Su pregunta es específica al cambio de presión con la profundidad en la tierra. Cuando esa tierra se compone de suelos, las presiones laterales y verticales se pueden calcular de varias maneras diferentes, dependiendo de si su suelo es arena o arcilla y si hay agua subterránea presente. Puede ser un asunto bastante complejo, como lo ilustra lo siguiente.
Relación de presión horizontal a vertical
En términos generales, en excavaciones, bajo condiciones de relleno y bajo cimientos, la presión horizontal y la presión vertical no se consideran equivalentes, y dependen de la interacción de la estructura del suelo, en términos de condiciones activas, pasivas y en reposo.
Las condiciones activas son donde la estructura se aleja del suelo (disminuyendo la presión sobre la estructura). Las condiciones pasivas ocurren cuando la estructura se mueve hacia el suelo (aumentando la presión sobre la estructura) y en reposo es donde el suelo ha alcanzado su estado natural. Puede imaginar que estas tres condiciones podrían observarse en una estructura de retención, ya que puede rotar o deformarse durante su vida útil.
Generalmente, la mayoría de las teorías proporcionarán coeficientes que pueden usarse para calcular la relación de presión horizontal a vertical en función del estado de la interacción suelo / estructura y las propiedades de los suelos. Algunos se basan en la relación de Poisson. Incluso he usado una relación de Poisson basada en la temperatura para realizar un análisis elástico de presiones horizontales y verticales en estructuras de pavimento bituminoso utilizando las ecuaciones de Boussinesq.
Estrés efectivo
Cuando el agua subterránea está presente, la presión se expresa en términos de esfuerzo efectivo , esa es la diferencia entre el estrés total y la presión de agua en los poros. Es difícil de entender, pero tiene que ver con la flotabilidad del suelo y otros factores.
Por ejemplo, considere un punto de interés a 10 m debajo de la superficie del suelo, y en arenas uniformes que tienen una densidad natural de 1300 kg / m3, el esfuerzo total a los 10 m de profundidad de interés sería de 130 kPa. Ahora considere que la superficie libre de la capa freática está a una profundidad constante de 2 my suponga que la densidad del agua es de 1000 kg / m3. La presión de poro a una profundidad de 10 m se basaría en una columna de agua de 8 m, de modo que la presión de poro sería de 80 kPa a la profundidad de interés. Así, el esfuerzo efectivo a 10 m se convierte en 130 kPa - 80 kPa = 50 kPa. Esta es una expresión muy simplificada, ya que puede haber muchos otros factores, por ejemplo, fluctuaciones en el nivel del agua, las llamadas condiciones de "arena movediza" y para retener estructuras tales como el drenaje, entre muchas otras consideraciones.
Arenas (suelos sin cohesión)
Para suelos arenosos (sin cohesión), a menudo se aplica la teoría de Rankine (elasticidad). Para esto, el ángulo de resistencia al corte del suelo (ángulo de fricción) y el ángulo de inclinación de la estructura de excavación / retención se vuelve crítico.
El ángulo de fricción del suelo arenoso se mide mejor en el laboratorio, pero también se considera más o menos equivalente al ángulo natural de reposo del material suelto y seco.
Arcillas (suelos sin fricción)
Para suelos con un elemento cohesivo, como arcillas y combinaciones de limo arcilloso, se aplica comúnmente la teoría de Coulombs (cuña) (plasticidad). Bajo este análisis, el suelo se imagina como una cuña (cuerpo libre) detrás de la estructura, y como la solución no está determinada, se prueba una variedad de posibles superficies de falla hasta que la solución converge en una presión máxima del suelo.
Suelos con fricción y cohesión
La teoría de Coluomb se puede usar en suelos que exhiben tanto fricción como cohesión. El método de Rankine no es adecuado para suelos cohesivos. Sin embargo, determinar la relación de tensión horizontal a vertical puede requerir un análisis más detallado.
A menudo, la relación puede establecerse determinando los estados de estrés representados por un círculo de Mohr . Estas propiedades a menudo se miden mediante pruebas de cizallamiento triaxales en las que se prueba una columna de suelo en el laboratorio bajo un rango de presiones de confinamiento. Esto puede establecer la resistencia cohesiva y el ángulo de fricción del material y la relación de tensión horizontal a vertical según la profundidad.
Teoría elástica general
Existen otros métodos teóricos que a menudo se utilizan para calcular las presiones horizontales y verticales debajo de un punto de una base. Comúnmente se aplican dos métodos: 1) Teoría de Westergaard y 2) Teoría de Boussinesq. La relación de presión horizontal a vertical en algún punto debajo de la superficie es en gran parte una función del valor estimado de la relación de Poisson .
La teoría de Westergaard es una teoría elástica aplicada a los medios en capas. Este es el caso en la mayoría de las condiciones que generalmente se encuentran en la práctica.
La teoría de Boussinesq es una teoría elástica aplicada a un medio espacio elástico homogéneo. Si bien esto puede no ser tan aplicable a todos los suelos, sí encuentra una aplicación frecuente bajo supuestos simplificadores.
Cierre
Esto es solo una muestra de las técnicas de análisis más comunes que se utilizan para evaluar las presiones de tierra en excavaciones, debajo de cimientos y detrás de estructuras de retención. Hay otros, por ejemplo, Análisis de espiral de registro para excavaciones arriostradas, que se usa con frecuencia. Si bien las teorías pueden ser complejas, cuando se considera la gran dificultad para establecer la verdadera composición de las condiciones del suelo subsuperficial (es decir, la existencia de capas, grosores de capa y la variabilidad de las propiedades de los suelos), queda claro que el análisis de presión / estrés requiere una gran experiencia y habilidad.
