Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático”
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FILIAL HUANCAYO
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
MECÁNICA DE SUELOS II
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA
Cátedra:
Ing. Jorge AGUIRRE
Nombre: CARRANZA MIRABAL, Jhon Cristian ACUÑA HUANHUAYO, HUANHUAYO, Juan Diego DIAZ DE LA CRUZ, Luis Alberto HUAMAN PONCE, Yessica Lucero GARCIA FERNANDEZ, Miguel Elias LAURA CORAS, Jenny Caterine MANTARI ALVARO, Amy Shirley MANTARI ALVRO, Luis Angel
HUANCAYO – PERÚ 2014
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Contenido
1.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ ............................................................................................................... 3
2.
OBJETIVOS ................................................................. ........................................................................................................................ ....................................................... 4
3. ASENTAMIENTO ASENTAMIENTO DEL SUELO ........................................................................................ ....................................................................................... 5 3.1
Definición: .................................................................................................................... 5
3.2
Proceso de consolidacion: ........................................................................................ 5
3.3
Estado inicial Tiempo t = 0 ........................................................................................ ....................................................................................... 6
3.4
Estado intermedio tiempo t ≠ 0 ................................................................................. ................................................................................ 7
3.5 Concepto de Consolidación. .......................................................................................... 8 4. ASENTAMIENTO ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN SECUNDA SECUNDARIA RIA ...................................... 11 4.1 Porcentaje de Consolidación. ...................................................................................... 12 4.2 Hipótesis de validez: .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 13 4.3 Cálculo del coeficiente de consolidación Cv (Método de Casagrande) ................ 14 5.
Ejercicios Aplicativos ............................................................. ........................................................................................................ ........................................... 16
6.
........................................................................................................................ 19 Conclusión .........................................................................................................................
7.
Bibliografía ......................................................................................................................... ........................................................................................................................ 20
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 1. INTRODUCCIÓN Cuando el terreno sobre el cual se desplanta una estructura está formado por una capa de arcilla, por lo general se deben tomar las precauciones necesarias a fin de evitar que la estructura sufra asentamientos excesivos. Debido a que la consolidación gradual de la arcilla de la arcilla es causa de asentamientos, en muchas ocasiones no previstas, la compresibilidad de los estratos de arcilla ha recibido gran atención durante los últimos años. Es por ellos que se han elaborado métodos y teorías que permiten estimar la magnitud y la distribución de los asentamientos, de tal manera que si se considera que estos resultan excesivos, se pueda modificar el proyecto de cimentación. ASENTAMIENTO; proceso de disminución de volumen por reducción de relación de vacíos debido a eliminación de aire y agua de poros, causado por aumento de esfuerzos verticales.
Volumen de suelos cambia por: Cambio de volumen de partículas minerales: Ocurre a s´ muy altas. Fuera de rango usual de cargas de obras
Partículas minerales = “Sólidos”
Cambio de volumen de vacíos: Agua y Aire son incompresibles Cambio de volumen de vacíos debido a flujo de agua y aire
Tiempo en que se desarrolla asentamiento: Depende de:
Carga externa (q) Conductividad hidráulica (k) Seco: Asentamiento instantáneo
Arenas No saturado
k alto: asentamiento Saturado
instantáneo
Seco: Asentamiento instantáneo Arcillas No saturado
k bajo: asentamiento deferido en Saturado
tiempo Consolidación)
Asentamiento instantáneo: Controlable en tiempo de obra Asentamiento diferido: Debe preverse en etapa de proyecto para evitar falla de obra En este capítulo se presenta la teoría clásica que se puede utilizar para estimar los asentamientos a largo plazo en suelos saturado teniendo como punto de partida ¿Qué es asentamiento?, los tipos de asentamiento en la cual desarrollamos unos de os tres tipos de asentamiento que el ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 2. OBJETIVOS
Los objetivos del presente trabajo son: -
Adquirir conceptos fundamentales sobre asentamientos en los suelos.
-
Diferenciar los conceptos entre asentamiento inmediato, asentamiento por consolidación primaria y asentamiento por consolidación secundaria.
-
Conocer y saber utilizar las fórmulas para la solución de
problemas
sobre
asentamiento.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 3. ASENTAMIENTO DEL SUELO 3.1 Definición: La consolidación es un proceso que se produce en los suelos y consiste en la reducción del volumen total del suelo provocado por la colocación de una carga o el drenaje del terreno.
3.2 Proceso de consolidacion: Cuando el suelo se somete a una sobrecarga, los esfuerzos totales se incrementan en esa misma cuantía. En suelos saturados, esto conduce al incremento de la presión de poros; pero dado que el agua no resiste esfuerzos cortantes, sin que se modifique el nuevo esfuerzo total, el exceso de presión intersticial se disipa a una velocidad controlada por la permeabilidad k del suelo, con lo que el esfuerzo efectivo se va incrementando a medida que el agua fluye.
Change in pore water pressure occurring as clay soil consolidates
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Supongamos un elemento de suelo blando y saturado que tiene la posibilidad de drenar el agua contenida en sus poros según la ley de Darcy y al que sometemos a una presión hidrostática “s” exterior.
3.3
Estado inicial Tiempo t = 0
Toda la tensión externa la toma el agua que es incompresible por lo que no hay cambio de volumen. Los granos no interfieren entre si por lo tanto no generan tensiones de fricción lo que equivale a decir que no hay tensión efectiva.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 3.4 Estado inter medio tiempo t ≠ 0 El agua comienza a drenar, el volumen total disminuye y los granos comienzan a tocarse entre sí, por lo tanto generan tensiones de fricción lo que equivale a decir que hay tensión efectiva. El agua sigue con presión y disminuyendo por lo tanto la presión neutra es menos a la presión aplicada.
Estado final tiempo t = ∞
El agua drenó, el volumen disminuyó, lo que provocó un mayor contacto entre los granos, e tal forma que ahora la estructura granular es capaz de tomar la totalidad de la carga externa, por lo tanto no hay más presión neutra.
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3.5 Concepto de Consolidación.
La transferencia de presión neutra “u” a tensión efectiva “p’” se mide con el porcentaje de
consolidación U%
Si obtenemos una muestra inalterada del manto de suelos compresible, tenemos que tratar que la misma bajo un estado de carga unidimensional, se deforme de la misma forma que lo hace en el terreno.
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Esquema de un marco de carga, para un ensayo de consolidación.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL Aplicada la carga y cuando las presiones neutras (presiones intersticiales) se disipen, el manto compresible experimentará asentamientos por consolidación. Este asentamiento se generará a partir de la disminución de los vacíos de la estructura del suelo, por lo tanto podemos hacer:
Teniendo en cuenta que los asentamientos por consolidación primaria, son una función de la relación de vacío, podemos ensayar una pastilla de suelos en el equipo de consolidación y determinar la relación de vacíos “e” para distintas presi ones efectivas, a los efectos de obtener una ley de variación de e = f (p’)
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 4. ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA Durante la consolidación primaria, suponemos que el exceso de presión intersticial o neutra generada por la carga aplicada, se disipa totalmente al alcanzar el 100 % de la consolidación. Sin embargo en ciertos suelos, los asentamientos continúan luego de la consolidación primaria. A esta etapa de la generación de asentamientos se la llama Consolidación Secundaria y se cree que los mismos se generan por un fenómeno de creep en los suelos.
Proceso de Consolidación = Transferencia de presiones neutras a presiones efectivas dentro de la masa del suelo. Consecuencia = Asentamientos
Inicio Tiempo t = 0
Para un tiempo t ≠ 0
→
→
=
El agua empieza a desplazarse hacia las piedras porosas recorriendo un camino Máximo = H El tiempo necesario para que u = 0 dependerá de la tensión aplicada, de la permeabilidad del suelo y de la distancia H.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 4.1 Porcentaje de Consolidación.
] [ En este punto redefinimos el valor de la altura del manto compresible como de “2H” donde H es ahora el recorrido máximo de una partícula de agua.
a) b) c)
Con éstas hipótesis de partida, podemos plantear una ecuación que nos resuelva el problema del fenómeno de consolidación en los suelos.
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Derivando respecto de z
Analizando el flujo del agua en el elemento de la figura anterior, se llega a la siguiente ecuación diferencial.
Dónde:
= coeficiente de consolidación
4.2 Hipótesis de validez: a) El flujo de agua es solamente vertical por la cara superior y la cara inferior. b) El espesor del manto es de 2.H por lo que el recorrido máximo de una partícula de agua es H. c) Se supone por el espesor de la muestra que la presión aplicada “p”es constante en todo el espesor de la misma. d) El asentamiento que experimenta el manto es despreciable frente al espesor, por lo que podemos considerar z = cte. e) k es el coeficiente de permeabilidad de la muestra y el escurrimiento en el suelo cumple con la ley de Darcy. f) Por estar comprendida dentro de un anillo rígido la deformación de la muestra es solamente en el sentido vertical. Cuya solución está dada por la siguiente serie de Fourier.
⁄ ∑ [ ] Dónde:
→
Es el llamado FACTOR DE TIEMPO
Con los coeficientes extractados de la resolución de la ecuación de consolidación podemos resolver nuestro problema que es, calcular el tiempo en que se producen los asentamientos.
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(Adimensional)
* + Dónde: T es el Factor de Tiempo (adimensional) y está vinculado al porcentaje de consolidación “ U” por la ecuación (3) o por los valores de la Tabla I.
Y además:
(cm /seg)
(cm /kg)
2
2
Coeficiente de consolidación
Coeficiente
de
compresibilidad
volumétrica
Coeficiente de compresibilidad
4.3 Cálculo del coeficiente de consolidación Cv (Método de Casagrande)
Representando el factor de tiempo “T”que es directamente proporcional al tiempo “t”, con el % de consolidación “U”que es proporcional al asentamiento “S”, en el mismo gráfico de e – Log
(t). Vemos que existen algunas diferencias en la forma de la curva teórica (azul) y la práctica (roja). En la primera parte los desajustes se deben a un ajuste del ensayo al aplicar la carga. En la parte final se debe a la existencia de la consolidación secundaria. Sin embargo se aprecia una coincidencia muy importante en la parte central entre las dos curvas. Podemos entonces calcular el tiempo para U = 50% de consolidación con lo que nos queda definido el factor de tiempo que le corresponde T = 0,197
t50% = Valor en seg. que se obtiene del gráfico para cada carga en el ensayo de consolidación.
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U = 50% → T=0,197 → De la tabla I
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 5. Ejercicios Aplicativos 1.-En un estrato de arcilla de 5m de espesor el asentamiento por consolidación primaria tendrá una variación de relación de vacíos inicial, final, producto de la colocación descarga en la superficie, y se sucederá en un lapso de 4 años. Estimar el asentamiento por consolidación secundaria que ocurrirá a los 8 años de haber colocado la sobrecarga, considerando que el índice de compresión secundaria es
() )() ( 2.- En un estrato de arcilla blanda, homogénea de 10 metros de espesor, subyacente en el fondo de una excavación para una cimentación cuadrada de 10x10 metros, tiene las siguientes características. Hallar la expansión inmediata.
⁄ ⁄
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL Factor de forma Ff, es L/B=1 Cuadrada Z/B = 1000/1000=1 Ff=0.7
3.- En estrato de arcilla blanda, homogénea de 5 metros de espesor, se realizan pruebas de laboratorio para determinar sus características de expansión, obteniéndose un módulo de
⁄ . Determinar la expsion lenta (considerando que se
expansibilidad primaria desprecia al expansión secundaria).
H=500 cm
4.- supongo que la consolidación primaria termina se terminara en 3.5 años. Estime la consolidación secundaria que ocurrirá de 3.5 a 10 años después de la aplicación de la carga. Si c= 0.022, cual es el asentamiento total por consolidación después de 10 años SOLUCION De la ecuación (6.26), tenemos
El valor se calcula:
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL Combinando las ecuaciones (6.12)y (6.17), obtenemos
Asentamiento total por consolidación = asentamiento (s) por consolidación primaria asentamiento (s) por consolidación secundaria. Del ejemplo 6.4 S= 101mm, por lo que el asentamiento total por consolidación = 101 + 27 = 128 mm.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 6. Conclusión
se llegó a la conclusión de que el asentamiento de una arcilla o de cualquier tipo de suelo depende de la conductividad (permeabilidad) hidráulica de este. A diferencia de la consolidación primaria el proceso de consolidación secundaria no contempla la expulsión de agua de los poros, sino más bien se refiere a la reorientación, fluencia y descomposición de materiales orgánicos en el suelo por lo que tampoco es preponderante un cambio en esfuerzo efectivo para que desarrolle.
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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL 7. Bibliografía
1. Consolidación de suelos. Anón. Disponible en: http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Capitulo%205%20Consolidacion%20de%20suelos .pdf 2. Consolidación Unidimensional de suelos. Geología y Geotecnia. Mauro Poliotti y Pablo Sierra. Disponible en: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/10762/Capitulo3.pdf 3. Calculo de Asentamiento por Consolidación primaria y Secundaria. Anón. Disponible en: http://albatros.uis.edu.co/eisi/ArchivosProfesores/U9186/CONSOLIDACION%20DE%20 SUELOS%20.pdf 4. Consolidación. Prof. Jesús Torres Hoyer. Disponible en: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/j.torres/materias/Mecanica%20de%20Suelos/Co nsolidacion.pdf 5. Consolidación de suelos. Geotecnia. Ing. Augusto J. Leoni. Disponible en: http://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Consolidacion%20unidim%20de%20su elos_2011s2.pdf
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