Distribución De Presiones Efectivas Y Neutras Hemos visto que cuando se construye una estructura, la misma debe transmitir su carga al subsuelo a través de las fundaciones que se proyecten. Estas cargas inducen tensiones en el subsuelo que se transmiten en profundidad de tal forma que a una profundidad de 2 x B, donde B es el ancho de la base, llega el 1! del valor de la tensi"n de apoyo #. $or lo tanto si en la estratigraf%a existe un manto compresible dentro de la profundidad de infl influe uenc ncia ia del del bulb bulbo o de tens tensio ione nes, s, el mism mismo o expe experi rime ment ntar ar& & defo deform rmac acio ione ness por por consolidaci"n, a ra%' de las tensiones inducidas por las fundaciones de la estructura.
(a presi"n neutra se transmite a través del agua, requiere, por lo tanto, que haya continuidad de la misma. El suelo debe estar saturado. (a presi"n efectiva se transmite a través de los contactos entre part%culas. (a magnitud de la presi"n en estos contactos depende de la relaci"n entre el &rea total en un corte cualquiera y el &rea que aquéllos ocupan. $uede haber rotura de bordes, lo que origina una redistribuci"n de las presiones y un asentamiento. )ran*a de saturaci"n capilar+ 'ona en donde el agua libre humedece " satura los espacios vac%os y es retenida por la tensi"n superficial que acta en los intersticios capilares. El agua se encuentra a una presi"n menor a la atmosférica- e*erce, por lo tanto, una presi"n que tiende a unir las part%culas adyacentes. • •
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(as tensiones al interior de los maci'os del suelo son causadas por+ $eso propio argas externas (a determinaci"n de las tensiones al interior del maci'o puede representar muchas dificultades, en tanto existen algunas situaciones para simplificar su an&lisis en que las tensiones pueden ser obtenidas de una forma bien simple. /i (a superficie del suelo fuese hori'ontal(a naturale'a del suelo no cambia mucho hori'ontalmente Entonces tenemos que-
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(os planos hori'ontal y vertical son los principales 0 sea, en estos planos no habr& tensi"n de corte. (os suelos est&n constituidos por part%culas y fuer'as aplicadas a ellos que son transmitidas de part%cula a part%cula, adem&s de las que son soportadas por el agua de los vac%os. En los suelos existen tensiones debidas al peso propio y las cargas aplicadas.
Tensiones geoestáticas
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/on tensiones debidas al peso del propio suelo ensi"n efectiva #34+ es la tensi"n soportada por los granos del suelo, o sea, es la tensi"n transmitida por los contactos entre las part%culas. $resi"n neutra 54+ es la presi"n del agua, también denominada de poro6presi"n es originada por el peso de la columna de agua en el punto considerado 5 7 8 a.H4ensi"n total #4+ es la suma algebraica de la tensi"n efectiva #34 y de la presi"n neutra 54. $rincipio de las ensiones Efectivas de er'aghi a4 (a tensi"n efectiva, para suelos saturados puede ser expresada por+
b4 odos los efectos mensurables resultantes de las variaciones de tensi"n en el suelo, como compresi"n, distorsi"n y resistencia al corte son debidas a las variaciones del estado de tensiones efectivas.
Determinación De Carga De Pre Consolidación odo suelo tiene una historia geol"gica de esfuer'os que puede investigarse en las curvas del ensayo de consolidaci"n. En la figura 9.12.: se tiene un set que muestra comportamientos diferentes entre suelos remodelados ;<4 e inalterados ;;4- la figura9.12.B permite diferenciar, en un ciclo :=>: ?E/:=>:, el tramo de re compresi"n y el tramo virgen de la curva e #log4, que se corresponden con dos situaciones as%+ $resiones ya soportadas por el suelo y nunca antes sobre llevadas por él, de conformidad con lo discutido en el e*ercicio 9.2 comentarios a la curva4. @étodo para conocer la $=E/;A ?E $=E0/0(;?:;A Cbicar punto 1, punto de m&xima curvatura2. ra'ar la recta 2, tangente por el punto 1D. ra'ar la recta D, hori'ontal por el punto 1. ra'ar la bisectri' de la recta tangente 2 y la hori'ontal DF. $rolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidadaG. (a intersecci"n de las rectas y F determina en abscisas el valor de # p
PRUEBA DE CN!"#DAC#N UN#D#$EN!#NA" odos los materiales, al ser su*etos a cambios en las condiciones de esfuer'os, experimentan deformaciones, que pueden ser o no ser dependientes del tiempo. (as relaciones entre los esfuer'os las deformaciones y el tiempo, var%an segn el material a anali'ar, las relaciones m&s sencillas las producen los materiales el&sticos lineales, donde el esfuer'o y la deformaci"n son proporcionales e independientes del tiempo. (as caracter%sticas esfuer'o6deformaci"n6tiempo de un suelo depender&n, no solo del tipo de suelo y su estado de consistencia, sino también de la forma en que es cargado, de su ubicaci"n estratigr&fica, etc. Es necesario estudiar estas caracter%sticas del suelo, debido a que en general estos sufren deformaciones superiores a las de la estructura que le trasmite carga y no siempre se producen instant&neamente ante la aplicaci"n de la carga.
(a consolidaci"n es un asiento producido en suelos compresibles y saturados, debido a las deformaciones volumétricas a lo largo del tiempo, ante la disipaci"n por drena*e de las presiones transmitidas al agua intersticial por una carga aplicada y por la reducci"n de los poros del suelo. (a consolidaci"n unidimensional tiene las siguientes caracter%sticas+ • • •
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/e supone al suelo homogéneo, cohesivo y saturado. (a compresi"n del suelo in situ es unidimensional (a variaci"n de volumen tiene su origen en la rela*aci"n del exceso de presi"n de poros El flu*o es unidimensional El oeficiente de onsolidaci"n v y $ermeabilidad , permanecen constantes a lo largo del proceso.
Cna masa de suelo est& compuesta por la fase s"lida que forma un esqueleto granular y los vac%os que la misma encierra, los cuales algunos pueden estar llenos de gasIaire y otros de l%quidoIagua. :dem&s se considera que tanto la masa s"lida como el agua son incompresibles. En la )igura 1 se observa en forma esquem&tica el fen"meno de la consolidaci"n as% como también dos casos famosos de estructuras que sufrieron los efectos del proceso de consolidaci"n. (as deformaciones del suelo debidas a la aplicaci"n de una carga externa )igura 24 son producto de una disminuci"n del volumen total de la masa del suelo y particularmente una reducci"n del volumen de vac%os, ya que el volumen de solidos es constante, por lo tanto dichas deformaciones son producto de una disminuci"n de la relaci"n de vac%os del suelo como se muestra en la )igura D. /i estos vac%os est&n llenos de agua suelo saturado4, como al fluido lo consideramos incompresible, dicha disminuci"n de la relaci"n de vac%os, s"lo es posible si el volumen de l%quido disminuye por lo tanto se produce un flu*o de l%quido hacia algn estrato permeable. /i en cambio el suelo en sus vac%os posee aire y agua suelo parcialmente saturado4 o s"lo aire, la disminuci"n de la relaci"n de vac%os se produce por una compresi"n de los gases que posee.
uando un dep"sito saturado se somete a un incremento de esfuer'os totales, como resultado de cargas externas aplicadas, se produce un exceso de presi"n intersticial presi"n neutra4. $uesto que el agua no resiste al corte, la presi"n neutra se disipa mediante un flu*o de agua al exterior, cuya velocidad de drena*e depende de la permeabilidad del suelo. /i en cambio el dep"sito se encuentra parcialmente saturado, la situaci"n resulta m&s comple*a debido a la presencia del gas que puede permitir cierta compresi"n, como se mencion", sin que se produ'ca un flu*o de agua. Esta situaci"n escapa los alcances de este curso.
%igura & 'ariación del volumen durante la consolidación( 'olumen vs Carga ) 'olumen vs Tiem*o
(a disipaci"n de presi"n intersticial debida al flu*o de agua hacia el exterior se denomina consolidaci"n, proceso que tiene dos consecuencias+ =educci"n del volumen de poros o vac%os, por lo tanto reducci"n del volumen total, produciéndose un asentamiento. /e considera que en el proceso de consolidaci"n unidimensional la posici"n relativa de las part%culas sobre un mismo plano hori'ontal permanece esencialmente igual, el movimiento de las mismas s"lo puede ocurrir verticalmente. ?urante la disipaci"n del exceso de presi"n intersticial, la presi"n efectiva aumenta y en consecuencia se incrementa la resistencia del suelo.
$or lo tanto cuando un suelo se consolida ante la aplicaci"n de una carga, se produce una disminuci"n de la relaci"n de vac%os y un incremento del esfuer'o efectivo. En los suelos granulares la permeabilidad es alta, lo cual permite un flu*o r&pido de agua, y se disipa r&pidamente el exceso de presi"n neutra. En consecuencia, el asentamiento se completa en general, al finali'ar la aplicaci"n de las cargas. En los suelos finos arcillosos, la permeabilidad es muy ba*a, por lo que el flu*o de agua es muy lento, y la disipaci"n del exceso de presi"n neutra es muy lenta. En consecuencia el suelo puede continuar deform&ndose durante varios aJos después de finali'ada la construcci"n de la obra que trasmite la carga. El proceso de consolidaci"n se aplica a todos los suelos, pero es m&s importante estudiarlo en aquellos donde la permeabilidad es ba*a. Es necesario predecir+ • •
El asentamiento total de la estructura. El tiempo o velocidad a la cual se produce dicho asentamiento.
Existe otro fen"meno posterior a la disipaci"n de las presiones intersticiales, en el cual el suelo en cuesti"n contina deform&ndose o comprimiéndose, esto se debe a un rea*uste en la estructura del suelo. ?icho proceso es llamado consolidaci"n secundaria, y depende de las caracter%sticas elastopl&sticas y del comportamiento viscoso del material que compone al suelo. En suelos muy pl&sticos u org&nicos su contribuci"n a la compresi"n final es significativa y no puede despreciarse.
PRACT#CA DE CN!"#DAC#N UN#D#$EN!#NA" Cna prueba de consolidaci"n unidimensional est&ndar se reali'a sobre una muestra labrada en forma de cilindro aplastado, es decir- como pequeJa altura en comparaci"n al di&metro de la secci"n recta. (a muestra se coloca en el interior de un anillo, generalmente de bronce, que la proporciona un completo confinamiento lateral. El anillo se coloca entre dos piedras porosas, una en cada cara de la muestra las piedras son de secci"n circular y de di&metro ligeramente menor que el di&metro interior del anillo. $or medio del marco de carga se aplican cargas a la muestra repartiéndolas unif"rmenle en toda su &rea con el dispositivo formado por la esfera met&lica y la placa colocada sobre la piedra porosa superior. Cn micr"metro apoyado en el marco de la carga m"vil y
ligada a la ca'uela fi*a permite llevar un registro de las deformaciones en el suelo. (as cargas se aplican en incrementos permitiendo que cada incremento obre por un periodo de tiempo suficiente para que la velocidad o deformaci"n se redu'ca pr&cticamente a cero. En cada incremento de carga se hacen lecturas en el micr"metro para conocer la deformaci"n correspondiente a diferentes tiempos. (os datos de esas lecturas se dibu*an en una gr&fica que tenga por abscisas los valores de los tiempos transcurridos, en escala logar%tmica como ordenada las correspondientes lecturas del micr"metro en escala natural. Estas curvas se llaman de consolidaci"n y se obtiene una para cada incremento de carga aplicado. (a prueba se debe a su facilidad, respecto a una ideal en que solo hubiera cambio de volumen, prueba que ser%a dif%cil de reali'ar, parece indicar que la compresibilidad volumétrica del suelo en el consolido metro es similar a la que se manifiesta en condiciones de aplicaci"n de la misma presi"n por igual en todas direcciones, en la forma en que se ocurrir%a hacerlo en la prueba ideal, qui'&s sobre un espécimen esférico. Cna ve' que se alcan'a su m&xima deformaci"n ba*o un incremento de carga aplicado su relaci"n de vaci" llega a un valor menor que el iniciado y que puede determinarse a partir de los datos iniciales de la muestra y de los datos del micr"metro- as% como para cada incremento de carga aplicado se tiene un valor de la relaci"n de vaci" y otro para la presi"n correspondiente. Cna ve' aplicado todos los incrementos de carga tienen valores para construir una gr&fica de presi"n y de vac%o a esta curva se le llama de compresibilidad @:E=;:( K ELC;$0+ • • • •
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@uestra ;nalterada de suelo orno de labrado tter onsolid"metro compuesto de+ anillo, base con piedra porosa, pie'"metro calibrado, placa con puente para apoyar micr"metro, bal%n, piedra porosa y micr"metro con soporte. Banco de consolidaci"n. Cna cuerda de guitarra 2 vidrios planos Bascula $arafina Brea @anta de cielo ivel de mano o de gota :gua destilada ronometro
$=0E?;@;E0+ 1. ?e la muestra cbica e inalterada, obtenida en la primera pr&ctica, en un extremo colocar el anillo y se llena completamente. 2. Enrasamos las caras de la probeta cortando el material sobrante esto es sobre los vidrios planos. D. omamos una porciMn de la misma muestra para determinar el contenido de humedad y se introduce en el horno. . $esamos el material contenido en el anillo. ?espués colocarlo en el consolid"6 metro, con una carga de .FNg. F. omamos las lecturas del micr"metro segn de indique en el formato de registro de cargas. uando la deformaci"n se haga constante aumentar la carga al doble, esto es , 1, 2, y O g. G.
omamos las lecturas con las diferentes cargas, como en el de carga de 0.F g.
P.
?escargamos poco a poco la muestra y tomar registros.
O.
$esamos la muestra ya consolidada.
9. @etimos al horno la muestra ya consolidada por 2 hrs. omar las medidas del anillo di&metro y espesor4.
ECUAC#N D#%ERENC#A" DE "A CN!"#DAC#+N UN#D#$EN!#NA" /e trata de plantear y resolver la ecuaci"n diferencial correspondiente al proceso de consolidaci"n que tiene lugar en una muestra de suelo colocada en el ed"metro, sometida a una presi"n #Q, que instant&neamente se incrementa en R#. :parte de las hip"tesis impl%citas ya planteadas en la descripci"n del problema, para abordar éste matem&ticamente es adem&s necesario establecer que tanto la permeabilidad como el m"dulo edométrico del suelo son constantes durante el proceso de consolidaci"n. (a *ustificaci"n de esta hip"tesis se discutir& m&s adelante. uando se estudi" el flu*o a través de un medio poroso r%gido, se establecieron dos condiciones+ •
(ey de ?arcy relaci"n entre velocidad de filtraci"n y gradiente hidr&ulico4
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onservaci"n de la masa de agua
(a primera condici"n sigue siendo v&lida en este caso+
En aquel caso sencillo, la segunda condici"n se impon%a considerando una superficie cerrada cualquiera, S, que engloba un volumen < )igura .1G4. El flu*o neto de agua a través de la superficie deb%a ser nulo. :hora, el suelo es deformable, y la condici"n de conservaci"n es que el flu*o neto de agua a través de S en un tiempo dt no es nulo, sino que debe ser igual a la deformaci"n volumétrica del volumen <.
El valor de cv recibe el nombre de coeficiente de consolidaci"n, y tiene dimensiones (214. (a ecuaci"n anterior es la ecuaci"n diferencial de la consolidaci"n unidimensional segn la teor%a de er'aghi6)rTlich. (a expresi"n .D4 del coeficiente de consolidaci"n da una cierta *ustificaci"n a la hip"tesis reali'ada de que N y Em se consideran constantes durante la consolidaci"n. En realidad, al irse comprimiendo el suelo su permeabilidad disminuye, y su m"dulo aumenta, con lo que el producto de ambos var%a poco.
Cuestionario ,(- .Cómo se transmite la *resión Neutra/ /e transmite a través del agua, requiere, por lo tanto, que haya continuidad de la misma. El suelo debe estar saturado.
0(- .Cómo se transmite la Presión Efectiva/ (a presi"n efectiva se transmite a través de los contactos entre part%culas. (a magnitud de la presi"n en estos contactos depende de la relaci"n entre el &rea total en un corte cualquiera y el &rea que aquéllos ocupan. $uede haber rotura de bordes, lo que origina una redistribuci"n de las presiones y un asentamiento.
&(- .1ue son las tensiones geoestaticasU /on tensiones debidas al peso del propio suelo
2(- .1u3 es la consolidación/ Es un asiento producido en suelos compresibles y saturados, debido a las deformaciones volumétricas a lo largo del tiempo, ante la disipaci"n por drena*e de las presiones transmitidas al agua intersticial por una carga aplicada y por la reducci"n de los poros del suelo.
4(- $enciona & caracter5sticas de la consolidación unidimensional • • •
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/e supone al suelo homogéneo, cohesivo y saturado. (a compresi"n del suelo in situ es unidimensional (a variaci"n de volumen tiene su origen en la rela*aci"n del exceso de presi"n de poros El flu*o es unidimensional El oeficiente de onsolidaci"n v y $ermeabilidad , permanecen constantes a lo largo del proceso.
6(- .En 7u3 suelos se a*lica la consolidación/ El proceso de consolidaci"n se aplica a todos los suelos, pero es m&s importante estudiarlo en aquellos donde la permeabilidad es ba*a.
8(- .1u3 modelo es *ro*uesto *ara estudiar el *roceso de consolidación unidimensional/ (a analog%a mec&nica de er'aghi.
9(- .Con 7ue m3todos se calcula el coeficiente de consolidación/ on el método de asagrande y el método de aylor
