1 consolidación

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


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


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


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



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


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 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 ()


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



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



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


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


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



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)


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


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 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?


oo

o He1

eHS

+

==


CURVAS DE CONSOLIDACIN CURVA DE COMPRESIBILIDAD


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


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



CALCULO DE ASENTAMIENTO FINALCaso de un suelo preconsolidado, donde (po + p) > pc



ENSAYO DE CONSOLIDACIN o EDOMTRICO (ASTM D2435)INDICES DE COMPRESIN Y RECOMPRESIN segn distintos autores (para preclculo)


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.

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