Hinchazón del suelo y relaciones masa / volumen

Dado el contenido de humedad, la gravedad específica de los sólidos, el volumen inicial y el peso. Me piden que calcule el peso unitario húmedo, el peso unitario seco y el grado de saturación de este suelo compactado. Esto ya está hecho. Esta muestra de suelo compactada se sumergió en agua. Después de 2 semanas, se descubrió que la muestra se había hinchado y su volumen total había aumentado en un 5%. Luego me piden que calcule el nuevo peso unitario y el contenido de humedad de la muestra de suelo después de 2 semanas de inmersión en agua.

Se sabe que el contenido de humedad y el volumen total cambian, pero ¿qué propiedades permanecen constantes durante la inmersión? ¿Se puede tomar S (r) como 1?

La información dada que describe una muestra de suelo compactada es la siguiente:

• contenido de humedad inicial,$\omega_{init}$
• gravedad específica,$G_s$
• volumen inicial,$V_{init}$
• peso inicial,$W_{init}$

Para completar: la siguiente información ya ha sido determinada:

• peso unitario húmedo, utilizando la relación$\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• peso unitario seco, usando la relación$\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• saturación, usando la relación$S$$S=\frac{V_{water}}{V_{voids}}=\frac{V_{water}}{V_{init}-V_{solids}}=\frac{\frac{W_{init}\omega_{init}}{\gamma_w}}{V_{init}-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w}}$

(donde es la unidad de peso del agua)$\gamma_w$

Problema

El problema es determinar el peso unitario y el contenido de humedad después de que la muestra de suelo se haya sumergido y se haya permitido que se hinche un 5%.

El detalle clave para este problema es:

Esta muestra de suelo compactada se sumergió en agua ... Después de dos semanas ...

Se puede / debe suponerse que una muestra de suelo que ha estado sumergida en agua durante dos semanas ** se ha saturado ( ); es decir, todo el aire en los espacios vacíos ha escapado, y el espacio vacío ahora está 100% lleno de agua.$S=100\%$

La lista de propiedades de muestra de suelo que se puede suponer que permanece constante después de la inmersión es bastante corta:

• Gravedad específica,$G_s$
• Peso de sólidos,$W_s$

Todas las demás propiedades, como la saturación, el peso unitario, el peso unitario seco, el contenido de humedad / agua, la relación de huecos, etc. dependen del volumen de huecos y la cantidad de agua en el suelo. Tanto la cantidad de agua (estaba sumergida) como el volumen (se ha hinchado) han cambiado, por lo que TODAS estas propiedades también cambiarán.

Una vez que todo esto ha sido reconocido, la porción restante del problema es trivial:

• Nuevo peso de la unidad húmeda:$\gamma_{new}=\gamma_{sat-new}=\frac{W_s+W_{w-new}}{V_{new}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{V_{vew}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{V_{init}(1+5\%)}$
• Nuevo contenido de humedad:$\omega_{new}=\frac{W_{w-new}}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{init}(1+5\%)-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{\gamma_{d-init}V_{init}}$

Mecanismo del comportamiento de hinchamiento del suelo

La ecuación de esfuerzo efectiva simplificada es la siguiente:

$\sigma^{\prime}=\sigma-u$

Donde es el estrés efectivo, es el estrés total y es la presión del agua de los poros.$\sigma^{\prime}$$\sigma$$u$

La ecuación anterior asume una condición estática. Sin embargo, cuando la ecuación de tensión efectiva simplificada está desequilibrada, ocurre una condición dinámica y el suelo debe consolidarse (es decir, "encogerse") o hincharse. La hinchazón del suelo ocurre cuando los dos lados de la ecuación de tensión efectiva simplificada no están equilibrados y:

1. Hay una presión positiva de poro dentro del espacio vacío del suelo, y
2. La tensión efectiva dentro de la matriz del suelo es mayor que la tensión total aplicada externamente menos la presión de poro del agua.

Dicho de otra manera: cuando se compacta un suelo, se aplica una cierta cantidad de estrés total . Una vez que se ha logrado el equilibrio, este estrés total se asocia con alguna combinación de estrés efectivo y presión de agua en los poros . Si el estrés total cambia, la combinación previa de estrés efectivo y presión de poro del agua dentro de la matriz del suelo permanece inicialmente, pero el desequilibrio que esto causa debe disiparse con el tiempo. Para que el desequilibrio se disipe, los huecos deben aumentar de volumen (hinchazón) o disminuir de volumen (consolidación), según la naturaleza del desequilibrio.

En este caso, el estrés total se ha eliminado / reducido. La presión del agua de los poros está "empujando" contra las "paredes" de los poros de la matriz del suelo (como siempre ocurre cuando , incluso cuando la ecuación de tensión efectiva simplificada está equilibrada). Debido a la reducción del estrés total , se aplica demasiado estrés interno (es decir, estrés efectivo ), y debe aliviarse con una disminución de la * presión de agua de los poros * (es decir, un aumento en el volumen). O dicho de otra manera, la tensión total aplicada no es suficiente para evitar que los poros se expandan debido a la presión de los poros internos . Por lo tanto, el suelo se hinchará hasta que se resuelva esta condición desequilibrada.$u>0$

** Las razones de esta suposición son algo complicadas, y la suposición puede no ser siempre precisa. Sin embargo, en general, la suposición más conservadora para la mayoría de los problemas de mecánica / geotecnia del suelo es que el suelo esté saturado. Por lo tanto, si hay razones para creer que el suelo puede estar saturado, incluso si hay incertidumbre, casi siempre asumimos que el suelo está de hecho saturado.

Mire el diagrama típico del suelo que muestra suelo / agua / aire:

Simple

Pensando de manera simplista al respecto, los elementos que podrían cambiar:

• La masa del suelo no puede cambiar. No se agregó tierra. Sería bueno suponer que tampoco ocurrieron reacciones químicas importantes.
• La masa de agua puede cambiar. Estaba sentado en el agua.
• El aire no puede aumentar si la muestra se sumergió. Una vez más, ignore cualquier reacción química importante que pueda crear gas.
• La masa y el volumen tienen una relación bien definida para cada sustancia.

A partir de estos elementos, la única forma en que podría aumentar el volumen sería si aumentara el volumen de agua. Esto significaría un aumento en el volumen de huecos.

Esa es la manera simple (tal vez ingenua) de pensarlo.

Aquí también es donde entran en juego los límites de Atterberg . Definen el contenido de agua donde cambian las propiedades físicas del suelo.

Complicado

La forma más complicada de pensar sobre el sistema sería considerar los cambios químicos en el suelo. Sin ser demasiado específico en los elementos que no estoy calificado para explicar, es posible que se produzcan reacciones químicas que causen que el volumen del suelo aumente por sí solo. Piense en cómo el óxido es una reacción química que efectivamente hace que el acero aumente de volumen. Esto también cambiaría la masa.

La inclusión de reacciones químicas en la mezcla crea preguntas como:

• ¿Tiene algún sentido comparar las propiedades de este nuevo compuesto del suelo con el antiguo compuesto del suelo?
• ¿La reacción es reversible? Por ejemplo, ¿secar la muestra hace que todo vuelva a las masas y volúmenes originales?

Sin más restricciones sobre lo que estamos trabajando, es difícil dar una respuesta definitiva.