la fricción en los contactos de partículas hacer un castillo de arena estable. Pero tan pronto como un castillo de arena húmeda se sumerge por debajo de una superficie de agua libre, las presiones negativas se pierden y el castillo se derrumba. Teniendo en cuenta la ecuación de la tensión efectiva, si la presión del agua es negativo, el esfuerzo efectivo puede ser positivo, incluso en una superficie libre. La presión de poro negativa atrae las partículas entre sí y hace que las partículas de compresión a las fuerzas de contacto de partículas.

Presiones intersticiales negativos en suelos arcillosos pueden ser mucho más potente que los de arena. Presiones de poros negativas explican por qué los suelos arcillosos se encogen cuando se secan y se hinchan cuando se humedecen. La hinchazón y la contracción puede causar una angustia mayor, especialmente para estructuras ligeras y carreteras.

En secciones posteriores de este artículo abordar las presiones de poros para problemas de filtración y consolidación.

Clasificación de suelos

Los ingenieros geotécnicos clasifican los tipos de partículas del suelo mediante la realización de pruebas sobre muestras alteradas del suelo. Esto proporciona información acerca de las características de los propios granos de suelo. Cabe señalar que la clasificación de los tipos de granos presentes en un suelo no tiene en cuenta los efectos importantes de la estructura o tejido del suelo, términos que describen compacidad de las partículas y los patrones en la disposición de las partículas en un marco de transporte de carga como así como el tamaño de poro y las distribuciones de fluido de los poros. Ingenieros geólogos también clasifican los suelos en función de su génesis y la historia de deposición.

Clasificación de los granos del suelo

En los EE.UU. y otros países, el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos se utiliza a menudo para la clasificación del suelo. Otros sistemas de clasificación son la norma británica BS5390 y el sistema de clasificación de suelos AASHTO.

 Clasificación de las arenas y gravas

En los USCS, gravas y arenas se clasifican en función de su granulometría. Para los USCS, gravas pueden darse el símbolo de clasificación GW, GP, GM, o GC. Asimismo arenas pueden clasificarse como SW, SP, SM o SC. Arenas y gravas con un pequeño pero no despreciable cantidad de multas pueden dar una clasificación dual como SW-SC.

 Límites de Atterberg

Las arcillas y limos, a menudo llamados "suelos de grano fino», se clasifican en función de sus límites de Atterberg, los límites de Atterberg más utilizados son el límite líquido, límite plástico, y el límite de contracción. El límite de contracción corresponde a un contenido de agua por debajo del cual el suelo no se encogerá cuando se seca.

El límite líquido y límite plástico son límites arbitrarios determinados por la tradición y la convención. El límite líquido se determina mediante la medición del contenido de agua para que una ranura se cierra después de 25 golpes en una prueba estándar. Alternativamente, un aparato de ensayo de cono caída puede ser utilizada para medir el límite líquido. La resistencia al corte sin drenaje del suelo remolded en el límite líquido es de aproximadamente 2 kPa. El límite plástico es el contenido de agua por debajo del cual no es posible para rodar por la mano del suelo en cilindros de diámetro 3 mm. El suelo se agrieta o se rompe, ya que se bajó de este diámetro. Remolded suelo en el límite plástico es bastante rígido, que tiene una resistencia al corte sin drenaje del orden de aproximadamente 200 kPa.

El índice de plasticidad de una muestra de suelo en particular se define como la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de la muestra, es un indicador de la cantidad de agua las partículas de suelo en el espécimen pueden absorber. El índice de plasticidad es la diferencia en el contenido de agua entre estados cuando el suelo es relativamente blando y el suelo es relativamente quebradiza cuando se moldea a mano.

 Clasificación de los limos y arcillas

De acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, limos y arcillas se clasifican por el trazado de los valores de su índice de plasticidad y el límite líquido en un gráfico de plasticidad. El A-Line en la tabla separa arcillas de sedimentos. LL = 50% separa los suelos de alta plasticidad de los suelos de baja plasticidad. Un suelo que las parcelas sobre el A-line y ha LL> 50% serían, por ejemplo, se clasifica como CH. Otras posibles clasificaciones de limos y arcillas son ML, CL y MH. Si el Atterberg limita parcela en la región "tramado" en el gráfico cerca del origen, los suelos tienen la clasificación dual 'CL-ML.

Índices relacionados con la resistencia del suelo

 El índice de liquidez

Los efectos del contenido de agua sobre la resistencia de los suelos remoldeados saturados pueden ser cuantificados por el uso del índice de liquidez, LI:

Cuando la LI es 1, el suelo remolded está en el límite líquido y tiene una resistencia al corte sin drenaje de aproximadamente 2 kPa. Cuando el suelo está en el límite de plástico, la LI es 0 y la resistencia al corte sin drenaje es de aproximadamente 200 kPa.

 Densidad relativa

La densidad de las arenas se caracteriza a menudo por la densidad relativa,

donde: es la "máxima relación de vacío" que corresponde a un estado muy flojo, es la "relación de vacíos mínima" que corresponde a un estado muy densa y es la relación de vacíos en situ. Los métodos utilizados para el cálculo de la densidad relativa se define en la norma ASTM D4254-00.

Así, si la arena o la grava es muy densa, y si el suelo es extremadamente inestable y suelta.

Seepage: flujo estacionario de agua

Si las presiones de fluido en un depósito de suelo están aumentando de manera uniforme con la profundidad a continuación, de acuerdo con las condiciones hidrostáticas prevalecerán y los fluidos no se que fluye a través del suelo. es la profundidad por debajo del nivel freático. Sin embargo, si la tabla de agua está en pendiente o hay una tabla de agua como se indica en el esquema adjunto, a continuación, se producirá filtraciones. Para la filtración constante estado, las velocidades de filtración no están variando con el tiempo. Si las capas freáticas están cambiando los niveles, con el tiempo, o si el suelo está en el proceso de consolidación, no se aplican las condiciones de estado estacionario a continuación.

La ley de Darcy

La ley de Darcy que el volumen de flujo del fluido de los poros a través de un medio poroso por unidad de tiempo es proporcional a la tasa de cambio de la presión del exceso de líquido con la distancia. La constante de proporcionalidad incluye la viscosidad del fluido y la permeabilidad intrínseca del suelo. Para el caso simple de un tubo horizontal está llena con tierra

La descarga total, es proporcional a la permeabilidad intrínseca,, el área de la sección transversal, y la tasa de cambio de la presión de poro con la distancia,, e inversamente proporcional a la viscosidad dinámica del fluido,. Se necesita el signo negativo porque el flujo de fluidos a alta presión a baja presión. Así que si el cambio en la presión es negativa, entonces el flujo será positivo. La ecuación anterior funciona bien para un tubo horizontal, pero si el tubo se inclina de manera que el punto B era una elevación diferente que el punto a, la ecuación no funcionaría. El efecto de la elevación se representó mediante la sustitución de la presión de poro por el exceso de presión de poro, definido como:

donde se mide la profundidad de una referencia de elevación arbitraria. Sustitución por obtenemos una ecuación más general para el flujo:

Dividiendo ambos lados de la ecuación por, y que expresa la tasa de cambio de un exceso de presión de poro como un derivado, se obtiene una ecuación más general para la velocidad aparente en la dirección x:

donde tiene unidades de velocidad y se llama la velocidad de Darcy, o la velocidad de descarga. La velocidad de filtración está relacionada con la velocidad de Darcy, y la porosidad,

Los ingenieros civiles trabajan principalmente en los problemas que involucran el agua y sobre todo trabajar en los problemas de la tierra. Para esta clase de problemas, los ingenieros civiles a menudo se escribe la ley de Darcy en una forma mucho más simple:

donde se llama la permeabilidad, y se define como, y se llama el gradiente hidráulico. El gradiente hidráulico es la tasa de cambio de la altura total con la distancia. La altura total, en un punto se define como la altura a la que el agua se elevaría en un piezómetro en ese punto. La altura total de carga está relacionada con la presión del exceso de agua por:

y el es cero si el punto de referencia para la medición de la cabeza se elige en la misma elevación que el origen de la profundidad, z utilizan para calcular.

Los valores típicos de permeabilidad

Los valores de la permeabilidad,, pueden variar en muchos órdenes de magnitud en función del tipo de suelo. Las arcillas pueden tener una permeabilidad tan pequeño como aproximadamente, gravas pueden tener permeabilidad hasta aproximadamente. Capas y la heterogeneidad y la perturbación durante el proceso de muestreo y pruebas hacen que la medición precisa de la permeabilidad del suelo un problema muy difícil.

Redes de flujo

Ley de Darcy se aplica en una, dos o tres dimensiones. En dos o tres dimensiones, constante filtración de estado se describe por la ecuación de Laplace. Los programas de ordenador están disponibles para resolver esta ecuación. Pero tradicionalmente problemas de filtración de dos dimensiones se resolvieron mediante un procedimiento gráfico y conocido llamado redes de flujo. Un conjunto de líneas de la red de flujo son en la dirección del flujo de agua, y el otro conjunto de líneas son en la dirección de la cabeza total constante. Redes de flujo pueden utilizarse por ejemplo para estimar la cantidad de filtración debajo presas y tablestacas.

Fuerzas de infiltración y erosión

Cuando la velocidad de filtración es lo suficientemente grande, la erosión puede ocurrir debido a la resistencia de fricción ejercida sobre las partículas del suelo. Verticalmente hacia arriba filtración es una fuente de peligro en el lado aguas abajo de tablestacas y por debajo de la punta de una presa o dique. La erosión del suelo, conocido como "tubería", puede llevar a una insuficiencia de la estructura y la formación de sumidero. Supurante agua elimina la suciedad, a partir del punto de salida de la filtración, y la erosión avances gradiente arriba. El término ebullición arena se utiliza para describir el aspecto final de la descarga de un tubo de suelo activa.

Presiones Seepage

La filtración en una dirección hacia arriba reduce la presión efectiva dentro del suelo. Cuando la presión del agua en un punto en el suelo es igual a la tensión vertical total en ese punto, la tensión efectiva es cero y el suelo no tiene resistencia a la fricción a la deformación. Para una capa de superficie, la tensión efectiva vertical, se convierte en cero dentro de la capa cuando el gradiente hidráulico hacia arriba es igual al gradiente crítico. En suelo esfuerzo efectivo cero tiene muy poca fuerza y capas de suelo relativamente impermeable puede levantar para arriba debido a las presiones de agua subyacentes. La pérdida de fuerza debido a la filtración hacia arriba es un colaborador frecuente de fallas en los diques. La condición de tensión efectiva cero asociado con filtración ascendente también se llama licuefacción, arenas movedizas, o una condición de ebullición. Quicksand fue llamada así debido a que las partículas del suelo se mueven y parecen ser "vivo".

Consolidación: flujo transitorio de agua

La consolidación es un proceso por el cual los suelos disminuyen en volumen. Se produce cuando la tensión se aplica a un suelo que hace que las partículas del suelo para empacar juntos más estrechamente, por lo tanto, la reducción de volumen. Cuando esto ocurre en un suelo que está saturado con agua, el agua se exprime de la tierra. El tiempo necesario para exprimir el agua de un depósito de espesor de la capa de suelo arcilloso puede ser años. Para una capa de arena, el agua puede ser exprimido a cabo en cuestión de segundos. A cimientos del edificio o de la construcción de un nuevo dique causarán que el suelo debajo de consolidar y esto causará acuerdo que a su vez puede causar problemas en el edificio o terraplén. Karl Terzaghi desarrolló la teoría de la consolidación que permite la predicción de la cantidad de la solución y el tiempo necesario para la solución que se produzca. Los suelos son evaluados con una prueba edométrico para determinar su índice de compresión y el coeficiente de consolidación.

Cuando el estrés se elimina de un suelo consolidado, el suelo se recuperará, sacando agua nuevamente dentro de los poros y la recuperación de una parte del volumen que había perdido en el proceso de consolidación. Si se vuelve a aplicar la tensión, el suelo se volverá a consolidar otra vez a lo largo de una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. Del suelo que se ha consolidado en gran presión y ha sido descargada posteriormente se considera que se sobreconsolidados. La tensión vertical efectiva pasado máxima se denomina estrés pre consolidación. Un suelo que está experimentando actualmente la máxima tensión vertical efectiva pasado se dice que es normalmente consolidada. La relación sobreconsolidación, es la relación de la máxima tensión efectiva vertical, pasado a la corriente eficaz de la tensión vertical. El OCR es importante por dos razones: en primer lugar, debido a la compresibilidad del suelo normalmente consolidado es significativamente mayor que para el suelo sobreconsolidado, y en segundo lugar, el comportamiento de cizallamiento y dilatancia de suelo arcilloso están relacionados con el reconocimiento de caracteres a través de la mecánica de suelos estado crítico; altamente sobreconsolidado suelos arcillosos son dilatante, mientras que los suelos normalmente consolidados tienden a ser contractiva.

Comportamiento de cizallamiento: la rigidez y la fuerza

La resistencia al corte y la rigidez del suelo determina si o no el suelo será estable o cuánto se deforma. El conocimiento de la fuerza es necesaria para determinar si una pendiente será estable, si un edificio o un puente pueden conformarse demasiado lejos en el suelo, y las presiones que limitan en un muro de contención. Es importante distinguir entre la falta de un elemento de suelo y el fracaso de una estructura geotécnica; algunos elementos del suelo pueden llegar a su fuerza máxima antes de la rotura de la estructura. Diferentes criterios pueden ser utilizados para definir la "resistencia a la cizalladura" y el "punto de fluencia" para un elemento de suelo a partir de una curva de tensión-deformación. Se puede definir la resistencia al corte pico como el pico de la curva de tensión-deformación, o la resistencia al corte en estado crítico como el valor después de grandes deformaciones cuando los niveles de resistencia de corte fuera. Si la curva de tensión-deformación no se estabiliza antes del final de la prueba de resistencia a la cizalladura, la "fuerza" se considera a veces que la resistencia al corte en 15% a 20% de deformación. La resistencia a la cizalladura del suelo depende de muchos factores, incluyendo la tensión efectiva y la proporción de huecos.

La rigidez de cizalladura es importante, por ejemplo, para la evaluación de la magnitud de las deformaciones de las fundaciones y pendientes antes de la falla y ya que está relacionada con la velocidad de onda de corte. La pendiente de la inicial, casi lineal, porción de una parcela de tensión de cizallamiento en función de la deformación por esfuerzo cortante se llama el módulo de cizallamiento

Fricción, enclavamiento y dilatación

El suelo es un conjunto de partículas que tienen poco o nada de la cementación, mientras que la roca puede estar constituido por un conjunto de partículas que están fuertemente cementados entre sí por enlaces químicos. La resistencia a la cizalladura del suelo es principalmente debido a la fricción entre partículas y por lo tanto, la resistencia al esfuerzo cortante en un plano es aproximadamente proporcional a la tensión normal efectiva en ese avión. Pero el suelo se deriva también la resistencia al corte significativo de enclavamiento de granos. Si los granos están densamente empaquetados, los granos tienden a separarse el uno del otro ya que están sujetos a la deformación por esfuerzo cortante. La expansión de la matriz de partículas debido a la cizalladura se llama dilatancia por Osborne Reynolds. Si se considera la energía requerida para romper un conjunto de partículas que hay entrada de energía por la fuerza de cizallamiento, T, moviéndose una distancia, x y también hay entrada de energía por la fuerza normal, N, como la muestra se expande a una distancia, y. Debido a la energía extra necesaria para que las partículas se dilatan en contra de las presiones de confinamiento, suelos dilatantes tienen una mayor fuerza máxima de contracción de los suelos. Además, como los granos del suelo dilatada se dilatan, se convierten en más flojo, y su tasa de dilatación disminuye hasta que llegan a una relación de vacío crítico. Suelos contractivas se hacen más densas, ya que cizallamiento, y su tasa de contracción disminuye hasta que llegan a una relación de vacío crítico.

La tendencia de un suelo para dilatar o contrato depende principalmente de la presión de confinamiento y la relación de vacíos del suelo. La tasa de dilatación es alta si la presión de confinamiento es pequeña y la relación de vacío es pequeña. La tasa de contracción es alta si la presión de confinamiento es grande y la relación de vacío es grande. Como una primera aproximación, las regiones de contracción y la dilatación están separados por la línea de estado crítico.

Criterios de no

Después de un suelo alcanza el estado crítico, ya no es contrayendo o dilatando y el esfuerzo cortante en el plano de falla se determina por la tensión normal efectiva en el plano de falla y el ángulo crítico de fricción estado:

El pico de fuerza del suelo puede ser mayor, sin embargo, debido a la contribución de enclavamiento. Esto puede hacerse constar:

Al no reconocer la importancia de la dilatancia, Coulomb propone que la resistencia a la cizalladura de suelo puede ser expresada como una combinación de componentes de adhesión y la fricción:

Se sabe ahora que los parámetros y en la última ecuación no son propiedades fundamentales del suelo. En particular, y son diferentes en función de la magnitud de la tensión efectiva. De acuerdo con Schofield, el uso de larga data de en la práctica ha llevado a muchos ingenieros para creer erróneamente que es un parámetro fundamental. Esta suposición de que son constantes puede conducir a una sobreestimación de los puntos fuertes de pico.

Estructura, tela, y la química

Además de la fricción y componentes de interbloqueo de la fuerza, la estructura y tela también juegan un papel importante en el comportamiento de los suelos. La estructura y la tela incluyen factores tales como la separación y la disposición de las partículas sólidas o de la cantidad y la distribución espacial de agua de los poros, y en algunos casos el material cementoso se acumula en los contactos partícula-partícula. Comportamiento mecánico del suelo se ve afectada por la densidad de las partículas y de su estructura o la disposición de las partículas, así como la cantidad y la distribución espacial de los fluidos presentes. Otros factores incluyen la carga eléctrica de las partículas, la química del agua de los poros, enlaces químicos

Cortante drenada y no drenada

La presencia de los fluidos incompresibles casi como el agua en los espacios de los poros afecta a la capacidad para que los poros se dilaten o contrato.

Si los poros están saturados con agua, el agua debe ser aspirado en los espacios de los poros de dilatación para llenar los poros en expansión.

Del mismo modo, para el suelo de contracción, el agua debe ser expulsado de los espacios porosos para permitir la contracción se produzca.

La dilatación de los huecos causa presiones de agua negativos que sacan el líquido en los poros, y la contracción de los huecos causa presiones de poro positivas para impulsar el agua de los poros. Si la tasa de cizallamiento es muy grande en comparación con la tasa que el agua puede ser aspirado en o expulsado de los espacios de los poros de dilatación o contracción, a continuación, el corte se denomina corte sin drenaje, si el corte es lo suficientemente lenta que las presiones de agua son insignificantes, el cizallamiento se llama cizallamiento drenado. Durante el corte sin drenaje, los cambios de agua u presión en función de las tendencias de cambio de volumen. A partir de la ecuación de la tensión efectiva, el cambio en u afecta directamente la tensión efectiva por la ecuación:

y la fuerza es muy sensible a la tensión efectiva. Se deduce entonces que el esfuerzo cortante no drenado de un suelo puede ser menor o mayor que la resistencia a la cizalladura drenado dependiendo de si el suelo es contractiva o dilatada.

Ensayos de corte

Parámetros de resistencia pueden ser medidas en el laboratorio mediante la prueba directa de cizallamiento, ensayo de corte triaxial, ensayo de corte simple, prueba de cono de caída y ensayo de cizallamiento de paletas; hay numerosos otros dispositivos y variaciones sobre estos dispositivos utilizados en la práctica hoy en día. Las pruebas realizadas para caracterizar la resistencia y rigidez de los suelos en el suelo incluyen la prueba de penetración de cono y el ensayo de penetración estándar.

Otros factores

La relación de tensión-deformación de los suelos, y por lo tanto la fuerza de cizallamiento, se ve afectada por:

  • composición del suelo: mineralogía, tamaño de grano y la distribución granulométrica, forma de las partículas, el tipo de fluido de los poros y el contenido, los iones en grano y en el fluido intersticial.
  • Estado: Definir la relación de vacíos inicial, tensión normal efectiva y esfuerzo de corte. Estado puede describir con términos tales como: loose, denso, sobreconsolidado, normalmente consolidada, dura, blanda, de contracción, dilatada, etc
  • estructura: Se refiere a la disposición de las partículas dentro de la masa del suelo; la manera en que las partículas que se embalan o distribuidos. Características tales como capas, juntas, fisuras, caras de fricción, vacíos, bolsillos, cementación, etc, son parte de la estructura. Estructura de los suelos es descrita por términos como: tranquilo, alterado, remolded, compactado, cementado, floculante, panal, de un solo grano; floculada, defloculada, estratificada, en capas, laminado, isotrópico y anisotrópico.
  • Condiciones de carga: tensión eficaz camino drenados, sin escurrir, y el tipo de carga de magnitud, la frecuencia, el tiempo y la historia.
  • Aplicaciones

    Presión lateral de la tierra

    Teoría del estrés lateral de la tierra se utiliza para estimar la cantidad de suelo estrés puede ejercer perpendicular a la gravedad. Esta es la tensión ejercida sobre muros de contención. Un coeficiente de esfuerzo lateral de la tierra, K, se define como la relación de la tensión efectiva lateral a la tensión efectiva vertical para suelos no cohesivos. Hay tres coeficientes: en reposo, activa y pasiva. La tensión en reposo es la tensión lateral en el suelo antes de cualquier perturbación tiene lugar. Se alcanza el estado de estrés activa cuando una pared se aleja del suelo bajo la influencia de la tensión lateral, y resulta de una deficiencia de cizallamiento debido a la reducción de la tensión lateral. Se alcanza el estado de tensión pasiva cuando una pared se empuja en el suelo lo suficiente como para provocar un fallo de cizallamiento dentro de la masa debido al aumento de la tensión lateral. Hay muchas teorías para la estimación de la tensión lateral de la tierra, algunos se basan empíricamente, y algunos son derivados analíticamente.

    Teniendo la capacidad

    La capacidad de carga del suelo es la tensión media de contacto entre una base y el suelo que hará que falla de corte en el suelo. La tensión de carga admisible es la capacidad de soporte dividido por un factor de seguridad. A veces, en los sitios de suelo blando, grandes asentamientos pueden ocurrir debajo de los cimientos cargados sin cizallamiento ocurra reales de fallo, en cuyo caso, la tensión de carga admisible se determina con respecto a la solución máxima permitida.

    Estabilidad de taludes

    El campo de la estabilidad de taludes abarca el análisis de la estabilidad estática y dinámica de las pistas de tierra y roca de relleno presas, taludes de otros tipos de muros de contención, taludes excavados, y las pendientes naturales de suelo y roca blanda.

    Como se ve a la derecha, pistas de tierra pueden desarrollar una zona de debilidad de corte esférica. La probabilidad de que esto ocurra se puede calcular de antemano usando un paquete de análisis 2-D circular sencilla ... La principal dificultad en el análisis es localizar el plano de deslizamiento más probable para cualquier situación dada. Muchos deslizamientos de tierra han sido analizadas sólo después del hecho.