Analisis de Asentamientos

ASIGNATURA: MECANICA DE SUELOS CITEC / PROF. ING. MARCO ANTONIO BERUMEN RODRIGUEZ

2.- Análisis de asentamientos La consolidación es el proceso de asentamiento de los suelos, cuando están saturados y sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros . Se denomina consolidación de un suelo a un proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalme generalmente nte largo. largo. Producen Producen asientos, asientos, es decir, decir, undimient undimientos os verticale verticaless , en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud. El ensayo de consolidación es un ensayo bastante complicado debido a que tiene un compleo procedimiento, en el cual debemos ver cómo va variando el volumen del suelo al aplicar la carga, con una duración de ! semanas apro"imadamente. Este ensayo esta estandari#ado por la norma norteamericana $S%& '!*+. -S-L/'$/-0 uando un suelo saturado, se encuentra sometido a una presión permanente, por eemplo, la proporcionada por el peso del suelo suprayacente o a la carga de una cimentación, su volumen disminuirá. $l ser consideradas incompresibles, tanto las part1culas solidas como el agua e"istente en los poros, la disminución de volumen solo puede ocurrir si el agua es e"pulsada de los poros, reduci2ndose, asi, el tama3o de estos y posibilitando que las part1culas solidas se apro"imen entre si. Este proceso se denomina consolidación. El descenso vertical producido por el cambio de volumen se denomina asentamiento. La cuant1a de la consolidación producida por un aumento unitario de la presión depende de una propiedad del suelo denominada compresibilidad. compresibilidad. La velocidad con que se ira produciendo el asentamiento, dependerá de la facilidad con que el agua salga del suelo y por tanto, se relaciona con la permeabilidad del mismo. $mbos factores se combinan en un factor compuesto, denominado coeficiente de consolidación del suelo.

!onsolidación primaria o unidimensional Este m2todo asume que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio utili#ados han permitido construir una interpolación entre la deformación o el 1ndice de vacios y la tensión efectiva en una escala logar1tmica. La pendiente de la interpolación es el 1ndice de compresión. La ecuación para el asiento de consolidación de un suelo normalmente consolidado puede ser determinada entonces como0 1 UNIDAD 2


donde: δc es e !s"en#o de$"do ! ! conso"d!c"%n. Cc es e &nd"ce de co'()es"%n. e* es e &nd"ce de +!c"os "n"c"!. , es ! !#-)! de s-eo conso"d!$e. 0 es ! #ens"%n +e)#"c! n!. * es ! #ens"%n +e)#"c! "n"c"!.

c puede ser reempla#ada por  r (1ndice de recompresión) para usar en suelos sobreconsolidados donde la tensión final efectiva es menor que la tensión de preconsolidación, o lo que es lo mismo, para suelos que hubieran sido consolidados con más intensidad en el pasado. uando la tensión final efectiva sea mayor que la tensión de preconsolidación, las dos ecuaciones deben ser usadas en combinación de un modelo conunto como sigue0

donde c es ! #ens"%n de ()econso"d!c"%n de s-eo.

Son muchas las causas que producen los asentamientos de las estructuras, entre los principales están la consolidación y la distorsión del subsuelo, directamente relacionadas con la carga que se trasmite al mismo.

A un proceso de disminución del volumen que tenga lugar en un lapso determinado, provocado por el aumento de las cargas sobre el suelo, se le llama proceso de consolidación. 4recuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación, la posición relativa de las part1culas solidas sobre un mismo plano hori#ontal permanece esencialmente la misma, as1, el movimiento de las part1culas de suelo ocurre solo en dirección vertical. Esta es la consolidación unidireccional o unidimensional. 2 UNIDAD 2


$ continuación se presenta un resumen de las formulas de la teor1a de la teor1a de la consolidación que se usan con frecuencia para el cálculo de asentamiento.

oeficiente de permeabilidad0

4ormulas para calcular el asentamiento por consolidación de un estrato de espesor 50

4órmula para calcular el asentamiento por consolidación en el tramo virgen de la curva de consolidación0

 UNIDAD 2


!onsolidación secundaria La consolidación secundaria tiene lugar despu2s de la consolidación primaria a consecuencia de procesos más compleos que el simple fluo de agua como pueden ser la reptación, la viscosidad, la materia orgánica, la fluencia o el agua unida mediante enlace qu1mico algunas arcillas. En arenas el asiento secundario es imperceptible pero puede llegar a ser muy importante para otros materiales como la turba. La consolidación secundaria se puede apro"imar mediante la siguiente fórmula0

Donde ,* es ! !#-)! de conso"d!c"%n 'ed"! e* es e &nd"ce "n"c"! de +!c"os C! es e &nd"ce sec-nd!)"o de co'()es"%n

3 UNIDAD 2


"i#erencia entre consolidación y compactación $a consolidación es un proceso acoplado de #lujo y de#ormación producida en suelos totalmente saturados . 6or lo tanto, no es posible hablar de consolidación en terrenos en los que el grado de saturación es inferior a 7 ya que en ese caso hablamos de compactación. $ ra1# de esto, hablamos de compactación cuando el terreno no esta totalmente saturado y act8an fuer#as sobre el terreno tales como la succión capilar del agua intersticial. En estos casos y en otros similares, las caracter1sticas de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cualitativamente, con apro"imación ra#onable, reali#ando pruebas como un ensayo edom2trico o ensayos tria"iales sobre espec1menes representativos del suelo, e"tra1dos en forma inalterada. Se puede as1 calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables a las cargas aplicadas as1 como el tiempo de consolidación. $l predecir el asentamiento por consolidación y su rapide# en condiciones de campo reales, el ingeniero tiene que hacer varias suposiciones simplificatorias. 9stas se refieren al %ndice de compresión, al coe#iciente de consolidación, a la presión de preconsolidación, a las condiciones de drenaje y al espesor del estrato de arcilla . La estratificación del suelo no es siempre uniforme y con propiedades ideales: por consiguiente, el comportamiento en el campo se desv1a de lo predicho, requiri2ndose entonces austes durante la construcción. En t2rminos de /ngenier1a, el asentamiento se define como el movimiento vertical o di#erencial de una estructura que puede resultar en #allas sobre esta. El tipo de falla puede ser simplemente arquitectónico, 4uncional (de serviciabilidad), o da3o estructural. 4 UNIDAD 2


$lgunas de las causas más comunes de asentamiento son la consolidación de suelos de baa densidad o intemperi#ados, asentamiento de rellenos profundos, y el desarrollo de cavidades o tubificacion. Las cimentaciones tambi2n pueden e"perimentar asentamientos por desastres naturales como terremotos o por inundaciones. 5ay otros factores que influyen en el asentamiento tolerable en estructuras, por eemplo, el asentamiento diferencial y total dependen tambi2n de la fle"ibilidad y compleidad de la estructura, incluyendo tipo de material y tipo de cone"iones o untas. $ este aspecto hay un te"to de %er#aghi (7;*<) que dice0 =El asentamiento diferencial debe ser considerado inevitable para cada cimentación, a menos que la cimentación este soportada por roca sólida. El efecto del asentamiento diferencial en la construcción dependen en gran medida del tipo de construcción.> La distorsión angular ?@L esta definida como el asentamiento diferencial entre dos puntos divididos por la distancia entre ellos. 'e acuerdo a estudios comparativos (SAempton and &ac'onald, 7;B<), cuando se tiene una distorsión angular de más de 7@*CC se observan da3os funcionales y cuando e"cede de 7@7+C se pueden anticipar da3os estructurales. El criterio de la distorsión angular de 7@7+C y 7@*CC son derivadas de observaciones en varios edificios, por lo que este criterio solo tiene la intención de ser una gu1a, y no sustituye las evidencias visuales y f1sicas de un caso en particular. Las cimentaciones suetas a asentamiento son usualmente afectadas por la combinación de movimiento vertical y hori#ontal. 6or eemplo una causa com8n de la afectación de la cimentación es por asentamiento del relleno. Dn asentamiento en el relleno causa ambos despla#amientos (verticales y hori#ontales). En estos casos el movimiento lateral es un resultado secundario del movimiento vertical primario debido al asentamiento de la cimentación. Dn relleno profundo ha sido definido como aquel relleno que tiene un espesor mayor de B metros (!C pies) (reenfield and Shen, 7;;!). 'espu2s del t2rmino de la masa de relleno, el agua se puede infiltrar hacia el subsuelo debido a infiltración, lluvias intensas, o fugas en tuber1as. Esta situación puede causar idrocompresion en cierto espesor del relleno debido a aumentos en la humedad del relleno. Estos incrementos de humedad tambi2n pueden atribuirse a la alteración de las superficies de drenae superficial que permitan al agua de lluvia acumularse o encharcarse cerca de la cimentación. 5ay varias posibles causas por las que la compactación relativa de un relleno puede cambiar con el tiempo, por eemplo0 6uede haber compresión del relleno causado por el peso propio del relleno y de las estructuras sobre el, puede haber asentamiento tambi2n por vibraciones o actividad s1smica que afectan a rellenos granulares. 5 UNIDAD 2


&'*A '$+&!A. La teor1a elástica permite resolver muchos problemas de deformación bao muy diversas condiciones del medio elástico siempre y cuando se hagan respecto a ese medio, hipótesis de comportamiento de tipo simplificatorio. En primer lugar ha de mencionarse el hecho de que por ser los suelos no homog2neos y anisótropos, se apartan decisivamente de las hipótesis usualmente atribuidas al medio elástico. El hecho más importante estriba en que los suelos no son elásticos menos aun linealmente elásticos. 6or otra parte, la relación de 6oisson es muy dif1cil de medir en la práctica, aparte de que varia con gran cantidad de factores. Sin embargo en muchos casos prácticos las distribuciones de esfuer#os que se obtienen mediante la aplicación de la teor1a elástica, han resultado satisfactorias. Es frecuente en la practica emplear la hipótesis simplista que considera que la trasmisión de las presiones causadas por una #apata se distribuye uniformemente seg8n un ángulo F, usualmente de *CG. (Her figura del ap2ndice I//). En este caso se usa la formula0

E #e)'"no Cs 6-e !(!)ece en ! 0o)'-! se o$#"ene de !(7nd"ce 8II.

Asentamiento elástico Asentamiento elástico basado en la teor%a de la elasticidad 9 UNIDAD 2


El asentamiento elástico de una cimentación superficial se estima usando la teor1a de la elasticidad y aplicando la ley de 5ooAe.

%eóricamente, si la cimentación es perfectamente fle"ible, el asentamiento puede e"presarse como0

 UNIDAD 2


Asen#!'"en#o e;s#"co de c"'en#!c"ones )&?"d!s

@ UNIDAD 2


P!)! c!c-!) e !sen#!'"en#o en e cen#)o de ! c"'en#!c"%n -s!'os:

P!)! c!c-!) e !sen#!'"en#o en -n! es6-"n! de ! c"'en#!c"%n:

C-!ndo D0* e +!o) de I01

E Asen#!'"en#o e;s#"co de -n! c"'en#!c"%n )"?"d! (-ede es#"'!)se con:

1* UNIDAD 2


11 UNIDAD 2


'ebido a la naturale#a no homog2nea de los depósitos de suelo, la magnitud de E, puede variar con la profundidad. 6or esta ra#ón, JoKles (7;<) recomienda usar un promedio ponderado de E.

12 UNIDAD 2


*ndice de compresión !c

1 UNIDAD 2


9ste describe la variación del 1ndice de vac1o como una función de la variación de la tensión efectiva σ ef representada en la escala logar1tmica0

Índice de vacío e versus tensión efectiva σ ef 6or lo tanto, representa una de las caracter1sticas de deformación del suelo sobreconsolidado0

'onde0 Me  Hariación del 1ndice de vac1o Mlogσ ef  Hariación de la tensión efectiva Range of compression index c (Naval Facilities Engineering Command Soil Mechanics

DESIN M!N"!# $%&') Dn rango t1pico de 1ndice de compresión es de &*' to '&. 6ara arcillas ligeramente sobreconsolidadas y limos controlados el DS$ Louisiana Naufmann and Shermann (7;B) se presentan los siguientes valores0

13 UNIDAD 2


6rof. Ouan &.6estanaascimento (Dniversity of alifornia, JerAeley) ofrece los siguientes valores t1picos de 1ndice de compresión c0

$demás, está disponible la e"presión emp1rica para determinar apro"imadamente el valor de c (1ndice de compresión) para limos, arcillas y suelos orgánicos: su aplicación sin embargo, es más o menos local0

14 UNIDAD 2


PL o LL 0 Limite liquido Dn valor que se emplea bastante en el cálculo de asentamientos de estructuras para suelos normalmente consolidados es el siguiente, dado por %er#aghi y 6ecA, llamado Qndice de compresión0 C c R C.CC; (L. L.7C) La compresibilidad de los suelos puede e"presarse as10 Jaa  C c de C.C a C.7; &edia  C c de C.! a C.*; $lta  C c de C. o más El valor de C c puede determinarse, seg8n autores, por0 C c R C.7+B e& T C.C7C, para todas las arcillas C c R C.*C (e& U C.!), para arcillas inorgánicas, arcillas limosas y limos, seg8n 5ough. C c R C.+ (e& U C.+), para los suelos de baa plasticidad. 15 UNIDAD 2


P'!$"A! Dn suelo preconsolidado y sobreconsolidado es lo mismo. Dn suelo sobreconsolidado es aqu2l en el que la tensión a la que está sometido es inferior a la 19 UNIDAD 2


má"ima histórica (por eemplo un suelo en el que ha producido un proceso erosivo que lo ha descargado). Dn suelo normalmente consolidado es aqu2l cuya tensión actual (debida generalmente al peso propio) es la má"ima que ha soportado en toda su VhistoriaV (por eemplo, un suelo de marisma recientemente depositado). El concepto es importante porque el comportamiento del suelo no es igual en carga o en recarga (a diferencia de un material elástico). 6or esa ra#ón, en general los suelos normalmente consolidados son más de#ormables que los sobreconsolidados. Dn suelo se dice que es normalmente consolidado cuando durante su pasado geológico nunca fue sometido a presiones efectivas superiores a la que actualmente e"perimenta. Wueda definido por oposición, cuándo un suelo es +reconsolidado. Dno de los m2todos posibles para definir el estado inicial de consolidación o lo que es lo mismo, si un suelo está preconsolidado o no. Esto es, mediante el cálculo del -X (over consolidation ratio) de la YZvc ( +resión de +reconsolidación). Se define -X como la relación entre la presión vertical má"ima a la que fue sometido el suelo y la presión actual. [ YZvc a la presión má"ima bao la que ha estado sometida la muestra.

i .!.. / 0 será suelo sobre consolidado, y si .!.. 1 0 sera suelo normalmente consolidado (si es mayor de  es muy sobre consolidado) El grado de consolidación es un valor que tambi2n depende de la profundidad: en ciertos suelos, en profundidades someras, el -..X. puede ser de + ó <, y a gran profundidad tiende a valer 7. Dn estrato de suelo puede quedar preconsolidado debido a diferentes causas entre las cuales se pueden nombrar0 la erosión y el deshielo que disminuyen el peso sobre el estrato, y la desecación y descenso de la napa freática que generan altas presiones efectivas. Es posible que para un suelo cementado, la curva de compresibilidad obtenida de un ensayo de consolidación muestre una presión de preconsolidación aparente (Jerrum 7;B). 1 UNIDAD 2


Los yacimientos que se encuentran en un estado tal que la 8nica carga de consolidación que ha actuado durante su historia es la actual geo estática, y que es la má"ima soportada hasta ahora, se dice que son normalmente consolidados. Los yacimientos que han sido sometidos a uno o varios ciclos de descarga, se dice que son preconsolidados: en ellos, la carga actual no es la má"ima tensión a la que han estado sometidos en su historia. $rcillas0 En arcillas que nunca han estado sometidas a mayores presiones que las que están soportando en este momento, que son debidas a las capas de suelo que están sobre ellas, en esas arcillas, ( normalmente consolidadas), la e3periencia indica que el contenido de umedad natural (4), se encuentra com5nmente cerca del limite liquido (6$ o $.$.) . Si la humedad (K) es mucho menor que el limite liquido (PL o L.L.), la sensibilidad de la arcilla es e"cepcionalmente baa. Si la humedad (K) es mucho mayor que el limite liquido (PL o L.L.), la arcilla será de alta sensibilidad. Sensibilidad0 Es el efecto que produce el amasado sobre la consistencia de la arcilla. El grado de sensibilidad es distinto para distintas arcillas, e incluso en unas mismas arcillas puede ser distinto para distintos grados de humedad. Se mide por la relación entre la resistencia a la compresión simple de la arcilla inalterada con la resistencia a la compresión simple de la arcilla amasada, o sea0

1@ UNIDAD 2

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