Resistencia y rigidez de arcillas

Mecánica de Suelos y Geología

Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires

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Índice

• Resistencia al corte drenado

• Resistencia al corte no drenado

• Arcillas inalteradas

• Relación tensión-deformación

• Un ejercicio integrador

virtualuniversity.issmge.org

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Resistencia al corte de arcillas amasadas vs arenas

Similitudes

• La resistencia al corte obedece a

• Tienen la misma relación tensión-dilatancia

– Las arcillas compactas dilatan (como arenas densas)

– Las arcillas blandas contraen (como arenas sueltas)

• Mismo efecto de trayectoria de tensiones

• Ambos materiales alcanzan el estado crítico ( )

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Resistencia al corte de arcillas amasadas vs arenas

Diferencias

• Las partículas de arcilla interaccionan por fuerzas eléctricas (no tienen contacto directo grano a grano)

• Las arcillas tienen memoria: depende de la historia de tensiones, porque el material “recuerda” cual fue la presión máxima que soportó y en qué dirección ocurrió

• Para enormes deforma-ciones, las arcillas tienen un ángulo de fricción interna residual menor que

Ángulo de fricción interna de volumen constante en suelos de grano fino

decrece con el aumento de plasticidad

• Mayor actividad eléctrica

• Mayor distancia entre partículas

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(Kenny 1959)

Angulo de fricción interna residual en suelos de grano fino

Para enormes deformaciones hay alineamiento de los planos débiles de las partículas

• Ángulo de fricción interna residual

sólo vale en la dirección del reordenamiento de contactos

– En todas las demás direcciones vale

Que exista no invalidala teoría de estado crítico

• El proceso ocurre a volumen constante

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Ejercicio

Dibuje a escala el ángulo de fricción interna de volumen constante y residual de:

• Arena suelta

• Caolinita

• Illita

• Montmorillonita

Se efectúa un ensayo S de una illita con 3

• Calcule 1 para una deformación del 10%

• Calcule 1 para una deformación del 100%

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Arcillas compactas: efecto de la dilatancia

• En arcillas, igual que en arenas:

• En arenas, depende de y de la presión:

• En arcillas, depende de :

• Efecto de la dirección de carga: arcillas = arenas

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(Adaptado de Sfriso 2007)

Ejercicio

Calcule el ángulo de fricción interna de una caolinita ( ) para

• Compresión triaxial, normalmente consolidada

• Compresión triaxial, preconsolidada con OCR = 3.0

• Compresión plana, normalmente consolidada

• Compresión plana, preconsolidada con OCR = 3.0

Recordatorio

• Compresión triaxial

• Compresión plana

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Índice

• Resistencia al corte drenado

• Resistencia al corte no drenado

• Arcillas inalteradas

• Relación tensión-deformación

• Un ejercicio integrador

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Resistencia al corte no drenado de arcillasamasadas

Arcilla amasada: mezcla homogénea de partículas y agua

• No tiene: edad, estructura, cementación, anisotropía...

Su resistencia al corte no drenado es puramente función de la humedad

• Límite líquido: se aplican siempre los mismos 25 golpes, siempre falla igual

– Todos los suelos tienen la mismaresistencia al corte en el

• A una misma humedad, dos arcillas con muy distintos tienen resistencias al cortemuy distintas: se mide con

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Evidencia experimental

De la teoría de compresión edométrica:

Uniendo ambas fuentes

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Otras influencias en la resistencia al corteno drenado de arcillas amasadas

• Dirección de tensión de corte vs dirección de consolidación

– Efecto distinto que en deformación drenada

– Depende de relacióntensión-deformación

• Velocidad de carga (siempreno drenado, válvulas cerradas)

– Aumento de 10 veces de la velocidad de deformación:aumento de 10% de

– Efectos viscosos13

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Ejercicio

Calcule la resistencia al corte no drenada de una caolinita ( , )

• en compresión triaxial para

• en extensión triaxial para

• en deformación plana para

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Índice

• Resistencia al corte drenado

• Resistencia al corte no drenado

• Arcillas inalteradas

• Relación tensión-deformación

• Un ejercicio integrador

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Arcillas inalteradas:

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Cementación

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Sensitividad

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Índice

• Resistencia al corte drenado

• Resistencia al corte no drenado

• Arcillas inalteradas

• Relación tensión-deformación

• Un ejercicio integrador

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Correlación vs

La rigidez al corte no drenado de arcillas amasadas depende de

• Resistencia al corte

• Sobreconsolidación

.

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El modelo hiperbólico en función de su

resultado

experimental

hiperbola de

Kondner

iE

1

1

1

df

i df

R

E

d

df

u

1f21

Suelos cementados: Ensayo triaxial escalonado

En suelos cementados hay mucha dispersión de resultados

(A veces) es mejor hacer varias etapas sobre una misma muestra

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d

sE 1

0.95d dr

1

0

m

"In situ"

300 30%i uE q

"In situ"

Undisturbed sample

Representative sample

1s aE p 470

2.03

2.45

3.20

2 31 4 50

d

ap

3

3

3

2.0

1.0

0.5

a

a

a

p

p

p

580800

Etapa 1: Se avanza hasta que la línea es clara

Etapa 2: Se llega a rotura

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Suelos cementados: Ensayo triaxial escalonado

d - 1

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0% 5% 10% 15%1

d (k

g/c

m2 )

0

100

200

300

400

500

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

d (kg/cm2)

E s

ec

an

te (

kg

/cm

2 )

Trayectoria de tensiones en edómetro y triaxial

El edómetro y el triaxial someten al suelo a diferentes trayectorias de tensiones: para cada unase mide una rigidez diferente

En el espacio , , ,la curva de resistenciaintrínseca se escribe

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Trayectoria de tensiones en edómetro y triaxial

• En trayectorias a

• Compresión isotrópica ,

• Compresión edométrica,

• Oblicuidad del estado crítico,

Noten la superficie quese forma uniendo lascurvas de colores

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Trayectoria de tensiones en edómetro y triaxial: trayectoria de corte

• En trayectorias a

• Compresión isotrópica ,

• Compresión edométrica,

• Oblicuidad del estado crítico,

Noten la superficie quese forma uniendo lascurvas de colores

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Comportamiento integrado: resistencia y rigidez

mide la historia de tensiones y controla la rigidez

y la arcilla tiene mayor rigidez

y la arcilla tiene menor rigidez

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(Adaptado de Sfriso 2007)

Modelo de estado crítico para arcillas

• Se postula una única super-ficie de fluencia

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(Mitchell 1996)

Modelo de estado crítico para arcillas

• Se postula una única super-ficie de fluencia

• Comportamiento elástico

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(Mitchell 1996)

Modelo de estado crítico para arcillas

• Se postula una única super-ficie de fluencia

• Comportamiento elástico

alto: dilata, reduce

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(Mitchell 1996)

Modelo de estado crítico para arcillas

• Se postula una única super-ficie de fluencia

• Comportamiento elástico

alto: dilata, reduce

bajo: contrae, aumenta

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(Mitchell 1996)

Modelo de estado crítico para arcillas

• Comportamiento elástico

alto: dilata, reduce

: contrae mucho

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(Mitchell 1996)

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Índice

• Resistencia al corte drenado

• Resistencia al corte no drenado

• Arcillas inalteradas

• Relación tensión-deformación

• Un ejercicio integrador

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Ejercicio: construcción de tanque sobre relleno de arcilla

Etapas

• Construcción de terraplén compactado

• Construcción de tanque

• Llenado

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El silo Transcosna, 1913

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Ejercicio: construcción de tanque sobre relleno de arcilla

Construcción de terraplén compactado

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Limo cementado

Ejercicio: construcción de tanque sobre relleno de arcilla

Construcción y llenado de tanque (2.6m)

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Limo cementado

Ejercicio: construcción de tanque sobre relleno de arcilla

Llenado del tanque (4.0m)

Se puede llenar el tanque hasta su altura final porque la presión aplicada en la primera etapa (2.6m) redujo la relación de vacíos y con ello aumentó la resistencia al corte no drenado del terreno

(el cálculo real es más complejo, lo veremos más adelante)

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Limo cementado

Bibliografía

Básica

• Powrie. Soil Mechanics. 2da Ed. Spon Press

Complementaria

• Mitchell. Fundamentals of soil behavior. Wiley.

• Terzaghi, Peck, Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice. 3ra Ed. Wiley

• Fredlund y otros. Unsaturated Soil Mechanics in Engineering Practice. Wiley

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