Consolidacion

7/17/2019 Consolidacion

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CONSOLIDACION DE SUELOS-PARTE 1

Ing. Percy De La Cruz I.

MECÁNICA DE SUELOS II

Semana uno

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDESEscuela Profesional de Ingeniería Civil



CONSOLIDACION DE SUELOS

INTRODUCCION

Un incremento del esfuerzo provocado por la construcción de cimentaciones u otrascargas comprime los estratos del suelo. La compresión es causada por a) deformación de

las partículas del suelo, b) reacomodo de las partículas del suelo, y c) expulsión de agua oaire de los espacios vacíos.

El asentamiento del suelo o de una cimentación puede dividirse en dos categoríasprincipales: (a) asentamiento inmediato o elástico y (b) asentamiento por consolidación.

El asentamiento por consolidación comprende dos fases: primaria y secundaria. Elasentamiento por consolidación ocurre con el tiempo (depende del tiempo).

Asentamiento inmediato, provocado por la deformación elástica del suelo seco y desuelos húmedos y saturados sin ningún cambio en el contenido de agua. Los cálculos delos asentamientos inmediatos se basan, generalmente en ecuaciones derivadas de la

teoría de elasticidad.Asentamiento por consolidación primaria, es el resultado de un cambio de volumen ensuelos saturados cohesivos debido a la expulsión del agua que ocupa los espacios vacíos.

Asentamiento por consolidación secundaria, se observa en suelos saturados cohesivos y

es resultado del ajuste plástico de la estructura del suelo. . El asentamiento porconsolidación secundaria ocurre después de terminar la consolidación primaria.



INTRODUCCION

En campo, cuando el esfuerzo sobre un estrato de arcilla saturada se incrementa,por ejemplo, por la construcción de una cimentación, la presión del agua de poro enla arcilla se incrementará, debido a que la permeabilidad de las arcillas es muypequeña, el cual se requerirá algún tiempo para que el exceso de presión del aguade poro si disipe y el incremento del esfuerzo se transfiera a la estructura del suelo.

En suelos arenosos que son altamente permeables, el drenaje causado por elincremento en la presión de poro del agua se lleva acabo inmediatamente. En estecaso el drenaje del agua de los poros va acompañado por una reducción en elvolumen de la masa del suelo, generándose un asentamiento. Debido al rápidodrenaje del agua de los poros en los suelos arenosos, el asentamiento inmediato yla consolidación se efectúan simultáneamente.

Sin embargo no es el caso para suelos arcillosos, que tienen baja permeabilidad.




De acuerdo con la grafica 1.16, si ∆σ es una sobrecarga en la superficie del terrenosobre un área muy grande, el incremento del esfuerzo total en cualquierprofundidad del estrato de arcilla será igual a ∆σ .




Por lo tanto, el incremento del esfuerzo efectivo en el tiempo t=0 será:


Teóricamente, en el tiempo t=∞, cuando todo el exceso de presión del agua de poro enel estrato de arcilla se ha disipado como resultado del drenado hacia los estratos dearena.

Entonces el incremento del esfuerzo efectivo en el estrato de arcilla es:∆σ′= ∆σ - ∆u = ∆σ – 0 = ∆σ, en este caso el incremento de es fuerzo

total ∆σ se tomará entonces por la estructura del suelo(∆σ=∆σ′) (figura 6.1d).

Este incremento gradual del esfuerzo efectivo en el estrato de arcilla ocasionará

asentamientos durante cierto tiempo y se conoce como consolidación.

Sin embargo, cuando t=0 (inmediatamente después de aplicar el esfuerzo), el incremento depresión de agua de poro del agua a cualquier profundidad ∆u será igual que ∆σ.

∆u=∆ℎ ϒω= ∆σ (para el tiempo t=0)

Esto se debe a que la arcilla tiene muy baja permeabilidad y el agua es incompresiblecomparada con el esqueleto del suelo. Lo cual el esfuerzo incrementado total, ∆σ, serátomado por el agua (∆σ=∆u) a toda profundidad (fig. 6.1b). Por lo que ningún esfuerzo serátomado por el esqueleto del suelo (es decir, el esfuerzo efectivo incrementado ∆σ′=0).




Figura 6.1. Variación del esfuerzo total, presión de poro del agua y esfuerzo efectivo en un estrato de arcilladrenada arriba y abajo como resultado del esfuerzo agregado ∆σ.



MEDICION EN CAMPO DE PRESION DE POROS



El esfuerzo efectivo es la diferencia entre el esfuerzo total en una dirección y lapresión de poros en los vacíos del suelo. Es el esfuerzo de contacto entre laspartículas del suelo o aquel esfuerzo tomado por los solidos del suelo.

CONCEPTO DE ESFUERZO EFECTIVO Y PRESION DE POROS

«Todos los efectos tangibles provocados por un cambio de presión, tales como lacompresión, distorsión angular, y cambios en la resistencia al corte, se debenexclusivamente a los cambios de los esfuerzos efectivos».

= ‘ + u >>> ‘ = - uTerzaghi, 1936:

Presión de poro

Es la presión del agua que reduce la resistencia del suelo

’

’

’

’ ’

’

u u

u



En un volumen dado de suelo, las partículas de sólidos están distribuidas al azar conespacios vacíos entre ellas. Los espacios vacíos son continuos y están ocupados poragua, aire o ambos. Para analizar problemas tales como la compresibilidad desuelos, la capacidad de carga de cimentaciones, la estabilidad de terraplenes y lapresión lateral sobre estructuras de retención de tierras, los ingenieros necesitanconocer la naturaleza de la distribución de los esfuerzos a lo largo de una seccióntransversal dada del perfil del suelo, es decir, qué fracción del esfuerzo normal auna profundidad dada en una masa de suelo es tomada por el agua en los espaciosvacíos (presión de poro) y cual es tomada por el esqueleto del suelo en los puntos

de contacto de las partículas del suelo (presión efectiva)

CONCEPTO DE ESFUERZO EFECTIVO



Pueden efectuarse pruebas de laboratorio sobre muestras inalteradas de arcillasaturada (Designación de Prueba D-2435 de la ASTM) para determinar elasentamiento por consolidación causado por varios incrementos de carga. Las

muestras de prueba son generalmente de 63.5 mm (2.5 pulg.) de diámetro y 25.4mm (1 pulg.) de altura. Los especímenes se colocan dentro de un anillo, con unapiedra porosa en la parte superior y otra en la parte inferior. Se aplica la carga sobrela muestra de manera que el esfuerzo vertical total sea igual a σ. Las lecturas delasentamiento para el espécimen se toman periódicamente durante las 24 horas.

Después, la carga se duplica y se toman las lecturas respectivas. En todo momentodurante la prueba, el espécimen se mantiene bajo agua. Este procedimientocontinúa hasta que se alcanza el limite deseado de esfuerzo sobre la muestra dearcilla.

Con base en pruebas de laboratorio se traza una grafica que muestre la variación dela relación de vacíos “e” al final de la consolidación contra el esfuerzo verticalefectivo correspondiente σ′ (grafica semilogaritmica: “e” sobre la escala aritméticay σ′ sobre la escala log.). Después que se alcanza la presión de consolidacióndeseada, el espécimen puede descargarse gradualmente, lo que resultará en su

expansión

PRUEBAS DE CONSOLIDACION




Figura 1.16. a) Diagrama

esquemático del arreglopara la prueba de

consolidación;b) Curva e-log ′ para unaarcilla. (Nota: al final de la

consolidación, σ = ′)

S CO SO C O



De la curva e-log ′ mostrada en la figura 1.16b, se pueden determinar 3parámetros necesarios para calcular el asentamiento en el campo:

1. La presión o carga de presconsolidación ′ : Es la máxima presión de sobrecarga

efectiva a la que la muestra de suelo estuvo sometida en el pasado. Se determinausando un simple procedimiento gráfico propuesto por Casagrande (1936), conreferencia a la figura 1.16b e implica 5 pasos:

a. Determine el punto O sobre la curva e-log ′ que tenga la curvatura máspronunciada (es decir, el menor radio de curvatura).

b. Dibuje una línea horizontal OAc. Dibuje una línea OB tangente a la curva e-log ′ en O

d. Dibuje una línea OC bisectriz del ángulo AOB

e. Prolongue la porción de línea recta de la curva e-log ′ hacia atrás hastacruzar OC. Éste es el punto D. La presión que corresponde al punto D es la

presión de preconsolidación, ′.




2. El índice de Compresibilidad, : Es la pendiente de la porción recta de la curva(ultima parte de la curva de carga).

Donde: 1 y 2 son las relaciones de vacíos al final de la consolidación bajo losesfuerzos 1

′ y 2′, respectivamente.

Según Skempton (1944) se tiene:

2. El índice de Expansibilidad, : Es la pendiente de la porción de descarga de lacurva e-log ′.


=

3 − 4

log 4′

3′




ASENTAMIENTOS PERMISIBLES DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES



ASENTAMIENTOS PERMISIBLES DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES

TIPOS DE ASENTAMIENTOS

(a) Asentamiento uniforme (b) Asentamiento por volteo (c ) Asentamiento no uniforme



ASENTAMIENTOS TOLERABLES

• Los esfuerzos están siempre acompañados de deformaciones, por tanto la aplicación deuna carga vertical a una cimentación siempre causará un asentamiento. La pregunta queencara el ingeniero de cimentaciones no es si la cimentación se asienta, sino si elasentamiento es tolerable.

• Las cimentaciones pueden asentarse de varias formas, y cada asentamiento afectadiferentemente la performance de la estructura. La figura2.2 muestra esta interacción. Elmodo más sencillo consiste en el asentamiento uniforme de toda la estructura. Se veque no hay distorsión de la estructura y cualquier daño estará, mas bien, relacionado a lainterface entre la estructura y el suelo ó estructura adyacente.

Figura 2.2 Modos de asentamiento :(a) uniforme; (b) inclinado sin ningunadistorsión; (c) con distorsión.



• Cuando un lado de la estructura se asiente mucho mas que otro y que las zonasintermedias lo hagan proporcionalmente según se muestra en la figura 2.2b. Estocausará que la estructura se incline, pero que no se distorsione. Una inclinaciónnominal no afectará la performance de la estructura, sin embargo podría crearproblemas estéticos y de confianza pública. Sin embargo, si la inclinación llega a sermuy grande, la estructura podría estar en peligro de colapso, especialmente si es muyalta.

• Finalmente un modo mucho mas común ocurre cuando la estructura se asienta ydistorsiona, según muestra la figura 2.2 c. Aquí se inducirán esfuerzos adicionales en laestructura que causarán grietas en los muros y pisos, descuadre en las puertas yventanas y en casos extremos, sobrecarga de los miembros estructurales.



ASENTAMIENTOS PERMISIBLES -SEGÚN LA NORMA E.050



ASENTAMIENTOS PERMISIBLES – SEGÚN DIFERENTES AUTORES



ASENTAMIENTOS EN CIMENTACIONES SUPERFICIALES

• Al aplicar una carga (Q) sobre una fundación se produce un determinado asentamiento dela misma ().

= + donde: = +

Siendo:= asentamiento instantáneo (causa principal en suelos granulares y, para arcillas, pordistorsión a volumen constante o sin ningún cambio en el contenido del agua).

= +, asentamiento diferido en el tiempo (reducción de volumen con el tiempo –

importante en arcillas).: por consolidación primaria-expulsión de agua de los poros causada por un exceso de

presión neutra.

: por consolidación secundaria – deformación a tensión efectiva constante (se observa ensuelos saturados cohesivos y es el resultado del ajuste plástico de la estructura del suelo)

• Asentamiento total = Si+ Scp+Scs

• = Asentamiento inmediato

• Scp= Asentamiento por consolidación primaria

• Scs= Asentamiento por consolidación secundaria

En arenas gravas y arcillas duras y suelosno saturados en general ST= Si

En arcillas saturadas: ST= Scp

ASENTAMIENTOS ELÁSTICOS INMEDIATOS



ASENTAMIENTOS ELÁSTICOS INMEDIATOS



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