CONSOLIDACION DE SUELOS
DEFINICION DE CONSOLIDACIÓN
La consolidación es un proceso que se produce en los suelos y consiste en la reducción del volumen total del suelo provocado por la colocación de una carga o el drenaje del terreno.
PROCESO DE CONSOLIDACION: Cuando el suelo se somete a una sobrecarga, los esfuerzos totales se incrementan en esa misma cuantía. En suelos saturados, esto conduce al incremento de la presión de poros; pero dado que el agua no resiste esfuerzos cortantes, sin que se modifique el nuevo esfuerzo total, el exceso de presión intersticial se disipa a una velocidad controlada por la permeabilidad k del suelo, con lo que el esfuerzo efectivo se va incrementando a medida que el agua fluye.
PROCESO DE CONSOLIDACION:
> Δμ
> Δμ
Flujo de agua
<Δμ
Δσ
PROCESO DE CONSOLIDACION:
CONSECUENCIAS DE LA CONSOLIDACIÓN
– Incremento en el esfuerzo efectivo – Reducción en el volumen de vacios – Reducción en el volumen total – Asentamientos en el terreno – Asentamientos en la estructura
PERMEABILIDAD Y CONSOLIDACIÓN • SUELOS ARENOSOS K alta … el asentamiento ocurre rápidamente, generalmente al final de la construcción. • SUELOS ARCILLOSOS K baja … el asentamiento ocurre lentamente, estructura sique asentándose durante anos después de la construcción.
TIPOS DE SUELOS ARENAS • Métodos o teorías de elasticidad.
ARCILLAS (teoría de Terzaghi) • ASENTAMIENTO TOTAL • VELOCIDAD DE ASENTAMIENTOS
Velocidad de Asentamiento Tiempo en que se desarrolla asentamiento • Depende de: – Carga externa (q) – Conductividad hidráulica (k)
Seco: asentamiento instantáneo
Arenas
No saturado
Saturado
k alto: asentamiento instantáneo
Velocidad de Asentamiento Seco: asentamiento instantáneo
Arcillas
No saturado Saturado
k bajo: asentamiento diferido en tiempo (Consolidación)
• Asentamiento instantáneo: Controlable en tiempo de obra • Asentamiento diferido: Debe preverse en etapa de proyecto para evitar falla de obra
CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE SUELOS • Consolidación involucra 3 dimensiones
Análisis muy complejo
• Consolidación unidimensional = en 1 dimensión
Se lleva por correcciones a la consolidación en 3 dimensiones
• Casos importantes de consolidación:
– – – –
Torre de Pisa Ciudad de México Bogotá Uruguay: Terraplén de acceso al Puente del Río Santa Lucía, Ampliación de Pista de Aeropuerto de Carrasco, etc.
APLICACIÓN DE CARGAS EN LOS SUELOS ASENTAMIENTOS A. Uniforme B. Inclinación sin deformación
c. Deformación
ASENTAMIENTOS
S total = S elástico + S compresibilidad + S secundarios
S elástico ( elásticos, distorsión) δd = refleja el desplazamiento lateral del suelo debajo de la zapata. Por lo general son pequeños y se pueden controlar en obra.
S compresibilidad ( consolidación primaria) δc = asentamiento a largo plazo , refleja el cambio de volumen en el suelo como resultado de cambios en el esfuerzo efectivo del suelo. Son altos y pueden causar fisuramiento en construcciones si no se controlan. Se da en suelos finos saturados. S compresión secundaria ( consolidación secundaria) δs = asentamiento a largo plazo , refleja la reducción de volumen en el suelo ante un esfuerzo efectivo constante y es el resultado de la descomposición de la materia orgánica , y procesos de reacomodación interna de las partículas por cambios físicos y químicos del suelo.
ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN • TEORIA (Terzaghi) • LABORATORIO (ensayo de consolidación)
TEORIA - ANALOGIA MECANICA DE TERZAGHI
Cuando un suelo parcial o totalmente saturado se carga , en un comienzo el agua existente en los poros absorberá parte de dicha carga puesto que esta es incompresible, pero con el transcurso del tiempo, escurrirá y el suelo irá absorbiendo esa carga paulatinamente. Este proceso de transferencia de carga , origina cambios de volumen en la masa de suelo , iguales al volumen de agua drenada.
Grado de Consolidación medio en función del Factor de Tiempo
U 60%
T
U 60%
T
U2
4 0,9332 log 10 1 U
0,085
• LABORATORIO (ensayo de consolidación) (Norma ASTM D2435)
Pistón de carga q
Comparador
Piedra porosa Extensómetr o
Recipiente anular
Anillo rígido Muestra
Piedra porosa
RESULTADOS DEL ENSAYO
• GRAFICAS • COEFICIENTES
Deformación
RESULTADOS DEL ENSAYO Grafica deformación Vs tiempo (log)
Consolidación Primaria
Consolidación Secundaria
Fases de consolidación Consolidación instantánea: reducción de vacios por eliminación de aire.
Primaria: reducción de volumen por la expulsión del agua. Fenómeno en el que se transfiere la carga soportada por el agua al esqueleto mineral, esta es la consolidación propiamente dicha. Secundaria: cuando la consolidación se da por reajuste del esqueleto mineral y luego de que la carga está casi toda soportada por este y no por el agua.
RESULTADOS DEL ENSAYO Grafica deformación unitaria Vs tiempo (log)
Tramo de Recarga
Tramo Virgen
Tramo de descarga
RESULTADOS DEL ENSAYO Grafica de relación de vacios Vs esfuerzo efectivo (log)
RESULTADOS DEL ENSAYO Grafica de relación de vacios Vs esfuerzo efectivo (log) a) Coeficiente compresibilidad, (av) Pendiente de la curva e Vs σ (escala aritmética)
b) Coeficiente de compresibilidad volumétrico o modulo edometrico (mv). c) Índice de compresibilidad o de compresión (Cc), expresa la compresibilidad de una muestra. d) El coeficiente de consolidación (cv), que indica el grado de asentamiento del suelo bajo un cierto incremento de carga y vinculado a la velocidad del mismo.
COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD (av ): • Pendiente de recta tangente a Curva de Compresibilidad
e
av Δe
Δσ σ, esfuerzo efectivo (escala aritmética)
• Generalmente se calcula por carga
e '
COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD VOLUMETRICO O MODULO EDOMETRICO (mv ):
Por carga
mv
av 1 eo
Antes de sufrir el proceso de consolidación para un incremento de carga dado
Su pendiente variable indica una compresibilidad que cambia con el esfuerzo
INDICE DE COMPRESION (CC ) CC
Cc
einicial e final log
' final ' inicial
donde: ei = relación de vacíos para un estado. Pi = presión transmitida al suelo para un estado.
Coeficiente de Consolidación (Cv ) • Expresa velocidad de consolidación. • Cv no es constante durante consolidación y depende de sobrecarga y conductividad hidráulica del suelo. donde: T = es el factor tiempo, cuyo valor es 0,197 para un tiempo de consolidación del 50 %, y 0,848 para un t=90%. H = longitud para el máximo camino de drenaje durante un incremento de carga dado. Si la muestra es doblemente drenada, el valor de H será la mitad de la altura de la misma. t = tiempo para el correspondiente factor de tiempo, obtenido de la curva de consolidación.
T, tiempo teórico
H, altura efectiva
t, experimental
Coeficiente de Permeabilidad (kv )
kv
cv * w * mv
ASENTAMIENTOS SECUNDARIOS El final de la consolidación primaria ocurre después de la disipación del exceso de presión de poros.
CARGA DE PRECONSOLIDACION Presión de preconsolidación Es la presión que representa la máxima que el suelo ha soportado en su historia geológica, antes de la ejecución de una prueba.
Carga de Pre-consolidación Máximo esfuerzo histórico soportado por el suelo
Causas de la Sobre-consolidación o pre -consolidación
• Procesos de erosión • Zonas que han sufrido avance y retroceso de glaciaciones • Procesos de desecación y humedecimiento • Fluctuación de nivel freático • Antiguos terraplenes – cambios en morfología del suelo
Historia de esfuerzos de las arcillas Comportamiento
- ε depende de historia de tensiones
• Arcilla Normalmente Consolidada: Aquélla que nunca estuvo sometida a esfuerzos mayores a las actualmente existentes • Arcilla Sobreconsolidada: Aquélla que alguna vez estuvo sometida a esfuerzos mayores a las actualmente existentes • Presion de Sobreconsolidación ( ’p ): Máximo esfuerzo a que ha estado sometido el suelo en su historia
•CARGA DE PRECONSOLIDACION (Pc)
a) Se traza una tangente por el punto de mayor curvatura de la curva. b) Por ese punto de tangencia se traza una línea horizontal. c) Se traza la bisectriz del ángulo formado por la tangente y la línea horizontal. d) Se prolonga la recta virgen hasta interceptar la bisectriz. e) En el punto de intercepción del tramo recto y la bisectriz se traza una vertical que permite leer en el eje de las abscisas el valor de la carga de preconsolidación.
RAZÓN DE SOBRECONSOLIDACIÓN (OCR)
OCR
' p ' o
OCR = 1 o cerca, el suelo es NC. OCR > 1 , el suelo es Sobreconsolidado, SC. OCR < 1 , casos especiales , depósitos recientes en los cuales el suelo no ha llegado a un equilibrio, el suelo esta en proceso de sobreconsolidación.
Calculo de asentamientos
Cálculo de Asentamiento (S)
A
A q
Vacíos
Hvo
H
Vacíos
Hv1
o
Hs
Sólidos
e
Vv Vs
Hv Hs
H
Hv
Hs
H o H1 Ho S
Ho
e.H s
Hs
Sólidos
1 e Hs
H s (1 eo ) H s (1 e1 ) H s (1 eo )
e Ho 1 eo
Asentamiento
eo e1 1 eo
e 1 eo
Hs
H1
CORRECCION DE SCHMERTMANN 1970
Calcular el asentamiento por consolidación primaria de la fundación.
EJERCICIOS PROPUESTOS
EJERCICIO • Una capa de arena de 9 m de espesor esta situada encima de un deposito de arena no consolidado de 4 m de espesor, que reposa sobre una lunita impermeable, al principio en nivel freático esta a 1m por debajo del terreno, para facilitar una construcción de una obra de ingeniería el nivel freático descendió 7m (es un área muy grande) y se mantiene a este nivel hasta el final de la construcción. En ese momento el nivel freático vuelve a su nivel original, calcular el asentamiento por consolidación de la arena después de este periodo dado sabiendo que las propiedades de la arena son:
