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Introduccin a la Mecnica de Suelos
CONSOLIDACIN
UNIDIMENSIONAL
DEFORMACIN UNIDIMENSIONAL DE LOS
SUELOS
Introduccin
Deformacin vertical unidimensional
Consolidacin unidimensional
Teora de la Consolidacin unidimensional
Expansin unidimensional
ASENTAMIENTOSUn suelo al ser cargado sufre asentamientos, que ocurrenen parte inmediatamente despus de aplicada la carga y en parte con el correr del tiempo
instantneose desarrolla con
el correr del tiempo
sciT ++=
debido a la proceso de consolidacin primaria, (disipacin del exceso de presin de poros)
cs
debido a la consolidacin secundaria o creep, (a presiones efectivas
constantes)
tiT +=
Introduccin
ASENTAMIENTOS EN SUELOS ARCILLOSOS
sciT ++=
i ASENTAMIENTO INSTANTANEO - originado en la distorsina volumen constante de la masa de suelo cargada; ocurre enforma simultnea a la aplicacin de la carga, principalmentecomo consecuencia del cambio de forma, no de volumen del suelo de fundacin
c ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION - resultado de la reduccin de volumen por la expulsin del agua de los poros, generada por el flujo producido por el exceso de presin de poros
i c
ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACION SECUNDARIA -tambin denominado asentamiento por creep o fluencia; se desarrolla a presiones efectivas constantes ya que el exceso de presin de poros se disip en el proceso de consolidacin
s
s
sel = p (1-2) b I
Esp = presin media sobre la superficie del suelo (carga debida al terrapln)E = mdulo de Young = mdulo de Poisson (se toma = 0,5 pues no hay cambio de volumen)I = factor de influencia, dependiente de las condiciones geomtricasb = ancho de la superficie semi-infinita cargada
Asentamiento total
s = sel + sc+ ssec
Stamatopoulos A.C. et al.
H espesor de suelos compresibles, b ancho de la superficie de apoyo del terrapln, con h/b < 4,
I = 0,094 H/b
Hoeg (1969), Stamatopoulos et al.,
100 su < Es < 200 su
El Manual Canadiense de Ingeniera de Fundaciones, materiales granulares en funcin del CPT, :
Es = k qck = 1,5 para limos y arenask = 2 para arenas compactask = 3 para arenas densask = 4 para arena muy densa y grava
Valores de Es para diferentes tipos de suelos (US Corps of Engineers)
Suelo Es (kgf/cm2)Arcilla
arcilla muy compresible 5 - 50arcilla compresible 50 - 200arcilla medianamente compresible 200 - 500arcilla rgida, arcilla limosa 500 - 1000arcilla arenosa 250 - 2000arcilla calcrea 1000 - 2000
Arenaarena poco compacta 100 - 250arena densa 250 - 1000arena densa gravosa 1000 - 2000arena limosa 250 - 2000
Consolidacin Unidimensional de los Suelos
Proceso de disminucin de volumen por reduccin de la relacin de vacos del suelo, diferido en el tiempo, provocado por un incremento de las tensiones efectivas verticales y acompaado por expulsin de agua.
La consolidacin unidimensional es un asentamiento diferido en el tiempo que se presenta esencialmente en suelos finos en saturados o casi saturados
Ejemplos de consolidacin:
Torre de Pisa
Ciudad de Mxico
Uruguay: Terraplen de acceso al Puente del Ro Santa Luca, Ampliacin de Pista de Aeropuerto de Carrasco, suelos blandos del Puerto de Montevideo.
DEFORMACIONES DEBIDAS A CARGAS VERTICALES
uno de los aspectos demayor inters para laIngeniera Geotcnica
deformaciones debidas acargas verticales en la superficie del terreno
FUNDACIONES SUPERFICIALES
TERRAPLENES
DEFORMACIONES DEBIDAS A CARGAS VERTICALES
Ciudad de Mxico
Velocidad de Asentamiento
Tiempo en que se produce el asentamiento
Depender entre otros de:
Sobrecarga (q)
grado de compactacin del suelo
Permeabilidad (k)
Grano grueso
Grano fino
Seco: asentamiento instantneoNo saturado
Saturadok alto => asentamiento
instantneo
Seco: asentamiento instantneoNo saturadoSaturado
k bajo => asentamiento diferido en el tiempo
Asentamientos instantneos: Controlables en tiempos de obra Asentamientos diferidos: Deben preverse en proyecto para evitar fallas de obras
( ) ssssvs
v
s
v
He1HH.eHHH
H
H
V
Ve
+=+=+=
==
oo
o
oo
1o
os
1sos
o
1o
He1
eHH
e1
e
e1
ee
)e1(H
)e1(H)e1(H
H
HH
+
==
+
=
+
=
+
++=
=
Clculo del Asentamiento (H)
Slidos
Hvo
Hs
Ho
A
Vacos
Slidos
Hv1
HsH1
A
Vacos
q
Asentamiento
DEFORMACIONES DEBIDAS A CARGAS VERTICALES
oo
o He1
eHS
+
== deformaciones diferidas
controlan el proceso
se desarrollan lentamente luego de la aplicacin de la carga
para arcillas saturadasASENTAMIENTO
a travs del anlisis del PROCESO DE
CONSOLIDACIN
cunto se asienta?
en cuanto tiempo se asienta?
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELOANALOGA MECNICA DE TERZAGHI, segn TAYLOR
suelo saturado
resorte dentro de un pistn lleno de agua; el mbolo del pistn presenta un orificio de
dimensiones reducidas
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELOANALOGA MECNICA DE TERZAGHI, segn TAYLOR
orificio orificio orificio abierto abierto abierto
comienza con flujo sin flujoflujo
presin de agua (u)P P-p 0
presin en el resorte ()0 p P
La transferencia de presin neutra (u) a la tensin efectiva () se mide con el PORCENTAJE DE
CONSOLIDACIN (U)
U [%] =
. 100
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELO
consideremos un elemento de suelo blando, saturado, sometido a una presin hidrsttica exterior p, que es capaz de drenar el agua de sus poros
t = 0
toda la presin externa la toma el agua, no hay
cambio de volumen
el agua drena, hay cambio de volumen, parte de la presin
externa la toman los granos
= + u = p> 0u < p
t > 0 t =
cesa el flujo de agua, no hay cambio de volumen, toda la
presin externa la toma el suelo
= + u = p= pu = 0
= + u = p= 0u = p
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELO
Imgen extrada de www.geoengineer.org/files/consol-Sivakugan.pps
consideremos un elemento A en una arcilla saturada, que recibe en su superficie una sobrecarga q
... debido a la sobrecarga, en el elemento A ocurre un incremento de la tensin total y de la presn de poros u
... al transcurrir el tiempo, mientras q es constante, el agua de los poros drena y se da una transferencia de carga hacia la estructura del suelo, lo que se traduce en una disminucin de u y un aumento de
t
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELO
La transferencia de presin neutra (u) a la tensin efectiva () se mide con el PORCENTAJE DE CONSOLIDACIN (U)
U [%] =
. 100
t = 0
= + u = p> 0
U > 0%
t > 0 t =
= + u = p= p
U = 100%
= + u = p= 0
U = 0%Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
DEFORMACIONES DEBIDAS A CARGAS VERTICALES
deformaciones diferidas, que se desarrollan lentamente luego de aplicada la carga
arcillas saturadasPROCESO DE CONSOLIDACIN o
oo He1
eHS
+
==
ASENTAMIENTO
PROCESO DE CONSOLIDACIN DEL SUELOt = 0 t > 0 t =
reduccin de volumen, por disminucin de relacin de vacos (e), debida al incremento de tensin efectiva vertical ()
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DEL SUELO
oo
o He1
eHS
+
==
ASENTAMIENTO
oH
suelo infinitamente largo en la dimensin horizontal
arcillas saturadas
sobrecarga vertical
deformaciones horizontales nulas
drenaje por ambas carasUNIDIMENSIONAL
Ensayo de Consolidacin
Se mantiene muestra saturada
Se aplica una carga uniforme (q)
Se mide la deformacin vertical a lo largo del tiempo
Cuando la velocidad de consolidacin 0: Final del proceso
Se determina deformacin unitaria () o relacin de vacos (e) en funcin del tiempo (t) => Curva de Consolidacin
Estudio de la Consolidacin Unidimensional
Se hace a travs del Ensayo de Consolidacin o Edomtrico(Norma ASTM D2435; Norma AASHTO T216)
Pistn de carga Comparador
Recipiente anular
Muestra
Anillo rgido
Piedras porosas
q
CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DEL SUELO
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
Carga aplicada Q = L/l x P
Generalmente L/l=5
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
Eje de giro
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)METODOLOGA
se aplica una carga P1, que determina una tensin 1
la muestra debe estar saturada
se mide la deformacin vertical a lo largo del tiempo
se mantiene la tensin 1 hasta que la deformacin vertical sea aproximadamente nula
se aplica una carga P2, que determina una tensin 2 y se repite el proceso
Imgenes adaptadas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)METODOLOGA
Luego se grafican asentamientos contra :
-Tiempo en escala logartmica
- Raz del tiempo
Para cada escaln de carga se mide el desplazamiento en funcin del tiempo
la secuencia ms utilizada de tiempos de medicin es la siguiente:
[t] 0 - 15s - 1min - 2min - 4min - 9min - 30min - 60min
120min - 240min - 12horas - 24horas
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)METODOLOGA
luego de aplicada P1 se mide la deformacin vertical a lo largo del tiempo, y se mantiene constante la carga hasta que la deformacin sea aproximadamente 0
Se grafica la variacin de altura en funcin del tiempo y se obtiene la CURVA DE CONSOLIDACIN
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
Resultados para cada escaln de carga: CURVA DE CONSOLIDACIN
Consolidacin Inicial, reduccin de vacos por eliminacin de aire
Consolidacin Primaria, reduccin de vacos por expulsin de agua
Consolidacin Secundaria, reacomodo de partculas a tensin efectiva constante
Resultados para cada escaln de carga: grfico en funcin de t
Asentamientos en funcin de la raz
del tiempo
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)METODOLOGA
de esta forma en un grfico semi-logartmico los espacios entre los distintos valores de tensin () que se grafican, resultan
iguales
la secuencia de aplicacin de carga sigue una ley tal que P2 = 2.P1
la secuencia ms utilizada de tensiones aplicadas es la siguiente:
[kPa] 12,5 - 25 - 50 - 100 - 200 - 400 - 800 - 1600[kg/cm2] 0,125 - 0,25 - 0,50 - 1,00 - 2,00 - 4,00 - 8,00 - 16,00
Caractersticas de la Curva de Consolidacin
Consolidacin Inicial: Reduccin de vacos por eliminacin del aire
Consolidacin Primaria: Reduccin de vacos por eliminacin de agua
Consolidacin Secundaria: Reacomodamiento de las partculas slidas
La velocidad de la consolidacin del suelo se caracteriza por medio del Coeficiente de Consolidacin (Cv)
Cv no es constante durante la consolidacin y depender de la sobrecarga aplicada y de la permeabilidad del suelo
Metodologa del Ensayo de Consolidacin
Se repite metodologa del ensayo aplicando un incremento de carga (q): Escaln de carga
Se obtiene una Curva de Consolidacin para el nuevo escaln de carga
Se aplican un nmero determinado de escalones de carga
Para cada escaln de carga medido en tensin efectiva () se determina la Relacin de vacos final (e)
Luego se aplican un nmero determinado de decrementos de carga (Escalones de descarga) y se mide la recuperacin elstica
Para cada escaln de descarga medido en tensin efectiva () se determina la Relacin de vacos final (e)
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
CURVAS DE CONSOLIDACIN CURVA DE COMPRESIBILIDAD
e
Log
e
Log t
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6
e1
e2
e3
e4
e5
e6
e1
e2
e3
e4
e5
e6
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
CURVAS DE CONSOLIDACIN CURVA DE COMPRESIBILIDADe
Log t
1e1
2e2
3e3
4e4
5e5
6e6
e
Log 1 2 3 4 5 6
e1
e2
e3
e4
e5
e6
recompresinpreconsolidacin
consolidacin
Caractersticas de la Curva de Compresibilidad
Tramo de curvatura creciente: Se presenta cuando aplicada < histricamente sufridas => Tramo de Recarga
Tramo recto: Se presenta cuando aplicada > histricamente sufridas => Tramo Virgen
Tramo de descarga: Lineal porque recuperacin es elstica
Pendiente de Tramo de Recarga Pendiente de Tramo de descarga
arcilla normalmente consolidada
o f
recompresin
consolidacin
descarga
d
Cc
Ce
eo
eed
ef
arcilla preconsolidada
recompresin
preconsolidacin
consolidacin
descargae
o preconsolidacin f
eo
ed
ep
ef
descarga
Coeficiente de Compresibilidad (av ): Pendiente de la recta tangente a la Curva de Compresibilidad
o
Pendiente del Tramo virgen: ndice de Compresin (Cc )
Pendiente del Tramo descarga: ndice de Entumecimiento (Ce )
'v d
dea
= 'v
ea
=
=
'o
'f
foc
log
eeC
=
'f
'd
fde
log
eeC
CcCe
eo
eed
ef
o fd
Definiciones
Suelo Normalmente Consolidado: Aqul que nunca estuvo sometido a tensiones efectivas mayores que las existentes en el terreno
Suelo Preconsolidado: Aqul que alguna vez ha sufrido tensiones efectivas mayores que las existentes en el terreno
Tensin de Preconsolidacin (p):Mxima tensin a la que ha estado sometido el suelo en su historia
DEFORMACIONES DEBIDAS A CARGAS VERTICALES
deformaciones diferidas controlan el proceso
se desarrollan lentamente luego de la aplicacin de la carga
para arcillas saturadasASENTAMIENTO
a travs del anlisis del PROCESO DE
CONSOLIDACIN
cunto se asienta?
en cuanto tiempo se asienta?
oo
o He1
eHS
+
==
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)
CURVAS DE CONSOLIDACIN CURVA DE COMPRESIBILIDAD
en cuanto tiempo se asienta?
deformacin - tiempo
e
Log
cuanto se asienta?
deformacin - carga
Causas de preconsolidacin
Procesos de erosin de suelos
Zonas que han sufrido avance y retroceso de glaciaciones
Procesos de desecacin y humedecimiento
Razn de Preconsolidacin (OCR)'o
'pOCR
=
Estimacin de la Tensin de Preconsolidacin
Mtodo de Casagrande
Si p < o: suelo normalmente consolidado
Si p > o: suelo preconsolidado
Correccin de las Curvas de Compresin
Schmertmann propone corregir las curvas de compresin de laboratorio
Para Laboratorio < o en terreno no deberan producirse deformaciones (tramo de laboratorio horizontal)
Comparando curvas de muestras inalteradas y remoldeadas:
Como eoremold < eoinalt: Curva remoldeada por debajo de curva inalterada
Como muestra inalterada tiene remoldeo: curva real debe estar por encima de curva de laboratorio
Curvas convergen a punto: e = 0,42eo
Correccin para arcilla normalmente consolidada
Correccin para arcilla preconsolidada
0.42 eo
o preconsolidacin final
eo
e
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)HISTORIA DE TENSIONES DE SUELOS ARCILLOSOS
Imgenes extradas de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
Tensin de Preconsolidacinmxima tensin a la que ha estado sometido el suelo en su
historia
Arcilla Normalmente Consolidadanunca estuvo sometida a tensiones efectivas mayores que
las actuales
Arcilla Sobreconsolidada (o Preconsolidada)alguna vez ha sufrido tensiones efectivas mayores que las que soporta actualmente
Razn de Sobreconsolidacin (OCR)relacin entre la presin de preconsolidacin y la presin actual
CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DEL SUELO
oo
o He1
eHS
+
==
ASENTAMIENTO
oH
arena
arcilla saturada
en el clculo de e el estado tensional de la arcilla saturada ser representado por el nivel de tensiones de su plano medio
arena
Caso de un suelo normalmente consolidado, donde po = pcCALCULO DE ASENTAMIENTO FINAL
extrado de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
p0 tensin efectiva inicial (geosttica)pc tensin de preconsolidacinp tensin final resultante luego de la aplicacin de p
Caso de un suelo preconsolidado, donde (po + p) < pcCALCULO DE ASENTAMIENTO FINAL
extrado de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
p0 tensin efectiva inicial (geosttica)pc tensin de preconsolidacinp tensin final resultante luego de la aplicacin de p
CALCULO DE ASENTAMIENTO FINALCaso de un suelo preconsolidado, donde (po + p) > pc
p0 tensin efectiva inicial (geosttica)pc tensin de preconsolidacinp tensin final resultante luego de la aplicacin de p
extrado de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)INDICES DE COMPRESIN Y RECOMPRESIN segn distintos autores (para preclculo)
extrado de Apuntes de Consolidacin de Suelos. Geotecnica I - UNLP. Ing. Augusto Leoni
Relacin entre ndice de compresin e ndice de recompresin
Ampliacin de superficie terrestre del Puerto.
Fondo de la baha: suelos compresibles y bajo poder soporte.
Terrapln (espign F): acopio de maderas superficie 4 h - 12 h5 m de espesor, apoyado sobre suelo compresiblesuelos no seleccionados, escombros y restos de demoliciones.
Ej.PUERTO de Montevideo
1era (preliminar), al Sur del espign F, antes de la construccin del terrapln (perforaciones P1 a P6)
2da, fuera de la zona de influencia del terrapln, suelo en estado natural (PA, PB, PC)
3era, zona del terrapln denominada Zona A (6 perforaciones)
Estudios de suelo
P2
P6
P1
P3
P5
P4
PC
PA
Espig
n F PB
Zona A
N
Resultados de los estudios de suelo
Capa de suelo compresible:
Espesor 3 a 5 mConsistencia muy blandaClasificacin CH y MHAlta plasticidad (WLprom = 111 %, WPprom = 37 %)Valores altos de humedad natural (WNprom = 116%)Suelos finos, ms del 70% pasa por el tamiz N200ngulo de friccin interna y cohesin nulosN del SPT nulos
Resultados obtenidos en la capa de suelo compresible
Primera campaa
Segunda campaa, fuera de zona de influencia del terrapln
Tercera campaa, bajo el terrapln, Zona A
HumedadNatural WN (%)
Lmite Lquido WL (%)
Lmite Plstico WP (%)
N ensayos 12 10 10
Media 164 83 38 Desvo 14 7 9 CV (%) 9 8 22
HumedadNaturalWN (%)
LmiteLquidoWL (%)
LmitePlsticoWP (%)
DensidadHmeda
H (kg/dm3)
DensidadSeca
D (kg/dm3)N ensayos 38 22 22 20 20Media 89 130 39 1,42 0,75Desvo 11 9 5 0,04 0,04CV (%) 12 7 14 3 6
HumedadNaturalWN (%)
LmiteLquidoWL (%)
LmitePlsticoWP (%)
DensidadHmeda
H (kg/dm3)
DensidadSeca
D (kg/dm3)N ensayos 25 18 18 15 15
Media 133 103 34 1,39 0,62Desvo 23 19 5 0,04 0,08CV (%) 17 18 15 3 13
2004 2011
ENSAYO EDOMTRICO
Acceso Norte Puerto de Montevideo Terrapln Espign F
Ensayos de consolidacin
2da campaa de estudios de suelos
e0prom. = 3,00 desviacin estndar = 0,61
tensin vertical mxima 4 kg/cm2
3ra campaa de estudios de suelos
e0prom. = 2,42 desviacin estndar = 0,17
tensin vertical mxima 8 kg/cm2
e = a L10 (v) + b
Modelo de comportamiento bajo carga de consolidacin
e = - 0,933 L10 (v) + 1,791 ; R2 = 0,71 ; 16 ensayos
Modelo de carga-descargasegn ensayos de consolidacin
e = - 0,113 L10() + 1,283R2 = 0,78
e = - 0,147 L10() + 1,068R2 = 0,91
e = - 0,933 L10() + 1,791R2 = 0,71
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
0,1 1,0 10,0
Tensin vertical (kg/cm2)
R
e
l
a
c
i
n
d
e
v
a
c
o
s
e
8,04,0
No hay recompresin ni preconsolidacin
Resumen
Consolidacin: proceso de reduccin de volumen de un suelo saturado o casi saturado bajo carga mediante expulsin de agua en forma cuasiesttica.
comentarios:
Es muy importante tener en cuenta que el tamao de la muestra es irrelevante frente al macizo de suelo, por ms homogneo que este sea.
El ensayo es confinado, sin deformacin lateral y sin disipacin lateral de agua. En el terreno, el proceso tender en principio a ser ms rpido.