Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Área de Tecnología Programa de Ingeniería Civil Mecánica se suelos
Realizado por: Yoly bravo CI: 17629313 Luanny salones CI: 19927088 Egly Velásquez CI: 19823843
Santa Ana de Coro, marzo 2012
INDICE
Consolidación. Ensayo de consolidación. Descripción del ensayo de consolidación. Procedimiento del ensayo. Consolidación en suelos gruesos y finos. Explicación de la analogía mecánica de terzaghi. Casos reales de estructuras afectadas por consolidación en la masa de Suelo. Resumen del trabajo.
Consolidación Proceso de disipación de presiones internas. Proceso de consolidación Los suelos como todos los materiales en la construcción, sufren de deformaciones al aplicarles carga, en el caso de los suelos saturados esta no es inmediata. En este caso se produce un retraso de la deformación con respecto al esfuerzo, y por lo tanto se tiene una relación esfuerzo - deformación - tiempo. Cuando un suelo saturado se somete a un incremento de carga, la acción de ésta se transmite, en principio al agua que llena los poros del material por ser el líquido incompresible comparado con la estructura que forman las partículas del suelo. Debido a la presión que de este modo se induce en el agua, ésta fluye hacia las fronteras en las cuales dicha presión se disipa, produciéndose variaciones en el volumen del material y la transferencia de la carga a la estructura sólida, la velocidad con que se produce este fenómeno, conocido en mecánica de suelos como consolidación, depende de la permeabilidad del suelo, al igual que de otras condiciones geométricas y de frontera (drenes). La prueba de consolidación estándar consiste en comprimir verticalmente un espécimen del material que se estudia, confinando en un anillo rígido siguiendo una secuela de cargas establecida de antemano. En todos los casos y para cada incremento de carga, el espécimen
sufre
una
primera
deformación
correspondiente
al
retraso
hidrodinámico que se llama consolidación primaria, y también sufre una deformación adicional, debida a un fenómeno secundario, que en las arcillas se llama retraso plástico y en las arenas retraso friccional. En general el suelo se deformará siempre una cantidad mayor que la correspondiente al retraso hidrodinámico exclusivamente. Sin embargo, el retraso hidrodinámico es el único que toma en cuenta la teoría de la consolidación. Según la teoría, sólo es posible un fenómeno de consolidación cuando existe escape de agua hacia el exterior de la masa de suelo. En la práctica se admite que también genera un proceso similar en masas de suelos que no están 100% saturadas. En estos casos se aplica
también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de una interpretación aproximada. Simultáneamente con el proceso de consolidación se puede efectuar o no, según se juzgue conveniente, una prueba de permeabilidad de carga variable; o bien, reproducir una condición hidrodinámica adicional.
El proceso de consolidación se efectúa en tres (3) etapas o partes: Parte I: Desde el tiempo 0 a T1, durante el cual el aire es expulsado de los vacíos, después que la carga externa ha sido aplicada. Parte II: Desde el tiempo T1 a T2, durante el cual el agua de los poros es presionada y expulsada, debido a la carga aplicada, produciéndose el llamado asentamiento principal o “consolidación primaria”. Parte III: Desde el tiempo T2 a T3, durante el cual se hacen activos los procesos de química coloidal y fenómenos de superficie, tales como la tensión de las películas húmedas alrededor de las partículas del suelo. El asentamiento ocurrido durante el período de tiempo de tal proceso se denomina asentamiento posterior o “consolidación secundaria”.
Curva que muestra los diferentes procesos de consolidación.
Grado o Porcentaje de Consolidación. Se define como grado o porcentaje de consolidación de un suelo, a una profundidad z y a un tiempo t, a la relación entre la consolidación ya existente a esa profundidad y la consolidación que habrá de producirse bajo la sobrecarga impuesta, se representa por Uz (%).
Grado Medio de Consolidación del Estrato. Se define el grado medio de consolidación de todo el estrato como la relación entre la consolidación que ha tenido lugar en un cierto tiempo y la consolidación total que habrá de producirse.
Ensayo de consolidación El objeto principal de los ensayos de consolidación es sin embargo, el de obtener datos del suelo que pueden ser usados, para predecir la rata y el asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Su finalidad es determinar la velocidad y grado de asentamiento que experimentará una muestra de suelo arcilloso saturado al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. Las dos propiedades más importantes que se obtienen en un ensayo de consolidación son; 1-
El índice de compresión,(Cc), que indica la compresibilidad del espécimen.
2-
El coeficiente de consolidación,(Cc), que indica la rata de compresión bajo un incremento de carga. Procedimiento del Ensayo de Consolidación.
El fenómeno de consolidación, se origina debido a que si 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. En suelo granulares, la reducción del volumen de vacíos se produce casi instantáneamente cuando se aplica la carga, sin embargo en suelos arcillosos tomará mayor tiempo, dependiendo de factores como el grado de saturación, el coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el fluido expulsado, las condiciones de drenaje y la magnitud de la sobrecarga.
Metodología de ensayo. - Equipo necesario. a) Equipo: � Consolidómetro con su anillo fijo o flotante.
� Piedras porosas. � Micrómetro. � Cronómetro. � Equipo para labrado de muestras. � Balanzas. � Horno. b) Preparación de la muestra Muestras inalteradas La muestra a ser colocada en el anillo debe ser lo más inalterada posible, conservando su estructuramiento natural y su contenido natural. Con otra porción de la muestra se determina su peso específico relativo, y los límites de consistencia. Muestras alteradas Se compacta el material en un molde en 5 capas, utilizando un martillo de compactación apropiado, tratando de obtener un valor deseado de la densidad, la cual es generalmente la densidad máxima obtenida en el ensayo de compactación dinámica. Previamente debe pesarse el anillo con la muestra de suelo alojada. Esto permite procesar todas las características iniciales de la muestra, entre ellas, la relación de vacíos inicial. La colocación de las piedras porosas se hace respetando las condiciones de drenaje del estrato del cual fue extraída la muestra. Se debe y puede simular la condición natural o la condición de trabajo futuro del estrato, realizando el ensayo con contenido de humedad natural o a saturación plena. Se prepara la muestra. Saturación: La muestra puede saturarse estando completamente exenta de carga o bien con una carga prefijada, según el problema que se tenga, siguiendo en ambos casos el mismo procedimiento:
¨ Se cubre con agua destilada hasta la altura de la piedra porosa superior, procurando no mezclarle más aire del que ordinariamente puede tener. ¨ Después de 10 segundos de estar la muestra en contacto con el agua, si la manecilla del micrómetro no se ha movido, se echará a andar el Cronómetro. Si la manecilla ya se había empezado a mover antes, se contará el tiempo a partir de cuando se inició el movimiento. ¨ Se tomará una serie de lecturas de tiempo y micrómetro, las suficientes para definir completamente la curva de tiempo-deformación. Se dará por terminada esta etapa y se pasará a la sig. c) Análisis de cargas. Es recomendable no aplicar incrementos de carga arbitrarios. Debe determinarse el esfuerzo efectivo σ’ , posteriormente, lo más conveniente es colocar oz
incrementos de carga constantes que en cierto sentido representen los generados gradualmente por la construcción de la obra. Excepcionales obras de ingeniería civil incrementan sus cargas en progresión geométrica. Mayores incrementos tienen justificación sólo para dar una mejor configuración a la curva de compresibilidad. De esta manera se preparan todas las sobrecargas que se habrán de colocar en la muestra, que cubre que cubre el valor de σ’ y rebase la presión final que actuará oz
sobre el estrato generada por la obra que se construya.
Tipos de consolidómetro o edómetro
Esquema de consolidación en terreno.
Consolidometro neumático
Consolidación en suelos gruesos. Cuando se aplican cargas a un suelo de grano grueso seco, parcial o completamente saturado, o cuando las cargas se aplican simplemente a un suelo seco la deformación plástica con reducción en la relación de vacíos tiene un periodo de tiempo muy corto que se podría considerar instantáneo para este proceso. Esto se cumple ya que el aire encerrado en los poros es fácilmente comprimido, por lo tanto los sólidos no presentan resistencia al flujo hacia afuera del aire a medida que los vacíos del suelo se reducen. Si nos encontráramos con un suelo total o parcialmente saturado la permeabilidad de este es tan grande que permite salir al agua o que permite que el agua salga casi inmediatamente. Consolidación en suelos finos. Para un suelo de grano fino parcial o totalmente saturado el tiempo para lograr la deformación plástica y reducción de la relación de vacíos es mucho mayor. En las arcillas francas que representan un caso límite, el proceso es muy lento; mientras que en una capa de arena limpia, que resulta ser el límite opuesto, el retardo hidrodinámico con que se transfieren los esfuerzos aplicados a la estructura sólida, es muy pequeño. Tratándose de grandes masas de arena y de cargas aplicadas rápidamente, el fenómeno debe tomarse en consideración.
Teoría de Terzaghi de la consolidación Terzaghi presentó una teoría basada con resortes de acero para representar el suelo. Se supone que el pistón sin fricción está soportado por los resortes y que el cilindro está lleno de agua. Al aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la longitud de los resortes permanece invariable, puesto que el agua es incompresible. Si la carga induce un aumento del esfuerzo total de Δσ, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presión del agua en los poro, Cuando se abre la válvula, el exceso de presión del agua en los poros causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se hunde a medida que se comprimen los resortes. En esta forma, la carga se
transfiere en forma gradual a los resortes, reduciendo su longitud, hasta que toda la carga es soportada por éstos. Por consiguiente, en la etapa final, el aumento del esfuerzo efectivo (“efectivo” en cuanto a causar compresión) es igual al aumento del esfuerzo total, y el exceso de presión del agua en los poros se ha reducido a cero. La velocidad de compresión depende del grado de apertura de la válvula; esto es análogo a la permeabilidad del suelo. Con esta teoría Terzaghi, buscaba evaluar la consolidación primaria. Esta teoría fue incorporada en su Theoretical Soil Mechanics (1943). En el desarrollo de la teoría de la consolidación unidimensional se parte de varias suposiciones: a) El suelo está totalmente saturado y es homogéneo. b) Tanto el agua como las partículas de suelo son incompresibles. c) Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo de agua. d) La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado. e) El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante. f) La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos y ∂e/∂σ’ permanece constante. Consolidación unidimensional
(a) Modelo de Terzaghi,
(b) curva esfuerzo / tiempo.
Casos reales de estructuras afectadas por consolidación de masas de suelo imprevistas. Residencia en el norte de estados unidos Esta residencia sufrió un hundimiento en la parte trasera producto de un asentamiento ya que el suelo presenta abundante material arcilloso.
Torre Inclinada de Pisa. Uno de los más famosos ejemplos de problemas relacionados con la capacidad de carga del suelo en la construcción de estructuras previas al siglo XVIII es la Torre Inclinada de Pisa en Italia. La construcción de la torre comenzó en 1774 D.C. La estructura pesa aproximadamente 15,700 toneladas métricas y está soportada por una base circular de 20 metros de diámetro. La torre se ha inclinado en el pasado hacia el este, norte, oeste y, finalmente, hacia el sur. Investigaciones recientes demostraron que un estrato de arcilla débil existe a una profundidad de cerca de 11 metros debajo de la superficie de compresión, lo cual causó la inclinación de la
torre. Dicha inclinación fue de más de 5 metros fuera de plomada con respecto a su altura de 54 m. La torre se cerró en 1990 porque se temía que o bien se cayera o colapsara. La misma se ha estabilizado recientemente por medio de la excavación del suelo debajo del lado norte. Se removieron cerca de 70 toneladas métricas en 41 extracciones separadas en toda la extensión del ancho de la torre. Mientras que el terreno se asentaba gradualmente para llenar el espacio resultante, la inclinación de la torre cesó. Ahora la torre se inclina 5 grados. Un cambio
de
medio
grado
considerablemente más estable.
es
inapreciable,
pero
hace
la
estructura
Torre Garisenda. Es un ejemplo de un problema similar. Las torres mostradas en esa figura están localizadas en Boloña, Italia, y fueron construidas en el siglo XII. La torre de la izquierda es referida usualmente como la Torre Garisenda. Tiene 48 metros de altura y se ha inclinado severamente.
RESUMEN DEL TRABAJO El proceso de consolidación es un proceso de disminución de volumen, que tiene en un lapso provocado por un aumento de las cargas sobre el suelo. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma; así, el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir solo en dirección vertical. El objetivo de este ensayo es poder obtener un valor experimental de las variaciones de composición y dimensiones de una muestra de suelo, debido a la aplicación de
cargas
y descargas continuas. Con la experiencia
en el
laboratorio encontraremos asentamientos del suelo debido a cargas variables en determinados lapsos de tiempo. Para esto se uso un consolidometro que nos proporciona la deformación al variar la carga y un cronometro para calcular el tiempo, con estos datos y usando la teoría de consolidación unidimensional se obtuvo el posible comportamiento del suelo ante los cambios de esfuerzos. Si incrementáramos la carga sobre un suelo, esto ocasionaría un reajuste en la estructura del suelo como una deformación plástica correspondiente a una reducción en la relación de vacíos. También puede producirse una pequeña deformación elástica sin embargo es despreciable pues es recuperable cuando la carga se renueva. La consolidación en suelos gruesos permite un menor asentamiento ya que el agua drena con mayor facilidad, con respecto a los suelos finos como las arcillas que al saturarse ellas se contraen y provocan hundimiento en la masa del suelo, por las cargas presentes. Terzaghi, presentó una teoría basada con resortes de acero para representar el suelo. Al considerar un cilindro de área de sección recta, provisto de un pistón sin fricción, con una pequeña perforación en el. El pistón esta soportado por un resorte unido al fondo del cilindro y este esta totalmente lleno de un fluido incomprensible.
Con respecto a los casos reales de estructuras afectadas por consolidación de masa de suelo imprevistas, nos encontramos con el hundimiento de la parte trasera de una residencia en estados unidos, en Italia encontramos la torre de pisa y en Boloña la torre garisenda. El peso propio de dichas edificaciones provoco un asentamiento en el suelo ya que presenta material arcillo debajo de las construcciones.
