G
“AÑO DEL DIALOGO Y LA RECONCILIACION NACIONAL”
TRABAJO: CONSOLIDACIÓN DE SUELO Integrantes: Durand espinoza giovana Curi orezano angel Flores cotrina Luis angel Valencia cervan phol
Curso: MECANICA DE FLUIDOS I
INTRODUCCIÓN El presente trabajo que tiene por título “CONSOLIDACIÓN DE SUELOS”, SUELOS”, está estructurado para que el lector pueda llegar a comprender qué es y cómo se produce la consolidación en los suelos, pero principalmente llegar a conocer los ensayos, las normas, metodología que se emplean para el cálculo de la consolidación; así como las gráficas y la interpretación que cada una de ellas tiene. Todo esto mediante la definición de conceptos, imágenes, tablas que ayuden a comprender mejor lo que se quiere explicar.
CONSOLICACIÓN DE SUELOS CONSOLIDACIÓN DE SUELOS: Las aplicaciones de cargas en un suelo generan esfuerzos en este, los cuales se manifiestan en la compresión de las partículas del suelo; la compresión puede ser originada por tres motivos:
Deformación de las partículas del suelo.
Reacomodo de las partículas del suelo.
Expulsión de agua y/o aire de los espacios vacíos
Fig. 01 “CONSECUENCIAS DE LA APLICACIÓN DE CARGAS” Fuente: Propia
Se puede considerara a la consolidación del suelo como un medio para realizar un estudio de esfuerzo – deformación en el cual interviene la variación del volumen de la muestra (se reduce), lo que ocasiona la disminución de la cantidad de vacíos al interior de la muestra. Según el comportamiento de las deformaciones en función de los esfuerzos y a través del tiempo, se generan tres maneras de asentamiento de un suelo:
ASENTAMIENTO INMEDIATO: Se debe a la plasticidad del suelo ya que no pierde agua sino que las variaciones que presenta son producto del reacomodo y las deformaciones de las partículas; puede darse en suelos secos, húmedos, saturados.
ASENTAMIENTO
POR
CONSOLIDACIÓN
PRIMARIA:
Se
da
principalmente en suelos saturados, se produce expulsión de agua lo que genera una reducción del volumen.
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA: Se da en suelos saturados e inmediatamente después de la consolidación primaria, se produce una nueva variación, pero ahora es por deformación y por reacomodo de partículas.
Fig. 02 “ASENTAMIENTO”
También es importante saber cómo es que el suelo va a trabajar teniendo como un factor muy importante para su comportamiento la permeabilidad. Como ya se conoce, un suelo permeable permite el paso libre del agua a través de sí, es el caso de los suelos arenoso que al ser sometidos a la aplicación de cargas permiten la expulsión del líquido y/o aire en su interior con gran facilidad, produciéndose del mismo modo el reacomodo y deformación de sus partículas casi de forma inmediata. Para los suelos muy poco permeables, como la arcilla, el agua que tiene en su interior no puede ser expulsado con facilidad, haciendo que la eliminación de agua sea lenta y progresiva de tal modo que cuando un ingeniero diseña una cimentación para este suelo, no presentará inconvenientes mayores al inicio, sino el problema es, que las deformaciones totales del suelo se pueden llevar a cabo muchos años después de terminada la obra (uno de los principales problemas son los asentamientos diferenciados a causa de la falta de un buen estudio de suelos). De ahí la importancia del estudio de consolidación de los suelos arcillosos.
Fig. 03 “CIMENTACIÓN SOBRE SUELO ARCILLOSO”
El estudio en los suelos arcillosos se basa en su comportamiento al instante de aplicación de la carga (t=0) y luego de aplicar la carga (t=∞)
RECORDANDO: Al aplicar cargas en un punto “P” los esfuerzos producidos tienen la siguiente relación: σ p =σ'p +u p
Entonces para dos cargas Q1 y Q2; Q2>Q1 en el punto “p”
-
σ p-Q1 =σ'p-Q1 +u p-Q1 ---------(1)
-
σ p-Q2 =σ'p-Q2 +u p-Q2 --------(2)
Restando (2)-(1):
-
σ p-Q2 -σp-Q1 =σ'p-Q2 -σ'p-Q1 +u p-Q2 -u p-Q1 Δσ p =Δσ'p +Δu p
El incremento de la presión en cualquier punto es igual al incremento de la presión efectiva más el incremento del esfuerzo del agua (presión neutra).
Para t=0: Al momento de aplicar la carga sobre el suelo arcilloso, se produce una reacción de forma inmediata en sentido opuesto, pero esta reacción no proviene de la arcilla (esqueleto del suelo), sino por parte del agua en el interior de ésta ya que aún no se ha producido ninguna deformación o reacomodo de las partículas del suelo. Esto da a entender que no va a existir un incremento de la presión efectiva ( Δσ'p
0 ) resultando que:
Δσ p =Δu p , para cualquier profundidad del
suelo arcilloso.
Es algo análogo con lo que sucede en una gata hidráulica, ya que al ejercer fuerza sobre el pistón, este transmite la fuerza al agua y, por ser ésta incompresible genera el aumento de presión en su interior; en el caso del suelo la arcilla por su baja permeabilidad hace las veces de pistón generando que la presión del agua en su interior aumente en todo su interior ( Δσp =Δh×γ0 ).
Fig. 04 “INCREMENTO DE PRESIÓN” Fuente: “PRINCIPIOS DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES” Braja M. Das
Para t=∞: A
medida que el tiempo transcurre el líquido al interior de la
arcilla va siendo expulsado poco a poco, lo que genera que el esfuerzo o presión efectiva aumente ( Δσ'p >0 ). Se considera que para un tiempo muy prolongado de la aplicación de la carga (t=∞), el agua al interior del suelo ha sido expulsado completamente ( Δu p =0 ) dando como resultado que el incremento de la presión total sea igual al incremento de la presión efectiva. Δσ p =Δσ'p . El esqueleto del suelo trabaja en su totalidad. “Este incremento gradual del esfuerzo efectivo en el estrato de arcilla
ocasionará asentamientos durante cierto tiempo y se conoce como consolidación” (PRINCIPIOS DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES, BRAJA
M. DAS) La consolidación se presenta en dos clases: Consolidación Primaria y la Consolidación Secundaria; la primera se da para t=0 y en el transcurso de la expulsión del agua cuando los esfuerzos están siendo transmitidos al esqueleto del suelo (la arcilla); la segunda, cuando ya se expulsó el agua (t=∞) e ntonces ocurre un reacomodo por parte del suelo ya que toda la carga está siendo soportada por la masa de suelo.
Se puede concluir que la consolidación depende de dos factores importantes; las cargas aplicadas y el tiempo en su proceso, como se mencionó antes una arcilla saturada no es problema al inicio de la cimentación sino una vez que se da la consolidación ya que puede producir asentamientos diferenciales. Por tal motivo se diseñaron métodos para calcular la consolidación del suelo entre ellos se puede mencionar el que fue llevado a cabo por Terzaghi en 1925 para la “CONSOLIDACIÓN UNIDIMENCIONAL”.
PRUEBA DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL O VERTICAL DE LOS SUELOS Según Terzaghi, al analizar una porción de suelo de un plano y teniendo como consideración que:
El suelo existente sobre el plano es infinitamente grande, se considera que los esfuerzos y las deformaciones horizontales son cero (aunque en la realidad si ocurren).
En el proceso de consolidación las posiciones horizontales de las partículas en un mismo plano son las mismas.
La variación de volumen y las deformaciones (reacomodo de partículas) ocurren en sentido vertical es por esta razón el nombre “UNIDIMENSIONAL”, se da en una sola dirección.
Se asemeja a lo que sucede en los suelos sedimentarios, las capas superiores de sedimento van aplastando a las capas inferiores reduciendo su volumen y provocando que sus partículas se consoliden; Es la forma clara de la
consolidación de suelos unidimensional (por que las capas superiores son enormes en comparación a las inferiores). Para realizar este análisis se emplean las partes representativas de los suelos (muestra inalterada) para calcularla magnitud y velocidad de asentamiento probables debido a las cargas aplicadas. “…En la aplicación de la teoría de la práctica de la mecánica de
s uelos , s e s uponen que las cons tantes s on ig uales tanto para el proces o rápido de laboratorio, que en el mucho más lento que tiene lug ar en la naturaleza”. (MECÁNICA DE SUELOS I, Juarez Badillo).
El instrumento empleado para este ensayo en laboratorio es el consolidómetro.
Fig. 05 “”
Fig. 06 “CORTE DE UN CONSOLIDÓMETRO” Fuente: Mecánica de Suelos I – JUAREZ BADILLO
EQUIPO UTILIZADO EN EL ENSAYO:
Dispositivos de Carga: Un dispositivo diseñado de tal forma que las cargas se apliquen las cargas verticales a la muestra, debe ser capaz de mantener la carga por periodos largos de tiempo con una precisión de ± 0.5% del valor de la carga, deberá permitir la aplicación de carga adicional.
Consolidómetro: Es una herramienta en la cual se mantiene la muestra dentro de un anillo cortante de metal el cual puede ser fij ado o ir flotante, cubierto en la parte superior e inferior por piedras porosas; este anillo debe poder estar sumergido en agua. La superficie del anillo debe estar perfectamente pulido para evitar que la muestra se altere. Las dimensiones del anillo son. 63.5 mm. De diámetro y 25.4 mm. De altura (dimensiones en su interior que es el tamaño de la muestra a ensayar).
Piedras Porosas: Podrán ser de carburo de sílice, óxido de aluminio o algún metal que no sea atacado por el suelo, ni por la humedad. El espesor de las piedras debe ser tal que no se rompan; la piedra superior deberá cargarse a través de una platina resistente a la
corrosión que debe ser suficientemente rígida para evitar el rompimiento de la piedra.
Cizalla o Cortador Cilíndrico: Vendrá a ser usado para tallar la muestra inalterada de tal forma que una porción de ésta entre en el anillo de prueba.
Balanza: Que será empleada para obtener el peso de la muestra antes y después de ser sometida a prueba; debe tener una precisión de 0.1 gr.
Deformímetro: Que será empleado para medir las deformaciones con una precisión de .0025 mm. (0.0001”)
Equipo adicional: Sierras de alambre, espátulas, navajas, cronómetro, horno, papel filtro (si es requerido).
FIg: 07 “CONSOLIDÓMETRO”
FIg. 08 “EQUIPO PARA EL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN VERTICAL”
PROCEDIMIENTO DE TRABAJO:
Lo primero que hay que hacer es preparar la muestra que, al llegar al laboratorio, debe ser inalterada, cubierta con parafina en toda su superficie (según ASTM D. 3550). El almacenamiento de la muestra debe ser tal que no presente evidencias de pérdida de humedad. Se quita toda la parafina y se coloca el anillo cortante en la muestra, el material excedente es cortado con un cuchillo. Se enrasa la parte superior e inferior del anillo cortante con la espátula
Fig. 09 “MUESTRA AL INTERIOR DEL ANILLO CORTAN TE” o
Se extrae cuidadosamente la muestra del anillo para ser medida (diámetro y altura), se realizan como mínimo tres mediciones y se toma el promedio de estas medidas como las dimensiones reales de la muestra para el ensayo. Posterior a ello se calcula el volumen del disco de suelo formado.
o
Se pesa el anillo y se registra su valor, la muestra de suelo es una vez más introducida en el anillo cortante.
o
Se lleva a pesar la muestra dentro del anillo, para de esa forma obtener el peso de la muestra restando a este el peso del anillo.
o
De la parte sobrante de la muestra inalterada se debe calcular el contenido de humedad “antes de la prueba”.
o
Se deben humedecer las piedras porosas y el papel filtro si el suelo está parcialmente saturado o deben estar secas si el suelo es expansivo.
Fig. 10 “COLOCAIÓN DE LA PIEDRA POROSA SUPERIOR”
Las cargas se aplican de forma gradual (1, 2, 4, 8…) y cada una de
ellas permanece por el periodo de 24 horas. Es importante que se llene de agua la caja de consolidación para que la muestra esté todo el tiempo en un medio saturado. ¿ Por qué debe aplicars e la carg a por un tiempo prolong ado? Se realiza de este modo con la finalidad de que la velocidad de deformación se haga prácticamente cero, que retorne a un estado de reposo
El modo de aplicación de las cargas es: el primer día 1 kg., al segundo día se aplica el doble de carga (2 kg.), al tercer día el doble del anterior (4 kg.) y así sucesivamente hasta obtener el grado de consolidación deseada.
A medida que se va aplicando cada carga y pasado el tiempo establecido se registran las pequeñas deformaciones que ha sufrido el suelo; para esto se realiza una gráfica de los datos obtenidos (Gráfica Deformación-tiempo: δ vs t); las deformaciones en escala natural y el tiempo en escala semilogarítmica.
Terminado el proceso, se empieza el proceso de descarga, para ello también se quita de forma gradual las cargas tomando nota de las variaciones en la altura de la muestra.
Cuando se extraiga la última carga, se debe desarmar rápidamente el consolidómetro para pesar la muestra con todo el anillo; registrado este dato, se procede a el secado llevándolo al horno a 110º C, se debe pesar la masa seca y determinar el contenido de humedad final “luego de terminada la prueba”,
Finalmente se realiza la gráfica Relación de Vacios-Esfuerzos. Todo esto servirá para cálculos posteriores.
Fig: 11 “GRÁFICA DEFORMACIÓN VS TIEMPO” Fuente: Fundamentos de ingeniería geotecnica, braja m. das
Fig. 12 “RELACIÓN DE VACÍOS VS PRESIÓN EFECTIVA” Fuente: Fundamentos de ingeniería geotecnica, braja m. das
De todo este procedimiento cabe resaltar que a medida que se aplican las cargas, el suelo está expulsando agua y sus part ículas están sufriendo reacomodos, pero cuando se está llegando al final de la prueba, el suelo tiene menos agua en su interior provocando que el reordenamiento de las partículas sea mucho menor; es por ello que las deformaciones finales son mucho menores que las que se dieron en un inicio. (En base a lo leído en
Mecánica de Suelos I, Juarez Badillo).
CÁLCULOS A REALIZAR:
Fig. 13 “TRAMOS EN LA CURVA e-δ” Fuente: Mecánica de Suelos I, JUAREZ BADILLO
Para cualquier estado de carga en el ensayo de una misma muestra, se tendrá que, al someter por segunda vez la muestra a cargas mayores, la curva generada será muy similar a la inicial “es su continuación”, sonde el tramo de recompresión o tramo inicial se da al inicio de aplicación de carga, el tramo virgen en aquel en el cual la variación de la relación de vacíos con respecto a la variación de esfuerzos es constante, el tramo de descarga como el aumento de la relación de vacíos a medida que se produce la disminución de esfuerzos. En base a esto se obtiene:
PARA ASENTAMIENTOS PRIMARIOS
ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD: Se calcula a partir de dos puntos ubicados en la parte virgen de la curva con a siguiente fórmula empírica: CC =
Δe ΔP
e1 -e2
=
logP2 -logP1
; O también:
CC =0.009(LL-10) , empleado para un cálculo aproximado de
consolidación primaria en el campo. Por la observación de varias arcillas naturales, Rendon Herrero (1983) da con el índice de compresibilidad mediante la fórmula:
1 e0 1.2 CC =0.141G s G s
2.38
Nagaraj y Murty, presentaron la fórmula de la siguiente manera:
LL(%) .G 100
CC =0.2343
s
Donde: LL: Límite Líquido en porcentaje Gs: Densidad del suelo e0: Relación de vacíos inicial Pi: Esfuerzo o presión en el suelo en la aplicación de la carga “i” ei: Relación de vacíos presente en el momento de la aplicación de la carga “i”
INTERPRETACIÓN DE LAS GRÁFICAS:
Lo que pude entender es que en vista que el proceso de consolidación es un proceso a través del tiempo, la gráfica “deformación vs tiempo”, expresa cómo se deforma el suelo ante un aumento de carga gradual en intervalos iguales de tiempo para cada carga.
En la gráfica “relación de vacíos vs Esfuerzos”, se tiene como el volumen de vacíos se ve reducido (expulsión de líquido) ante el aumento de esfuerzos por el aumento de carga.
Todo esto se lleva a cabo en un lugar confinado, ya que el suelo está cubierto por toda su superficie por el equipo (consolidómetro)
OTROS ENSAYOS A REALIZAR PARA LA DETERMINACIÓN DE CONSOLIDACIÓN DE SUELOS: ENSAYO TRIAXIAL DE SUELOS. (Ensayo en laboratorio)
Fig. 14 “EQUIPO PARA ENSAYO TRIAXIAL” Fuente: http://www.calinor.es/tr.JPG
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR-SPT. (Ensayo en campo).
Fig. 15“ENSAYO SPT” Fuente: http://www.myv-sg.com/exploracion-geotecnica/
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁTICA-CPT-CPTu (Ensayo en campo). ENSAYO DE PENETRACIÓN DINÁMICA-BORROS (Ensayo en campo).
Fig. 16 “ENSAYO DE PENETRACIÓN DINÁMICA” Fuente: http://icc.ucv.cl/fondef/fondefescuela/tranques1.htm
ENSAYO PRESIOMÉTRICO (Ensayo en campo).
Fig. 17“PRESIOMÉTRICO” Fuente: http://www.notasingenierocivil.com/2011/05/ensayo-presiometrico-en-el-terreno.html
ENSAYO DILATOMÉTRICO DE MARCHETTI (Ensayo en campo).
Fig. 18 “DILATÓMETRO DE MARCHETTI” Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo/investigacion/geotecnia/ensayos/marchetti.php
ENSAYOS DE PLACA DE CARGA (Ensayo en campo).
Fig.19 “USO DE PLACA DE CARGA EN CAMPO”
EQUIPO EN EL LABORATOIO DE MECÁNICA DE SUELOS
Fig. 20 “MUESTRAS SECADAS AL HORNO LUEGO DEL ENSAYO”
Fig. 21 “PIEZAS DEL CONSOLIDÓMETRO”
Fig.22 “CONSOLIDÓMETRO”
“CONSOLIDÓMETRO DE LA UNHEVAL”
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
http://www.slideshare.net/UCGcertificacionvial/consolidacin-
unidimensional-de-los-suelos-1823900 Titulo: ENSAYO DE CONSOLIDACION Autor: Universidad Técnica Particular De Loja UNIDIMENSIONAL DE SUELOS. http://es.scribd.com/doc/35439915/Consolidacion
TITULO: “CONSOLIDACIÓN” AUTOR: INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO
TÍTULO “FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA” AUTOR: BRAJA M. DAS
TÍTULO: “PRINCIPIOS DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES” AUTOR: BRAJA M. DAS
TÍTULO: “MECÁNICA DE SUELOS I-TOMO I” AUTOR: JUAREZ BADILLO
TÍTULO: “REGLAMENTO NACIONAL DE EDIFICACIONES” AUTOR CAPECO
TÍTULO: “CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS” AUTOR: -
TÍTULO: “ENSAYOS IN SITU EN EL CÁLCULO DE ASIENTOS” AUTOR:
-
