Universidad Nacional Experimental

“Francisco de Miranda”

Área de Tecnología

Programa de Ingeniería Civil

Mecánica se suelos

Realizado por:

Yoly bravo CI: 17629313

Luanny salones CI: 19927088

Egly Velásquez CI: 19823843

Santa Ana de Coro, marzo 2012

INDICE

Consolidación.

Ensayo de consolidación.

Descripción del ensayo de consolidación.

Procedimiento del ensayo.

Consolidación en suelos gruesos y finos.

Explicación de la analogía mecánica de terzaghi.

Casos reales de estructuras afectadas por consolidación en la masa de

Suelo.

Resumen del trabajo.

Consolidación

Proceso de disipación de presiones internas.

Proceso de consolidación

Los suelos como todos los materiales en la construcción, sufren de

deformaciones al aplicarles carga, en el caso de los suelos saturados esta no es

inmediata. En este caso se produce un retraso de la deformación con respecto al

esfuerzo, y por lo tanto se tiene una relación esfuerzo - deformación - tiempo.

Cuando un suelo saturado se somete a un incremento de carga, la acción

de ésta se transmite, en principio al agua que llena los poros del material por ser el

líquido incompresible comparado con la estructura que forman las partículas del

suelo. Debido a la presión que de este modo se induce en el agua, ésta fluye

hacia las fronteras en las cuales dicha presión se disipa, produciéndose

variaciones en el volumen del material y la transferencia de la carga a la estructura

sólida, la velocidad con que se produce este fenómeno, conocido en mecánica de

suelos como consolidación, depende de la permeabilidad del suelo, al igual que de

otras condiciones geométricas y de frontera (drenes). La prueba de consolidación

estándar consiste en comprimir verticalmente un espécimen del material que se

estudia, confinando en un anillo rígido siguiendo una secuela de cargas

establecida de antemano. En todos los casos y para cada incremento de carga, el

espécimen sufre una primera deformación correspondiente al retraso

hidrodinámico que se llama consolidación primaria, y también sufre una

deformación adicional, debida a un fenómeno secundario, que en las arcillas se

llama retraso plástico y en las arenas retraso friccional. En general el suelo se

deformará siempre una cantidad mayor que la correspondiente al retraso

hidrodinámico exclusivamente. Sin embargo, el retraso hidrodinámico es el único

que toma en cuenta la teoría de la consolidación. Según la teoría, sólo es posible

un fenómeno de consolidación cuando existe escape de agua hacia el exterior de

la masa de suelo. En la práctica se admite que también genera un proceso similar

en masas de suelos que no están 100% saturadas. En estos casos se aplica

también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de una

interpretación aproximada.

Simultáneamente con el proceso de consolidación se puede efectuar o no,

según se juzgue conveniente, una prueba de permeabilidad de carga variable; o

bien, reproducir una condición hidrodinámica adicional.

El proceso de consolidación se efectúa en tres (3) etapas o partes:

Parte I:

Desde el tiempo 0 a T1, durante el cual el aire es expulsado de los vacíos,

después que la carga externa ha sido aplicada.

Parte II:

Desde el tiempo T1 a T2, durante el cual el agua de los poros es

presionada y expulsada, debido a la carga aplicada, produciéndose el

llamado asentamiento principal o “consolidación primaria”.

Parte III:

Desde el tiempo T2 a T3, durante el cual se hacen activos los procesos de

química coloidal y fenómenos de superficie, tales como la tensión de las

películas húmedas alrededor de las partículas del suelo. El asentamiento

ocurrido durante el período de tiempo de tal proceso se denomina

asentamiento posterior o “consolidación secundaria”.

Curva que muestra los diferentes procesos de consolidación.

Grado o Porcentaje de Consolidación.

Se define como grado o porcentaje de consolidación de un suelo, a una

profundidad z y a un tiempo t, a la relación entre la consolidación ya existente a

esa profundidad y la consolidación que habrá de producirse bajo la sobrecarga

impuesta, se representa por Uz (%).

Grado Medio de Consolidación del Estrato.

Se define el grado medio de consolidación de todo el estrato como la relación

entre la consolidación que ha tenido lugar en un cierto tiempo y la consolidación

total que habrá de producirse.

Ensayo de consolidación

El objeto principal de los ensayos de consolidación es sin embargo, el de obtener

datos del suelo que pueden ser usados, para predecir la rata y el asentamiento de

estructuras fundadas sobre arcillas. Su finalidad es determinar la velocidad y

grado de asentamiento que experimentará una muestra de suelo arcilloso

saturado al someterla a una serie de incrementos de presión o carga.

Las dos propiedades más importantes que se obtienen en un ensayo de

consolidación son;

1- El índice de compresión,(Cc), que indica la compresibilidad del espécimen.

2- El coeficiente de consolidación,(Cc), que indica la rata de compresión bajo

un incremento de carga.

Procedimiento del Ensayo de Consolidación.

El fenómeno de consolidación, se origina debido a que si un suelo parcial o

totalmente saturado se carga, en un comienzo el agua existente en los poros

absorberá parte de dicha carga puesto que esta es incompresible, pero con el

transcurso del tiempo, escurrirá y el suelo irá absorbiendo esa carga

paulatinamente. Este proceso de transferencia de carga, origina cambios de

volumen en la masa de suelo, iguales al volumen de agua drenada.

En suelo granulares, la reducción del volumen de vacíos se produce casi

instantáneamente cuando se aplica la carga, sin embargo en suelos arcillosos

tomará mayor tiempo, dependiendo de factores como el grado de saturación, el

coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el

fluido expulsado, las condiciones de drenaje y la magnitud de la sobrecarga.

Metodología de ensayo.

- Equipo necesario.

a) Equipo:

� Consolidómetro con su anillo fijo o flotante.

� Piedras porosas.

� Micrómetro.

� Cronómetro.

� Equipo para labrado de muestras.

� Balanzas.

� Horno.

b) Preparación de la muestra

Muestras inalteradas

La muestra a ser colocada en el anillo debe ser lo más inalterada posible,

conservando su estructuramiento natural y su contenido natural. Con otra porción

de la muestra se determina su peso específico relativo, y los límites de

consistencia.

Muestras alteradas

Se compacta el material en un molde en 5 capas, utilizando un martillo de

compactación apropiado, tratando de obtener un valor deseado de la densidad, la

cual es generalmente la densidad máxima obtenida en el ensayo de compactación

dinámica.

Previamente debe pesarse el anillo con la muestra de suelo alojada. Esto permite

procesar todas las características iniciales de la muestra, entre ellas, la relación de

vacíos inicial. La colocación de las piedras porosas se hace respetando las

condiciones de drenaje del estrato del cual fue extraída la muestra.

Se debe y puede simular la condición natural o la condición de trabajo futuro del

estrato, realizando el ensayo con contenido de humedad natural o a saturación

plena.

Se prepara la muestra.

Saturación: La muestra puede saturarse estando completamente exenta de carga

o bien con una carga prefijada, según el problema que se tenga, siguiendo en

ambos casos el mismo procedimiento:

¨ Se cubre con agua destilada hasta la altura de la piedra porosa superior,

procurando no mezclarle más aire del que ordinariamente puede tener.

¨ Después de 10 segundos de estar la muestra en contacto con el agua, si la

manecilla del micrómetro no se ha movido, se echará a andar el Cronómetro. Si la

manecilla ya se había empezado a mover antes, se contará el tiempo a partir de

cuando se inició el movimiento.

¨ Se tomará una serie de lecturas de tiempo y micrómetro, las suficientes para

definir completamente la curva de tiempo-deformación. Se dará por terminada esta

etapa y se pasará a la sig.

c) Análisis de cargas.

Es recomendable no aplicar incrementos de carga arbitrarios. Debe determinarse

el esfuerzo efectivo σ’oz

, posteriormente, lo más conveniente es colocar

incrementos de carga constantes que en cierto sentido representen los generados

gradualmente por la construcción de la obra. Excepcionales obras de ingeniería

civil incrementan sus cargas en progresión geométrica. Mayores incrementos

tienen justificación sólo para dar una mejor configuración a la curva de

compresibilidad.

De esta manera se preparan todas las sobrecargas que se habrán de colocar en la

muestra, que cubre que cubre el valor de σ’oz

y rebase la presión final que actuará

sobre el estrato generada por la obra que se construya.

Tipos de consolidómetro o edómetro

Esquema de consolidación en terreno.

Consolidometro neumático

Consolidación en suelos gruesos.

Cuando se aplican cargas a un suelo de grano grueso seco, parcial o

completamente saturado, o cuando las cargas se aplican simplemente a un suelo

seco la deformación plástica con reducción en la relación de vacíos tiene un

periodo de tiempo muy corto que se podría considerar instantáneo para este

proceso. Esto se cumple ya que el aire encerrado en los poros es fácilmente

comprimido, por lo tanto los sólidos no presentan resistencia al flujo hacia afuera

del aire a medida que los vacíos del suelo se reducen. Si nos encontráramos con

un suelo total o parcialmente saturado la permeabilidad de este es tan grande que

permite salir al agua o que permite que el agua salga casi inmediatamente.

Consolidación en suelos finos.

Para un suelo de grano fino parcial o totalmente saturado el tiempo para lograr la

deformación plástica y reducción de la relación de vacíos es mucho mayor.

En las arcillas francas que representan un caso límite, el proceso es muy

lento; mientras que en una capa de arena limpia, que resulta ser el límite opuesto,

el retardo hidrodinámico con que se transfieren los esfuerzos aplicados a la

estructura sólida, es muy pequeño. Tratándose de grandes masas de arena y de

cargas aplicadas rápidamente, el fenómeno debe tomarse en consideración.

Teoría de Terzaghi de la consolidación

Terzaghi presentó una teoría basada con resortes de acero para representar el

suelo. Se supone que el pistón sin fricción está soportado por los resortes y que el

cilindro está lleno de agua. Al aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la

longitud de los resortes permanece invariable, puesto que el agua es

incompresible. Si la carga induce un aumento del esfuerzo total de Δσ, entonces la

totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presión

del agua en los poro, Cuando se abre la válvula, el exceso de presión del agua en

los poros causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se

hunde a medida que se comprimen los resortes. En esta forma, la carga se

transfiere en forma gradual a los resortes, reduciendo su longitud, hasta que toda

la carga es soportada por éstos. Por consiguiente, en la etapa final, el aumento del

esfuerzo efectivo (“efectivo” en cuanto a causar compresión) es igual al aumento

del esfuerzo total, y el exceso de presión del agua en los poros se ha reducido a

cero. La velocidad de compresión depende del grado de apertura de la válvula;

esto es análogo a la permeabilidad del suelo.

Con esta teoría Terzaghi, buscaba evaluar la consolidación primaria. Esta

teoría fue incorporada en su Theoretical Soil Mechanics (1943).

En el desarrollo de la teoría de la consolidación unidimensional se parte de varias

suposiciones:

a) El suelo está totalmente saturado y es homogéneo.

b) Tanto el agua como las partículas de suelo son incompresibles.

c) Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo de agua.

d) La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo

aplicado.

e) El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante.

f) La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos y ∂e/∂σ’

permanece constante.

Consolidación unidimensional

(a) Modelo de Terzaghi, (b) curva esfuerzo / tiempo.

Casos reales de estructuras afectadas por consolidación de masas de suelo

imprevistas.

Residencia en el norte de estados unidos

Esta residencia sufrió un hundimiento en la parte trasera producto de un

asentamiento ya que el suelo presenta abundante material arcilloso.

Torre Inclinada de Pisa.

Uno de los más famosos ejemplos de problemas relacionados con la capacidad de

carga del suelo en la construcción de estructuras previas al siglo XVIII es la Torre

Inclinada de Pisa en Italia. La construcción de la torre comenzó en 1774 D.C. La

estructura pesa aproximadamente 15,700 toneladas métricas y está soportada por

una base circular de 20 metros de diámetro. La torre se ha inclinado en el pasado

hacia el este, norte, oeste y, finalmente, hacia el sur. Investigaciones recientes

demostraron que un estrato de arcilla débil existe a una profundidad de cerca de

11 metros debajo de la superficie de compresión, lo cual causó la inclinación de la

torre. Dicha inclinación fue de más de 5 metros fuera de plomada con respecto a

su altura de 54 m. La torre se cerró en 1990 porque se temía que o bien se cayera

o colapsara. La misma se ha estabilizado recientemente por medio de la

excavación del suelo debajo del lado norte. Se removieron cerca de 70 toneladas

métricas en 41 extracciones separadas en toda la extensión del ancho de la torre.

Mientras que el terreno se asentaba gradualmente para llenar el espacio

resultante, la inclinación de la torre cesó. Ahora la torre se inclina 5 grados. Un

cambio de medio grado es inapreciable, pero hace la estructura

considerablemente más estable.

Torre Garisenda.

Es un ejemplo de un problema similar. Las torres mostradas en esa figura están

localizadas en Boloña, Italia, y fueron construidas en el siglo XII. La torre de la

izquierda es referida usualmente como la Torre Garisenda. Tiene 48 metros de

altura y se ha inclinado severamente.

RESUMEN DEL TRABAJO

El proceso de consolidación es un proceso de disminución de volumen, que tiene

en un lapso provocado por un aumento de las cargas sobre el suelo.

Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación la posición

relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece

esencialmente la misma; así, el movimiento de las partículas de suelo puede

ocurrir solo en dirección vertical.

El objetivo de este ensayo es poder obtener un valor experimental de las

variaciones de composición y dimensiones de una muestra de suelo, debido a la

aplicación de cargas y descargas continuas. Con la experiencia en el

laboratorio encontraremos asentamientos del suelo debido a cargas variables en

determinados lapsos de tiempo. Para esto se uso un consolidometro que nos

proporciona la deformación al variar la carga y un cronometro para calcular el

tiempo, con estos datos y usando la teoría de consolidación unidimensional se

obtuvo el posible comportamiento del suelo ante los cambios de esfuerzos.

Si incrementáramos la carga sobre un suelo, esto ocasionaría un reajuste en la

estructura del suelo como una deformación plástica correspondiente a una

reducción en la relación de vacíos. También puede producirse una pequeña

deformación elástica sin embargo es despreciable pues es recuperable cuando la

carga se renueva.

La consolidación en suelos gruesos permite un menor asentamiento ya que el

agua drena con mayor facilidad, con respecto a los suelos finos como las arcillas

que al saturarse ellas se contraen y provocan hundimiento en la masa del suelo,

por las cargas presentes.

Terzaghi, presentó una teoría basada con resortes de acero para representar el

suelo. Al considerar un cilindro de área de sección recta, provisto de un pistón sin

fricción, con una pequeña perforación en el. El pistón esta soportado por un

resorte unido al fondo del cilindro y este esta totalmente lleno de un fluido

incomprensible.

Con respecto a los casos reales de estructuras afectadas por consolidación de

masa de suelo imprevistas, nos encontramos con el hundimiento de la parte

trasera de una residencia en estados unidos, en Italia encontramos la torre de pisa

y en Boloña la torre garisenda. El peso propio de dichas edificaciones provoco un

asentamiento en el suelo ya que presenta material arcillo debajo de las

construcciones.