Analisis de Asentamientos

ASIGNATURA: MECANICA DE SUELOS

CITEC / PROF. ING. MARCO ANTONIO BERUMEN RODRIGUEZ

2.- Análisis de asentamientos

La conso l idac ión es e l proceso de asentamiento de los sue los , cuando están saturados y sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros.

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.

El ensayo de consolidación es un ensayo bastante complicado debido a que tiene un complejo procedimiento, en el cual debemos ver cómo va variando el volumen del suelo al aplicar la carga, con una duración de 2 semanas aproximadamente. Este ensayo esta estandarizado por la norma norteamericana ASTM D-2435.

CONSOLIDACION: Cuando un suelo saturado, se encuentra sometido a una presión permanente, por ejemplo, la proporcionada por el peso del suelo suprayacente o a la carga de una cimentación, su volumen disminuirá.

Al ser consideradas incompresibles, tanto las partículas solidas como el agua existente en los poros, la disminución de volumen solo puede ocurrir si el agua es expulsada de los poros, reduciéndose, asi, el tamaño de estos y posibilitando que las partículas solidas se aproximen entre si. Este proceso se denomina consolidación. El descenso vertical producido por el cambio de volumen se denomina asentamiento.

La cuantía de la consolidación producida por un aumento unitario de la presión depende de una propiedad del suelo denominada compresibilidad. La velocidad con que se ira produciendo el asentamiento, dependerá de la facilidad con que el agua salga del suelo y por tanto, se relaciona con la permeabilidad del mismo. Ambos factores se combinan en un factor compuesto, denominado coeficiente de consolidación del suelo.

Consolidación primaria o unidimensional

Este método asume que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio utilizados han permitido construir una interpolación entre la deformación o el índice de vacios y la tensión efectiva en una escala logarítmica. La pendiente de la

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interpolación es el índice de compresión. La ecuación para el asiento de consolidación de un suelo normalmente consolidado puede ser determinada entonces como:

donde:δc es el asiento debido a la consolidación.Cc es el índice de compresión.e0 es el índice de vacios inicial.H es la altura de suelo consolidable.σzf es la tensión vertical final.σz0 es la tensión vertical inicial.

Cc puede ser reemplazada por Cr (índice de recompresión) para usar en suelos sobreconsolidados donde la tensión final efectiva es menor que la tensión de preconsolidación, o lo que es lo mismo, para suelos que hubieran sido consolidados con más intensidad en el pasado. Cuando la tensión final efectiva sea mayor que la tensión de preconsolidación, las dos ecuaciones deben ser usadas en combinación de un modelo conjunto como sigue:

donde σzc es la tensión de preconsolidación del suelo.

Son muchas las causas que producen los asentamientos de las estructuras, entre los principales están la consolidación y la distorsión del subsuelo, directamente relacionadas con la carga que se trasmite al mismo.

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A un proceso de disminución del volumen que tenga lugar en un lapso determinado, provocado por el aumento de las cargas sobre el suelo, se le llama proceso de consolidación.

Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación, la posición relativa de las partículas solidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma, así, el movimiento de las partículas de suelo ocurre solo en dirección vertical. Esta es la consolidación unidireccional o unidimensional.

A continuación se presenta un resumen de las formulas de la teoría de la teoría de la consolidación que se usan con frecuencia para el cálculo de asentamiento.

Coeficiente de permeabilidad:

Formulas para calcular el asentamiento por consolidación de un estrato de espesor H:

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Fórmula para calcular el asentamiento por consolidación en el tramo virgen de la curva de consolidación:

Consolidación secundaria

La consolidación secundaria tiene lugar después de la consolidación primaria a consecuencia de procesos más complejos que el simple flujo de agua como pueden ser la reptación, la viscosidad, la materia orgánica, la fluencia o el agua unida mediante enlace químico algunas arcillas. En arenas el asiento secundario es imperceptible pero puede llegar a ser muy importante para otros materiales como la turba.

La consolidación secundaria se puede aproximar mediante la siguiente fórmula:

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Donde H0 es la altura de consolidación mediae0 es el índice inicial de vaciosCa es el índice secundario de compresión

Diferencia entre consolidación y compactación

La consolidación es un proceso acoplado de flujo 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 1 ya que en ese caso hablamos de compactación. A raíz de esto, hablamos de compactación cuando el terreno no esta totalmente saturado y actúan fuerzas sobre el terreno tales como la succión capilar del agua intersticial.

En estos casos y en otros similares, las características de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cualitativamente, con aproximación razonable, realizando pruebas como un ensayo edométrico o ensayos triaxiales sobre especímenes representativos del suelo, extraídos en forma inalterada.

Se puede así calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables a las cargas aplicadas así como el tiempo de consolidación. Al predecir el asentamiento por consolidación y su rapidez en condiciones de campo reales, el ingeniero tiene que hacer varias suposiciones simplificatorias. Éstas se refieren al índice de compresión, al coeficiente de consolidación, a la presión de preconsolidación, a las condiciones de drenaje y al espesor del estrato de arcilla. La estratificación del suelo no es siempre

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uniforme y con propiedades ideales; por consiguiente, el comportamiento en el campo se desvía de lo predicho, requiriéndose entonces ajustes durante la construcción.

En términos de Ingeniería, el asentamiento se define como el movimiento vertical o diferencial de una estructura que puede resultar en fallas sobre esta. El tipo de falla puede ser simplemente arquitectónico, Funcional (de serviciabilidad), o daño estructural.

Algunas de las causas más comunes de asentamiento son la consolidación de suelos de baja densidad o intemperizados, asentamiento de rellenos profundos, y el desarrollo de cavidades o tubificacion. Las cimentaciones también pueden experimentar asentamientos por desastres naturales como terremotos o por inundaciones.

Hay otros factores que influyen en el asentamiento tolerable en estructuras, por ejemplo, el asentamiento diferencial y total dependen también de la flexibilidad y complejidad de la estructura, incluyendo tipo de material y tipo de conexiones o juntas. A este aspecto hay un texto de Terzaghi (1938) que dice: “El asentamiento diferencial debe ser considerado inevitable para cada cimentación, a menos que la cimentación este soportada por roca sólida. El efecto del asentamiento diferencial en la construcción dependen en gran medida del tipo de construcción.”

La distorsión angular δ/L esta definida como el asentamiento diferencial entre dos puntos divididos por la distancia entre ellos. De acuerdo a estudios comparativos (Skempton and MacDonald, 1968), cuando se tiene una distorsión angular de más de 1/300 se observan daños funcionales y cuando excede de 1/150 se pueden anticipar daños estructurales. El criterio de la distorsión angular de 1/150 y 1/300 son derivadas de observaciones en varios edificios, por lo que este criterio solo tiene la intención de ser una guía, y no sustituye las evidencias visuales y físicas de un caso en particular.

Las cimentaciones sujetas a asentamiento son usualmente afectadas por la combinación de movimiento vertical y horizontal. Por ejemplo una causa común de la afectación de la cimentación es por asentamiento del relleno. Un asentamiento en el relleno causa ambos desplazamientos (verticales y horizontales). En estos casos el movimiento lateral es un resultado secundario del movimiento vertical primario debido al asentamiento de la cimentación.

Un relleno profundo ha sido definido como aquel relleno que tiene un espesor mayor de 6 metros (20 pies) (Greenfield and Shen, 1992). Después del término de la masa de relleno, el agua se puede infiltrar hacia el subsuelo debido a infiltración, lluvias intensas, o fugas en tuberías. Esta situación puede causar hidrocompresion en cierto espesor del

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relleno debido a aumentos en la humedad del relleno. Estos incrementos de humedad también pueden atribuirse a la alteración de las superficies de drenaje superficial que permitan al agua de lluvia acumularse o encharcarse cerca de la cimentación.

Hay varias posibles causas por las que la compactación relativa de un relleno puede cambiar con el tiempo, por ejemplo: Puede haber compresión del relleno causado por el peso propio del relleno y de las estructuras sobre el, puede haber asentamiento también por vibraciones o actividad sísmica que afectan a rellenos granulares.

TEORÍA ELÁSTICA. La teoría elástica permite resolver muchos problemas de deformación bajo muy diversas condiciones del medio elástico siempre y cuando se hagan respecto a ese medio, hipótesis de comportamiento de tipo simplificatorio.

En primer lugar ha de mencionarse el hecho de que por ser los suelos no homogéneos y anisótropos, se apartan decisivamente de las hipótesis usualmente atribuidas al medio elástico. El hecho más importante estriba en que los suelos no son elásticos menos aun linealmente elásticos. Por otra parte, la relación de Poisson es muy difícil de medir en la práctica, aparte de que varia con gran cantidad de factores. Sin embargo en muchos casos prácticos las distribuciones de esfuerzos que se obtienen mediante la aplicación de la teoría elástica, han resultado satisfactorias.

Es frecuente en la practica emplear la hipótesis simplista que considera que la trasmisión de las presiones causadas por una zapata se distribuye uniformemente según un ángulo α, usualmente de 30°. (Ver figura del apéndice XII). En este caso se usa la formula:

El termino Cs que aparece en la formula se obtiene del apéndice XII.

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Asentamiento elástico

Asentamiento elástico basado en la teoría de la elasticidad

El asentamiento elástico de una cimentación superficial se estima usando la teoría de la elasticidad y aplicando la ley de Hooke.

Teóricamente, si la cimentación es perfectamente flexible, el asentamiento puede expresarse como:

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Asentamiento elástico de cimentaciones flexibles y rígidas

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Para calcular el asentamiento en el centro de la cimentación, usamos:

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Para calcular el asentamiento en una esquina de la cimentación:

Cuando Df=0, el valor de If=1

El Asentamiento elástico de una cimentación rigida puede estimarse con:

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Debido a la naturaleza no homogénea de los depósitos de suelo, la magnitud de E, puede variar con la profundidad. Por esta razón, Bowles (1987) recomienda usar un promedio ponderado de E.

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Índice de compresión Cc

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Éste describe la variación del índice de vacío como una función de la variación de la tensión efectiva σef representada en la escala logarítmica:

Índice de vacío e versus tensión efectiva σef

Por lo tanto, representa una de las características de deformación del suelo sobreconsolidado:

Donde: Δe - Variación del índice de vacíoΔlogσef - Variación de la tensión efectiva

Range of compression index Cc (Naval Facilities Engineering Command Soil Mechanics DESIGN MANUAL 7.01): Un rango típico de índice de compresión es de 0,1 to 10.

Para arcillas ligeramente sobreconsolidadas y limos controlados el USA Louisiana Kaufmann and Shermann (1964) se presentan los siguientes valores:

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Prof. Juan M.Pestana-Nascimento (University of California, Berkeley) ofrece los siguientes valores típicos de índice de compresión Cc:

Además, está disponible la expresión empírica para determinar aproximadamente el valor de Cc

(índice de compresión) para limos, arcillas y suelos orgánicos; su aplicación sin embargo, es más o menos local:

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WL o LL : Limite liquido

Un valor que se emplea bastante en el cálculo de asentamientos de estructuras para suelos normalmente consolidados es el siguiente, dado por Terzaghi y Peck, llamado Índice de compresión:

Cc = 0.009 (L. L.-10)

La compresibilidad de los suelos puede expresarse así:

Baja ― Cc de 0.0 a 0.19

Media ― Cc de 0.2 a 0.39

Alta ― Cc de 0.4 o más

El valor de Cc puede determinarse, según autores, por:

Cc = 0.156 e0 + 0.0107, para todas las arcillas

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Cc = 0.30 (e0 – 0.27), para arcillas inorgánicas, arcillas limosas y limos, según Hough.

Cc = 0.75 (e0 – 0.5), para los suelos de baja plasticidad.

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PRECONSOLIDACION

Un suelo preconsolidado y sobreconsolidado es lo mismo. Un suelo sobreconsolidado es aquél en el que la tensión a la que está sometido es inferior a la máxima histórica (por ejemplo un suelo en el que ha producido un proceso erosivo que lo ha descargado).

Un suelo normalmente consolidado es aquél cuya tensión actual (debida generalmente al peso propio) es la máxima que ha soportado en toda su "historia" (por ejemplo, un suelo de marisma recientemente depositado).

El concepto es importante porque el comportamiento del suelo no es igual en carga o en recarga (a diferencia de un material elástico). Por esa razón, en general los suelos normalmente consolidados son más deformables que los sobreconsolidados.

Un suelo se dice que es normalmente consolidado cuando durante su pasado geológico nunca fue sometido a presiones efectivas superiores a la que actualmente experimenta. Queda definido por oposición, cuándo un suelo es preconsolidado.

Uno de los métodos posibles para definir el estado inicial de consolidación o lo que es lo mismo, si un suelo está preconsolidado o no. Esto es, mediante el cálculo del OCR (over consolidation ratio) de la σ’vc (presión de preconsolidación). Se define OCR como la relación entre la presión vertical máxima a la que fue sometido el suelo y la presión actual. Y σ’vc a la presión máxima bajo la que ha estado sometida la muestra.

Si O.C.R. > 1 será suelo sobre consolidado, y si O.C.R. ≤ 1 sera suelo normalmente consolidado (si es mayor de 5 es muy sobre consolidado)

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El grado de consolidación es un valor que también depende de la profundidad; en ciertos suelos, en profundidades someras, el O.C.R. puede ser de 5 ó 8, y a gran profundidad tiende a valer 1.

Un estrato de suelo puede quedar preconsolidado debido a diferentes causas entre las cuales se pueden nombrar: la erosión y el deshielo que disminuyen el peso sobre el estrato, y la desecación y descenso de la napa freática que generan altas presiones efectivas. Es posible que para un suelo cementado, la curva de compresibilidad obtenida de un ensayo de consolidación muestre una presión de preconsolidación aparente (Bjerrum 1967).

Los yacimientos que se encuentran en un estado tal que la única carga de consolidación que ha actuado durante su historia es la actual geo estática, y que es la máxima soportada hasta ahora, se dice que son normalmente consolidados.

Los yacimientos que han sido sometidos a uno o varios ciclos de descarga, se dice que son preconsolidados; en ellos, la carga actual no es la máxima tensión a la que han estado sometidos en su historia.

Arcillas: En arcillas que nunca han estado sometidas a mayores presiones que las que están soportando en este momento, que son debidas a las capas de suelo que están sobre ellas, en esas arcillas, (normalmente consolidadas), la experiencia indica que el contenido de humedad natural (w), se encuentra comúnmente cerca del limite liquido (WL o L.L.).

Si la humedad (w) es mucho menor que el limite liquido (WL o L.L.), la sensibilidad de la arcilla es excepcionalmente baja. Si la humedad (w) es mucho mayor que el limite liquido (WL o L.L.), la arcilla será de alta sensibilidad.

Sensibilidad: Es el efecto que produce el amasado sobre la consistencia de la arcilla. El grado de sensibilidad es distinto para distintas arcillas, e incluso en unas mismas arcillas puede ser distinto para distintos grados de humedad. Se mide por la relación entre la resistencia a la compresión simple de la arcilla inalterada con la resistencia a la compresión simple de la arcilla amasada, o sea:

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