COMPRESIBILIDAD CONSOLIDACIÓN ASENTAMIENTOS Fabián Hoyos Patiño Grupo de Geotecnia Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Minas GIGA
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Objetivo
SIVA
Establecer los conceptos de deformación compresiva, consolidación y asentamiento. Identificar las propiedades del suelo relacionadas con estos procesos: coeficiente de compresibilidad, módulo edométrico, índice de compresión, índice de recompresión, coeficiente de consolidación. Establecer las relaciones entre compresibilidad, consolidación, permeabilidad y tiempo de consolidación GIGA
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Consolidación Término polisémico: Sentido corriente • Sentido geológico Doble sentido geotécnico •
•
SIVA
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Deformación compresiva y consolidación Cuando una arcilla saturada recibe una carga externa,
Arc Arcililla la satu satura rada da • Dism isminuy inuyee la rel relac ació iónn de vací vacíos os • Aumen umenta ta la pre presión sión del del agua agua • Se est estab able lece ce un gra gradi dien ente te hidr hidráu áulilico co • El agu agua fluye desde la arc arcilla hacia otros estratos más permeables • El proc proces esoo toma toma un tiem tiempo po prol prolon onga gado do debi debido do a la la baj bajaa perm permea eabi bililida dadd de la arci arcillllaa SIVA
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Deforrma Defo macció iónn com ompr pres esiv iva, a, consolidación, asentamientos Dos problemas relacionados:
•magnitud de la deformación/asentamiento •tiempo durante el que ocurre la deformación o t n e i m a t n e s a
tiempo
El tie tiem mpo de as asenta entam mient ientoo en sue suellos cohe cohesi sivo voss pue puede dem demorar orar dece decena nass o cent centen enar ares es de año años. s. SIVA
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Palacio de Bellas Artes. México DF
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En suelos granulares… Los suelos granulares tienen drenaje libre, y su adentamiento es instantáneo . o t n e i m a t n e s a
tiempo
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Compresibilidad Relación ∆H -∆e Deformación vertical media =
∆ H
H o
q kPa H
q kPa
GL Ho
Arcilla saturada e = eo Tiempo = 0+ SIVA
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Arcilla saturada e = eo - ∆ e
Tiempo = ∝ 9
Relación ∆H -∆e Considere un elemento Vs = 1 e
∆
eo 1
Tiempo = 0+
Tiempo = ∞
deformación vertical unitaria= SIVA
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∆e
1 + eo
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Relación ∆H -∆e Al hacer iguales las dos ecuaciones, Asentamiento ∆ H
H o
Espesor inicial de la capa de arcilla
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=
Cambio en la relación de vacíos GIGA ∆e 1 + eo
relación de vacíos inicial
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Ensayo de compresión confinada/consolidación ~ simulación de consolidacion 1-D de campo en el laboratorio. Pieza permeable Especimen inalterado Dia = 50-75 mm Altura = 20-30 mm
campo SIVA
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Anillo de metal (oedometer)
laboratorio 12
Consolidómetro/ edómetro
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Ensayo de compresión confinada/consolidación incrementos de carga Permitiendo la consolidación completa en cada incremento q
q
∆ 1
∆ 2
H
∆ 1
eo- ∆e1
Ho eo
∆e1
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=
∆ H 1
H o
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(1 + eo )
∆e2 =
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Ensayo de compresión confinada/consolidación descarga
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Coeficiente de compresibilidad volumétrica ~ deformación volumétrica por unidad de carga aplicada ~ conocido también como módulo edométrico El valor de mv depende de la magnitud de los esfuerzos aplicados. Debe registrarse el intervalo de validez del módulo
∆V i.e.,
mv ]σ 1
σ 2
k P a -1 or MP a -1
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=
V
∆σ kPa o MPa 16
Gráfico e – log σv’ - a partir de los datos anteriores s o í c a v e d n ó i c a l e R
descarga σv’ disminuye & e aumenta (rebote)
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Carga σv’ aaumenta & e disminuye
log σv’
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Indices de compresión y recompresión s o í c a v e d n ó i c a l e R
Cr
1
Cc ~ índice de compresión Cc
Cr ~ índice de recompression Cr
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1
1
log σv’
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Ejercicio de aplicación Un espécimen de suelo con un área basal de 81,08 cm2 , espesor: 3.175 cm, masa seca 410.5 g, gravedad específica de los sólidos del suelo 2.68, ha sido sometido a un ensayo de compresión confinada. Las cargas sucesivas y las lecturas del extensómetro que registró las deformaciones fueron las siguientes: s L kPa 0.001 mm 0 12550 10 12240 20 12125 50 11900 100 11195 200 9480 400 7385 800 5830 1600 4405 Calcule el módulo edométrico, el indice de compresión y el índice de recompresión de este suelo. SIVA
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Esfuerzo de preconsolidación s o í c a v e d n ó i c a l e R
Tensión efectiva vertical máxima a que ha estado sometido el suelo
Esfuerzo de preconsolidación
σp
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’ log σv’
Tramo Virgen de Consolidación eo
Línea de consolidación vírgen
s o í c a v e d n ó i c a l e R
eo, σvo’ σvo
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’
σp
’ log σv’
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Relación de sobreconsolidación (OCR) Estado original
s o í c o a v e d n ó i c a l e R
e σvo
SIVA
’
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Línea de consolidation virgen
mv
OCR =
σvo
’
σ p ' σ vo '
σp
’ log σv’
Relación de sobreconsolidación (OCR) VCL ~estado actual
OCR =
σ p ' σ vo '
s o í c a v e d n ó i c a l e R
OCR=1 OCR=13
Arcilla normalmente consolidated
OCR=2 σ p ' OCR =
σ vo '
OCR=13
Arcilla muy sobreconsolidada
OCR=2
Arcilla ligeramente sobreconsolidada SIVA
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log σv’
Ejercicio de aplicación
SIVA
Determinar el esfuerzo de preconsolidación y la relación de sobreconsolidación del suelo objeto del ejercicio anterior.
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Ejercicio de aplicación Un espécimen de suelo con un área basal de 81,076 cm2 , espesor: 3.175 cm, masa seca 410.5 g, gravedad específica de los sólidos del suelo 2.68, ha sido sometido a un ensayo de compresión confinada. Las cargas sucesivas y las lecturas del extensómetro que registró las deformaciones fueron las siguientes: s L kPa 0.001 mm 0 12550 10 12240 20 12125 50 11900 100 11195 200 9480 400 7385 800 5830 1600 4405 Estime el esfuerzo de preconsolidaación y la relación de sobreconsolidación.. SIVA
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SIVA
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Esfuerzo de cedencia s o í c a v e d n ó i c a l e R
Tensión efectiva vertical requerida para romper la estructura de un suelo residual. Punto de inflexión en la curva esfuerzo/deformació de un suelo en el ensayo d compresión confinada
’
σc
SIVA
Esfuerzo de cedencia
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log σv’
Cálculo de asentamientos
Dos problemas que deben ser resueltos:
SIVA
La magnitud del asentamiento El tiempo necesario para que ocurra una cantidad dada de asentamiento
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Cálculo de asentamientos
q kPa
∆σ
H
Dos maneras diferentes maneras para estimar la magnitud del asentamiento por consolidación : (a) DH = mv ∆σ H
=q
(b) eo,
vo ’,
C c, C r, p ’, m v
-ensayo SIVAedométrico Copyright©2001
asentamiento =
∆e
1 + eo
Próxima diapositiva
H
Cálculo de asentamientos ~ calcular ∆e mediante el gráfico e-log σv’ Si la arcilla es normalmente consolidada La trayectoria de carga se encuentra a lo largo del tramo virgen de la curva de compresibilidad. inicial
eo
∆e = C c
e
∆
’
σvo
SIVA
’+ ∆σ
σvo
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log
σ vo '+ ∆σ ' σ vo '
Cálculo de asentamientos
∆ H = H
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C c
1 + eo
log
σ vo '+ ∆σ ' σ vo '
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Cálculo de asentamientos ~ calcular ∆e mediante e-log σv’ plot Si la arcilla es sobreconsolidada, y permanece así hasta el final de la consolidacion,La trayectoria de carga se encuentra a lo largo del tramo inicial de la curva de compresibilidad. eo
inicial
∆e =
e
∆
’
σvo
SIVA
’+ ∆σ
σvo
VCL
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C r log
σ vo ' + ∆σ '
note el uso de Cr
σ vo '
Cálculo de asentamientos ~ calcular ∆e mediante el gráfico e-log σv’ Si la tensión final es mayor que la tensión de preconsolidación ∆e = eo
C r log
inicial
e
∆
VCL ’
σvo
SIVA
σp
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’
’+ ∆σ
σvo
σ p ' σ vo '
+ C c
log
σ vo ' + ∆σ ' σ p '
Ejercicio de aplicación La base de cada uno de los estribos de un puente tiene un área de 24 m2 y 1.2 m de espesor. La masa total del puente es 1500 toneladas. El terreno de cimentación esta formado por una secuencia de 3.2 m de grava y arena cuya densidad saturada es 1.9 t/ m3; por debajo de esta secuencia se emcuentra un estrato de arcilla de 5.6 m de espesor. Los parámetros de compresibilidad y consolidación fueron determinados en el laboratorio. • Calcular el asentamiento esperado de esta estructura. •En cuánto tiempo debe esperarse que ocurra un asentamiento de 5 cm. •En cuanto tiempo termianrá el proceso de asentamiento. SIVA
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Ejercicio de aplicación Un espécimen de suelo con un área basal de 81,076 cm2 , espesor: 3.175 cm, masa seca 410.5 g, gravedad específica de los sólidos del suelo 2.68, ha sido sometido a un ensayo de compresión confinada. Las cargas sucesivas y las lecturas del extensómetro que registró las deformaciones fueron las siguientes: L σ σ kPa 0.001 mm 0 12550 10 12240 20 12125 50 11900 100 11195 200 9480 400 7385 800 5830 1600 4405
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Consolidación
Proceso de disipación de presiones intersticiales en un suelo saturado sometido a una carga externa.
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Durante la consolidación… Debido a la sobrecarga q aplicada , aumentan las tensiones y la presión intersticial en A. q kPa
∆σ
A Arcilla saturada
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u ∆σ’
GL
...el estado de esfuerzos en el suelo varía con el tiempo. 37
Consolidación unidimensional ~ una simplificació para resolver problemas de consolidación ~ El drenaje y las deformaciones son verticales q kPa El agua sale del suelo
Arcilla saturada
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Simplificación aceptable si la carga está repartida ampliamente
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Durante la consolidación… permanece igual (=q) durante la consolidacion. ∆u disminuye (debido al drenaje) ∆σ’ aumenta. La carga se transfiere del agua al suelo ∆σ
∆σ ∆u
q kPa
∆σ
A
GL
∆σ’
u ∆σ’
q
Arcilla saturada
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Etapas de la consolidación
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El factor tiempo T(U) t (U ) C v
=
T (U ) D
2
C v =
k mvγ w
t(U): tiempo para alcanzar un porcentaje dado de consolidación. T(U): Factor tiempo D: Longitud de drenaje SIVA Copyright©2001
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El factor tiempo T(U)
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U%
T(U)
0 10 20 50 90 100
0 0.008 0.031 0.197 0.848 3.000
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Coeficiente de permeabilidad
La permeabilidad de suelos cohesivos se calcula a partir de los resultados del ensayo de consolidación
k = C v mvγ w SIVA
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Coeficiente de permeabilidad
k = C v mvγ w Tenga en cuenta que el valor de m es variable s egún el nivel de esfuerzos que se imponga al suelo y, por lo tanto, varía el coeficiente de conductividad Hidráulica. Este coeficiente debe denominarse coeficiente de permeabilidad edométrica. v
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Coeficiente de permeabilidad σ 2
k σ 1
= C v mvγ w
El coeficiente de permeabilidad edométrica debe acotarse al igual que el módulo edométrico.
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Métodos de control de asentamientos
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Precarga
Drenaje GIGA
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Precarga West Kowloon Expressway, Hong Kong. terraplén de 5-10 m durante 2-5 meses
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Puede medirse la presión intersticial con piezometros para determinar cuándo ha terminado el proceso de consolidación.
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Drenes verticales
Sección de PVD
Instalación
Drenes Verticales Prefabricados para acelerar la consolidación SIVA
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Drenes Verticales
Instalación de PVD
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Relleno hidráulico. ¿Proceso de consolidación?
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