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CONSOLIDACIÓN EN EN SU SUELOS
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 generalmente largo. Producen asientos, es decir, hundimientos verticales, en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud. La consolidación de un suelo tiene tres fases, las cuales se mencionan a continuación •
consolidación inicial.! "educción de vac#os por eliminación de aire.
•
consolidación primaria.! "educción de vac#os por eliminación de agua.
•
consolidación secundaria.! "eacomodo de las part#culas sólidas.
La velocidad de consolidación se caracteri$a por medio del coeficiente de consolidación %v, aunque este no es constante durante la consolidación y depende de la sobrecarga aplicada y de la permeabilidad del suelo.
•
&'&L*& +L -LL ("S"/) ("S"/) P"PS/ P" /"0&1
l proceso de consolidación suele ser e2plicado con el modelo ideali$ado de un sistema compuesto por un muelle (resorte), (resorte), un cilindro con un agu3ero y relleno de agua. n este sistema el muelle representa la compresibilidad o la estructura propia del suelo, y el agua es el fluido que se encuentra en los vac#os entre los poros. l modelo fue propuesto por /er$aghi como /er$aghi como una modificación de un modelo originalmente sugerido por Lord 4elvin para otros fines.
5 l cilindro está completamente lleno de agua, y el agu3ero está cerrado (Suelo saturado) 6 na carga es aplicada sobre el muelle mientras el orificio sigue cerrado. n esta etapa, el agua resiste la carga aplicada. (+esarrollo de presiones e2cesivas en los poros de agua) 7 %uando se abre el orificio, el agua comien$a a drenar y el muelle se acorta. (+rena3e e2cesivo de los poros de agua) 8 +espu9s de cierto tiempo, el drena3e de agua termina. &hora el muelle resiste por s# solo la carga aplicada. (/otal disipación del e2ceso de presión de agua en los poros. :in de la consolidación. 5 %'SL1+&%1;' P"1-&"1& ste m9todo asume que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio utili$ados han permitido construir una interpolación entre la deformación o el #ndice de vac#os y la tensión efectiva en una escala logar#tmica. La pendiente de la interpolación es el #ndice de compresión. La ecuación para el asiento de consolidación de un suelo normalmente consolidado puede ser determinada entonces como δ C =
C c 1 + e0
Hlog
( ) σ ' zf
σ ' z 0
+ónde δ C
es el asiento debido a la consolidación
C c
es el #ndice de compresión
e0
es el #ndice de vac#os inicial
H
es la altura de suelo consolidante
σ ' zf
es la tensión vertical final
σ ' z 0
es la tensión vertical inicial
%c puede ser reempla$ada por %r (#ndice de re compresión) para usar en suelo sobre consolidados donde la tensión final efectiva es menor que la tensión de pre consolidación, o lo que es lo mismo, para suelos que hubieran sido consolidados con más intensidad en el pasado. %uando la tensión final efectiva sea mayor que la tensión de pre consolidación, las dos ecuaciones deben ser usadas en combinación de un modelo con3unto como sigue δ C =
C r 1 + e0
Hlog
( ) σ ' zc
σ ' z 0
+
C c 1 + e0
Hlog
( ) σ ' zf
σ ' z 0
+onde σ ' zc es la tensión de pre consolidación del suelo. 6 %'SL1+&%1;' S%'+&"1& La consolidación secundaria tiene lugar despu9s de la consolidación primaria a consecuencia de procesos más comple3os que el simple flu3o de agua como pueden ser la reptación, la viscosidad, la materia orgánica, la fluencia o el agua unida mediante enlace qu#mico algunas arcillas. n arenas el asiento secundario es imperceptible pero puede llegar a ser muy importante para otros materiales como la turba. La consolidación secundaria se puede apro2imar mediante la siguiente fórmula
Ss =
H 0 1 +e 0
C a log
( ) t t 90
+ónde H 0
2
es la altura de consolidación media
e0
es el #ndice inicial de vac#os
C a
es el #ndice secundario de compresión
MÉTODO DE CASAGRANDE PARA LA DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA TENSIÓN DE PRECONSOLIDACIÓN,
σ pc ’
.
n el gráfico e < Log σ v’ 5. bicar punto 5, punto de má2ima curvatura 6. /ra$ar la recta 6, tangente por el punto 5 7. /ra$ar la recta 7, hori$ontal por el punto 5 8. /ra$ar la bisectri$ de la recta tangente 6 y la hori$ontal 7 =. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada >. La intersección de las rectas 8 y = determina en abscisas el valor de
σ pc ’
5
S/&?L%1'+ S1 L& &"%1LL& S '% P%
+ebemos comparar la tensión vertical efectiva de terreno,
σ vo’
con la tensión de
preconsolidación, σ pc ’ , para saber si la arcilla está normalmente consolidado ('%) o preconsolidada (P%).
Si σ vo’ @ σ pc ’ se trata de una arcilla '%
Si σ vo’ A σ pc ’ se trata de una arcilla P%, siempre que estas diferencias sean significativas.
n la curva de consolidación (figura 6)
5. bicar σ pc ’ . 6. bicar el punto ( σ vo’ , e 0 ), tensión vertical efectiva de terreno e #ndice de vac#os en terreno. 7. bicar el punto B.8 e 0 en la prolongación de la recta de carga normalmente consolidado, tambi9n denominada curva virgen. 8. nir con una recta los puntos 6 y 7. l valor absoluto de la pendiente de esta curva es el *ndice de %ompresibilidad, %c.
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MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN, CV
5 SC' -D/+ + /&EL" n el gráfico deformación vs ra#$ cuadrada del tiempo (:igura 7) 5. /ra$ar la me3or recta que pasa por los primeros puntos del gráfico.
6. La intersección entre la recta definida en 5 con el e3e de las abscisas, define una distancia FaG. 7. Se define en el e3e de las abscisas el punto & distanciado del origen en 5.5=&. 8. Se une el punto BH y &. =. La intersección de esta recta con la curva define el valor
t 90
en el e3e de las
abscisas. >. %on este valor de t 90 calcular el coeficiente de consolidación con la fórmula T V ( U =90 ) × H C V = t 90
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+ónde T V
(:actor tiempo) para ( I JBK) I B.8
H I M la altura inicial de la muestra (ya que e2iste doble drena3e). C V
se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite
graficar C V en función de NvH. l valor de C V a utili$ar será aquel correspondiente al incremento de carga que se tendrá en terreno, es decir, desde NvoH a la tensión vertical efectiva final.
6 SC' -D/+ + %&S&"&'+ n el gráfico deformación vs log t (figura 8) 5. n la parte inicial parabólica de la curva marcar
t 1
(si la parte inicial no es
parabólica, utili$ar D0 asociado a t I B y seguir en el paso 8) 6. -arcar t6 I 8 t5. +efinidos t5 y t6, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical O. 7. +ibu3ar la distancia 6O, y encontrar D0 en el e3e de las ordenadas. 8. +ibu3ar la proyección hori$ontal del final de la curva de deformación e intersectarla con el e3e de las ordenadas, punto que define =. ncontrar D
50
D 100
.
, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el e3e de
las ordenadas. >. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t 50 en el e3e de las abscisas.
. . %alcular C V como T V ( U =50 ) × H C V = t 50
2
+onde T V
es el factor tiempo para I =BK y tiene el valor B.5J
H I M la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)
4 DIFERENCIA ENTRE CONSOLIDACIÓN Y COMPACTACIÓN La consolidación es un proceso acoplado de flu3o y deformación producida en suelos totalmente saturados. Por lo tanto, no es posible hablar de consolidación en terrenos en los que el grado de saturación es inferior a 5 ya que en ese caso hablamos de compactación. & ra#$ de esto, hablamos de compactación cuando el terreno no está totalmente saturado y actQan fuer$as sobre el terreno tales como la succión capilar del agua intersticial. n estos casos y en otros similares, las caracter#sticas de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cualitativamente, con apro2imación ra$onable, reali$ando pruebas como un ensayo edom9trico o ensayos tria2iales sobre espec#menes representativos del suelo, e2tra#dos en forma inalterada. Se puede as# calcular la magnitud y la
velocidad de los asentamientos probables a las cargas aplicadas as# como el tiempo de consolidación 5
ENSAYOS DE CONSOLIDACIÓN
5 %'SL1+&%1;' '1+1-'S1'&L La muestra a utili$ar en el ensayo es cil#ndrica con una altura pequeRa en comparación al diámetro de la misma. sta muestra se coloca dentro de un anillo metálico que impide la deformación transversal de la misma, por lo tanto el cambio de volumen viene dado Qnicamente por la disminución de la altra de la muestra. +icho anillo, a su ve$ es colocado entre dos piedras porosas que permiten el drena3e por ambas caras. l anillo con la muestra y las piedras porosas, es colocado en un recipiente con agua destilada, para asegurar que la muestra está saturada durante la totalidad del ensayo. n contacto con el dispositivo descrito, llamado consolidómetro.
l con3unto se ubica en un marco de carga. La aplicación de la carga se reali$a a trav9s de un bra$o de palanca. Se somete a la probeta a distintos escalones de carga, manteniendo cada uno de ellos el tiempo necesario hasta que la velocidad de deformación se redu$ca a un valor despreciable. n este caso se reali$ó la toma de datos de consolidación versus tiempo, durante 68 horas de carga y 68 horas de descarga. Luego con los datos obtenidos se tra$a la gráfica deformación versus el logaritmo del tiempo o la gráfica deformación versus la ra#$ del tiempo dichas graficas son conosidas como curvas de consolidación.
%on los datos de altura inicial y final y el peso seco de la muestra puede determinarse el valor de la relación de vac#os correspondiente al escalón de carga en cuestión. ste proceso se repite para cada incremento de carga. &l final del ensayo se tiene para cada uno de ellos, un valor de relación de vac#os y con estos datos se puede tra$ar una gráfica en la cual las absisas se colocan los valores de presiones (carga sobre el área de la muestra) correspondientes a cada escalón de carga en escala logar#tmica, y en las ordenadas las relaciones de vac#os correspondientes. sta curva se conoce como curva de compresibilidad. %on las curvas de consolidación y de compresibilidad se determinan los parámetros necesarios para reali$ar los cálculos de tiempos de consolidación y asentamientos. "T:1%&S + P"S1;' US. "L&%1;' + U&%1S +espu9s de que las gráficas tiempo!deformación para varias cargas se obtienen en el laboratorio, es necesario estudiar el cambio de la relación de vac#os en el esp9cimen con la presión, & continuación se da un procedimiento paso a paso
