Resistencia al corte de los suelos (2): principio de las presiones efectivas

3: Resistencia al corte de los suelos

3.2: Principio de las presiones efectivas

A pesar de la verosimilitud que envuelve la ley de empujes de Coulomb, y de los muchos casos que permitieron comprobar la corrección del enunciado de la misma en el momento de ser postulada, la realidad parecía empeñarse en mostrar excepciones en las cuales la falla de una estructura de contención no podía ser explicada en razón exclusiva de la influencia de la cohesión y del rozamiento interno del material.

No obstante, en tales ocasiones debió de parecer claro que el agua intervenía en el caso. Los muros solicitados por terrenos secos o ligeramente húmedos no ofrecían problemas. Sin embargo, los suelos saturados podían provocar la ruina de las estructuras, asemejando así que el terreno perdía gran parte de su capacidad resistente a partir de una humedad determinada. De sobras es conocido que las condiciones que se dan en el trasdós de un muro de contención son proclives a favorecer la saturación de los suelos presentes, especialmente si se trata de tierras vertidas y el muro no cuenta con un drenaje adecuado.

A buen seguro durante siglos antes de los planteamientos de Coulomb, y en los decenios que los siguieron, se elucubró sobre el posible papel del agua como «lubricante» en el seno del suelo (una analogía que aún hoy día se mantiene en parte del subconsciente técnico), pero ninguna aproximación teórica demostró tal hipótesis.

No fue hasta más de 150 años después de enunciada la ley de empujes cuando Karl Terzaghi, considerado el padre de la mecánica de suelos moderna, planteó la teoría de la ley de las tensiones efectivas, resolviendo la situación.

Recordemos que los suelos constituyen un sistema trifásico formado por partículas sólidas, agua y aire, y que estas dos últimas fases se encuentran en proporción variable en los poros del material.

Supongamos un caso en el cual el suelo se encuentre saturado, y en el cual el agua que se encuentra en sus poros no drena de forma inmediata si se genera un gradiente en el seno del suelo.

En tal caso, la aplicación de una carga total (N) en el sistema, se repartirá entre la carga que soportan los contactos entre los granos (N_i), y el incremento de la presión intersticial del agua (u).

Si establecemos un plano «S» que corte por el contacto entre las dos partículas del suelo saturado (véase figura) e igualamos la fuerza total (N) que actúa sobre «S» con la presión intersticial (u) y la presión intergranular normal (N_i), podemos establecer que

N = u (S-s) + N_i

Fuente: Terzaghi & Pekc (1948): Soil mechanics in Engineering Practice.

 Dividiendo las fuerzas presentes por el área S (para operar en término de presiones) y operando, se obtiene:

σ = N / S 

σ_i = N_i / s

 y por lo tanto:

siendo:

σ_i = N_i / s   la presión intergranular

σ = N / S   la presión total

Con los suelos y presiones normalmente considerados en casos prácticos, la razón s/S suele ser muy pequeña, con lo cual y a efectos prácticos, la expresión se reduce a:

σ_i = σ – u

En tales circunstancias (si s/S = 0) Terzaghi postuló que σ_i es la presión de la que depende la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, es decir, que la presión intergranular es la «presión efectiva» (σ’). Substituyendo σ_i por σ’ en la expresión, obtenemos la «Ley de Terzaghi» o principio de la presión efectiva, tal vez la ley fundacional de la Mecánica del Suelo moderna:

σ’ = σ – u

En la expresión anterior σ’ representa la tensión o presión efectiva, σ la tensión o presión total y u la presión del agua o tensión intersticial. Aplicando este paradigma a la ecuación de Coulomb, consideramos:

τ = c + σ’ tg φ

Es decir, que el valor de la resistencia al corte depende, en lo que a la fuerza de rozamiento se refiere, del valor de la tensión efectiva normal al plano de corte, igual a la diferencia entre la presión normal total y la presión intersticial.

Por lo tanto, un aumento de la presión intersticial reduce la componente de fricción, que llegaría a anularse si la presión intersticial compensase el valor de la presión normal. En caso de un suelo granular (arenas) sin cohesión alguna, la resistencia del suelo resultaría nula, con efectos poco deseables.

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