Consolidación de los suelos

Consolidacion (2

CONSOLIDACIN DE LOS SUELOS ESTUDIANTE: GERARDO VICENTE CAIZALEZ MONTESDEOCA C.I.: 7.300.311 ASIGNATURA: MECNICA DE SUELOS

Contenido de la presentacinIntroduccin

Compresibilidad

ConsolidacinTeora de TerzaguiEnsayo de ConsolidacinAsentamientos por consolidacinConsolidacin Secundaria

ConsolidacinIntroduccin

Relaciones esfuerzo deformacin

No son fciles de determinar, cuantificar e interpretar en los suelos

La deformacin

propiedades mecnicas del material

depende

Todos los materiales sufren deformacin cuando se cargan

magnitud

tipo

duracin

carga


comportamiento mecnico del suelo

papel fundamental

obras civiles

consolidacin

orden prioritario

fundaciones

asentamiento

El suelo tiene caractersticas y comportamiento menos uniforme que otros materiales. Esto hace menos predecible el comportamiento de los suelos


El reto es el anlisis de los aspectos involucrados, que permitan estimar la deformacin de una masa de suelo sometida a carga y la afectacin de la estructura que soporta.

El asentamiento total se estima mediante la teora de consolidacin. Sin embargo, resulta de mayor importancia el anlisis de los posibles asentamientos diferenciales que se puedan presentar.

ConsolidacinCompresibilidad

Compresibilidad

Propiedad del suelo de reducir su tamao

Suelo

fuerza de compresin

se reducense le aplica

los espacios vacospor

La compresin

reacomodo de sus partculas slidas

de las partculas

del agua

insignificante


suelos saturados

la compresin

Se debe a la expulsin de agua de los vacos

como el agua fluye lentamente resulta un proceso diferido en el tiempo

suelo parcialmente saturado

se producirse reacomodo casi instantneo por expulsin de aire


suelo confinado

es comprimido

se vuelve ms compacto y por lo tanto menos compresible

Si est saturado se presenta una resistencia hidrodinmica que se opone al cambio volumtrico.

Suelos no cohesivos

se comprimirn en un tiempo relativamente corto

durante la fase de construccin de la estructura

Consolidacin

Los sedimentos con alto contenido de arcilla

baja permeabilidad

alta a muy alta compresibilidad

hace que se compriman lentamente

necesitan ms tiempo para que el agua desaloje los vacos

Un suelo no es ni elstico ni plstico perfecto, frente a solicitudes de carga y descarga se observa una respuesta elasto-plasto-viscosa

La compresibilidad de los materiales que constituyen la fraccin fina del suelo, se estudia en el laboratorio por medio de un aparato denominado consolidmetro

ConsolidacinAsentamientos en una capa de suelo:El asentamiento es definido como la compresin de una masa de suelo debido a la aplicacin de cargas en (o cerca de) la superficie.Elasentamientototaldeunsuelopuedeestardadopor:Compresin Inmediata (Elstica).Consolidacin Primaria.Consolidacin Secundaria.En este tema, aprenderemos la teora de la consolidacin, que es utilizada para estimar el asentamiento debido a la consolidacin primaria.

ConsolidacinQu es consolidacin?Es todo proceso que signifique disminucin de volumen en la masa de suelo con respecto al tiempo y al estado de carga que acta sobre la misma.Ahora, retomando los conceptos anteriores:Consolidacin Instantnea: ocurre en suelos no saturados, manifestndose como una disminucin rpida de volumen por expulsin de aire.

ConsolidacinConsolidacin Primaria: es un proceso hidrodinmico que significa la disipacin del exceso de presin sobre el hidrosttico y su transferencia en esfuerzo efectivo. La expulsin del agua y el reacomodo de las partculas de suelo a posiciones ms estables, produce la disminucin de volumen. Es el asentamiento ms significativo del proceso de consolidacin.

Consolidacin Secundaria: consiste en un proceso de mayor y mejor reacomodo de las partculas de suelo a posiciones ms estables, significa la movilidad del agua altamente viscosa, proceso diferido en mayor grado con respecto al tiempo.

ConsolidacinQu es consolidacin?Muchas veces es confundido con la compactacin. Para entender su diferencia utilicemos un diagrama de fases:

Compactacin

V

V

Consolidacin

ConsolidacinLa compactacin incrementa la densidad de un suelo no saturado, por reduccin en el volumen de vacos (aire).La consolidacin es un proceso que incrementa la densidad de un suelo saturado, producto de la expulsin de agua de los vacos, es diferido en el tiempo.La consolidacin est generalmente relacionada con suelos finos.Los suelos gruesos expulsan el agua de sus vacos mucho ms rpido, por su elevada permeabilidad.Las arcillas saturadas consolidan tardan mucho en consolidarse por su baja permeabilidad.

Consolidacin

Por qu es necesario estudiar la consolidacin?La teora de consolidacin nos permite estimar (o predecir) la magnitud de los asentamientos y la velocidad (tiempo) en que ellos se producirn.Asentamientos diferenciales pueden ocasionar el colapso de la estructura.

ConsolidacinTeora de consolidacin Unidimensional.Paraunmejorentendimientodelprocesoqueocurreenla masa de suelo, hagamos una analoga del suelo:

Condicin InicialVlvula Cerrada Sin Cargas Presin en el manmetro: cerot = 0Vlvula Cerrada Presin aplicada Presin en el manmetro: mximat = t1Vlvula Abierta Presin aplicada Presin en el manmetro: disminuye El agua fluye por la vlvulaEl resorte se comprimeCondicin FinalVlvula Abierta Presin Aplicada Presin en el manmetro: ceroNo hay Flujo de agua. El resorte absorbi toda carga y se comprimi al mximo

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ConsolidacinEl resorte representa el esqueleto del suelo.Unsuelorgidosecomprimirmenosqueunsuelo suave.Larigidezdeunsueloinfluyeenlamagnituddelos asentamientos.Eltamaodelaaberturaesanlogoala permeabilidad del suelo.Porlotanto,laconsolidacindeunsuelofinoesms lenta que la de un suelo grueso.Lapermeabilidaddeunsueloinfluyeenlatasade consolidacin.

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (Breve Descripcin)Elconsolidmetro(odmetro)esunaparatoquepermite estudiar la consolidacin unidimensional en suelos finos.Se coloca una muestra imperturbada de 20 mm de altura y 50 mm de dimetro, en un anillo indeformable.La muestra se ubica sobre una o dos piedras porosas que simulan las condiciones de drenaje.Dichamuestrasesometeacargasverticales(incrementos graduales).

ConsolidacinEsteensayorepresentaunestratosaturado,cargado extensamente en sentido vertical y donde la deformacin horizontal permanece nula al aplicar la carga.

El problema se reduce a estudiar los esfuerzos y deformaciones en sentido normal (unidimensional) a los planos de estratificacin.

ConsolidacinLa compresin vertical (deformacin) del suelo es registrada mediante extensmetros muy precisos.

Como hemos visto, en un primer momento toda la carga aplicada es recibida por la presin de poros (el agua es incompresible y no puede salir rpidamente por la baja permeabilidad).

La compresin del suelo es posible slo cuando hay un incremento en los esfuerzos efectivos, que a su vez requiere que la relacin de vacos (e) disminuya por la expulsin del agua contenida en los poros.

Consolidacin

Asentamiento

t

' U

Esfuerzo total ()

Esfuerzos efectivos ()

Sobrepresinde poros (U)

U'tEsfuerzosLuego de unos pocos segundos, el agua empieza a salir de los vacos

Esto resulta en una disminucin de la sobrepresin de poros y de la relacin de vacos en la muestra. Lo que trae consigo un incremento del esfuerzo efectivo

Como resultado la muestra de suelo se asienta como se muestra en la fig.

Consolidacindeesfuerzosincrementos elensayo(doblandoelSeaplicanvarios verticalesdurante incremento anterior).Previo al primer incremento se registra la lectura inicial del extensmetro, al colocar la primera carga se activa el cronmetro y se registran las lecturas del extensmetro en intervalos de tiempo adecuados.

ConsolidacinCompletado el proceso de carga se procede a quitar cargas en decrementos. Se toman las lecturas del extensmetro.puededeterminarelelensayose dehumedadfinaldelamuestraConcluido contenido ensayada.

Consolidacin

Curva de Compresibilidad (Escala Natural)e

eo

e1 e2e

'1'2

Consolidacin

VsRecordandoe VvSe pueden definir:Coeficiente de Compresibilidad (av)Coeficiente de Compresibilidad Volumtrico (mv)

e 'av

V 'm V1vPendiente de la recta secante (vara donde se considere)

Consolidacin

Vacos

Vv=e

rea ConstanteLas Variaciones de Volumen se representan por variaciones de alturas

V=Vv=e=H

oovm V 1 e 1 avV '1 e '1 e

H e Ho1 eSe tieneEntonces

Slidos

Vacos

Slidos

HoVs=1

Vo=1+e

Consolidacin

Curva de Compresibilidad (Escala Natural)e

eo

e1 e2e

'1'2

Consolidacin

' e1 e2 e2 e1 Cc log ' log ' Curva de Compresibilidad (Escala Semi-Logaritmica)e

log

e1 e2e

log'1log'2log

Cc221log '1 Cc: Coeficiente de compresin

Consolidacin

Si se somete a incrementos-decrementos de carga :e

Curva de Compresin Virgen

Curva de Recompresin Curva de Expansin

ConsolidacinRepresentndola en escala Semi-logaritmica

e


log

Curva de Expansin

Curva de Recompresin


Consolidacin

En la realidad sucede:eProducto de:

log

Curva de RecompresinCurva de Compresin Virgen Curva de Expansin

Curva de Recompresin


ConsolidacinPara efectos de clculos por lo general no se consideran los procesos de descarga (condiciones de diseo)

e

Cr

Presin de Preconsolidacin

' (log)

Cc

Consolidacinc : Presin de Preconsolidacin

Lo que puede aproximarse ae

Cr

log

Cc

ConsolidacinPresin de Preconsolidacin

Mximapresinalaquehaestadosometidoen suelo a lo largo de su historia geolgica

ConsolidacinEstimacin de la presin de preconsolidacin.

e

c

' (log)

Consolidacin(OCR:CoeficientedePreconsolidacin Overconsolidation Ratio)

OCR 'cOCR = 1. Normalmente ConsolidadoOCR > 1. Preconsolidado2c)

ocf

fCcCrSc HlogHo log c 1eo11e1 'c ' ' 'o pero

'

ooSc Cc1eCr1eHo log ' f 'Ho logc

Hn1 en1 eo1 e1HoH1 L entoncesoo

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ConsolidacinTeora de Consolidacin Unidimensional

En 1923 Karl Terzagui adelant una solucin matemtica del proceso de consolidacin de los suelos. Constituyndose en uno de sus ms grandes aportes a la mecnica de suelos.

Una teora general de consolidacin debera considerar condiciones de esfuerzo y deformacin tridimensionales.

ConsolidacinTeora de Consolidacin Unidimensional

Sin embargo, en estas condiciones el problema se tornara en una solucin muy compleja, pues los suelos no son de comportamiento ideal en ningn sentido, resultando prcticamente imposible estimar toda la amplia variacin de las propiedades del suelo.

Por ello, la teora de consolidacin unidimensional simplifica sustancialmente el procedimiento y satisface la mayora de los requerimientos relativos al asentamiento.

ConsolidacinTeora de Consolidacin Unidimensional de TerzaguiSe basa en las siguientes hiptesis:El suelo es homogneoEl suelo est saturado (S=100%)Partculas de slidos y agua son incompresiblesElflujodeaguaylacompresinsonunidimensionales (vertical)La ley de Darcy es vlidaElcoeficientedepermeabilidad(K)yelcoeficientede compresibilidadvolumtrica (m v) permanecenconstantes durante todo el proceso de consolidacin

Consolidacin

La Teora de Consolidacin Unidimensional de Terzagui relaciona tres parmetros:El exceso de presin de poros ( u )La profundidad (z) del estrato de arcillaY el tiempo (t) medido desde el inicio de la consolidacin. P. E. en el momento en que se aplica el incremento de esfuerzo total.La ecuacin diferencial que gobierna la consolidacin es

z22u Cvtu

Consolidacin

hechoquedaenseriescondicionesdeFourier debordeparaysenecesitansolucionesemplearlas particulares.DondeCveselCoeficientedeConsolidacinVerticalyest dado por:Cv K K 1 eo mv wav wComo K y mv son constantes Cv tambin lo ser.Lasolucinaestae.d.d.p.esbastantecompleja,de

ConsolidacinEs por ello que muchas veces se emplean soluciones grficas para condiciones de borde particulares

dd

H

Drenaje DoblePiedra porosa

ConsolidacinQue permiten determinar el grado de consolidacin a cualquier profundidad para un Tv dado o el tiempo requerido para alcanzar un grado de consolidacin U, a determinada profundidad

ConsolidacinPara efectos prcticos es mucho ms sencillo y til determinar, un grado de consolidacin promedio para toda la capa.

Consolidacin Grado de ConsolidacinSedefinecomogradodeconsolidacin,aunaprofundidad z y a un tiempo t [Uz(%)], a la relacinentrelaconsolidacinyaexistenteaesa quehabrdeprofundidadylaconsolidacin producirse bajo la carga impuesta.Para efectos prcticos es mucho ms sencillo y til determinar, un grado de consolidacin promedio para toda la capa.

Consolidacin Grado de Consolidacin Medio del Estrato.Se define el grado medio de consolidacin [U(%)] de todo el estrato como la relacin entre la consolidacin que ha tenido lugar en cierto tiempo y la consolidacin total que habr de producirse.Luego de la resolucin de la ecuacin se observa que el grado medio de consolidacin depende de un nmero adimensional conocido como Factor Tiempo (Tv).

d 2d 2wvaC tK 1 et

wvvKmTv v C

vm av1 e

ConsolidacinAnalicemos an ms esta ecuacin:Cv: Coeficiente de consolidacin.d: mxima longitud de drenaje

Tv Cvtd 2

Ntese que como la distancia est elevada al cuadrado, una capa drenada por una sola cara requiere 4 veces ms tiempo que requerira la misma capa del mismo espesor, pero drenada por las 2 caras

ConsolidacinRetomando el tema, la relacin

822100n0TvU %12n12 242n 1puede ser resuelta para diferentes valores de Tv, calculndose los correspondientes valores de U(%). Esto permite establecer la relacin terica U(%) vs Tv, que se da en la tabla mostrada:Ojo: es la base de los logaritmos neperianos (e), utilizando este smbolo para evitar confusiones con la relacin de vacos (e).

500.197550.238600.287650.342700.405750.477800.565850.684900.848951.127100U (%)Tv00.00050.002100.008150.018200.031250.049300.071350.096400.126450.159

ConsolidacinEn la figura se dibuja la relacin U(%) vs Tv en escalas aritmtica y semilogaritmica, estas curvas tericas se conocen como curvas tericas de consolidacin.

Tv (nat)Tv (log)U (%)(nat)U (%)(nat)

ConsolidacinLasolucindelaconsolidacin,considerandoelprimertrmino suficiente,

Expresiones empricas que relacionan U(%) y Tv.La curva terica de la consolidacin se aproxima mucho a una parbola entre U=0% y U=60% de consolidacin. A partir de all se obtiene:24 100Tv delaecuacindiferencial U (%) (n=0),daungradodeaproximacin para U60%Tv 1.781 0.933log100 U (%)

ConsolidacinLa determinacin de Cv se hace a partir del ensayo de consolidacin. Empleando el mtodo de Casagrande o Taylor

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)Se coloca una muestra imperturbada de 20 mm de altura y 50 mm de dimetro, en un anillo indeformable.La muestra se ubica sobre una o dos piedras porosas que simulan las condiciones de drenaje.

Consolidacin Ensayo de Consolidacin (a detalle)

La muestra se mantiene sumergida bajo agua.Dicha muestra se somete a cargas verticales que se aplican mediante un brazo de palanca.Se registra la lectura inicial del extensmetro.Se aplican varios incrementos de esfuerzos verticales durante el ensayo (doblando el incremento anterior). Por ejemplo 2.5, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 400 Kg.

Consolidacin Ensayo de Consolidacin (a detalle)

Al colocar cada carga se activa el cronmetro y se registran las lecturas del extensmetro en intervalos de tiempo adecuados.Lo importante es registrar el tiempo y cada lectura del extensmetro.El siguiente incremento de carga se aplica cuando ya se ha completado la consolidacin primaria.Normalmente el tiempo en que se completa la consolidacin primaria para cada incremento de carga es de aproximadamente 24 horas, pero depende del tipo de material.

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)

Completado el proceso de carga se procede a quitar cargas en decrementos, en tres o cuatro porciones. Se toman las lecturas del extensmetro en diferentes tiempos para dibujar la curva de expansin. Cuando se desea la expansin total se toma la lectura inicial y final del extensmetro para un perodo de ms o menos 24 horas o hasta que ya no se produzca ms expansin.Concluido el ensayo se puede determinar el contenido de humedad final de la muestra ensayada.

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)Qu se debe medir al comienzo?Altura de la muestra.Dimetro de la muestra.rea y Volumen de la muestra.Densidad hmeda de la muestra.Peso de la Muestra (peso del anillo, peso del anillo con la muestra).Contenido de Humedad Inicial.Relacin de vacios inicial.




Consolidacin

Ensayo de Consolidacin (a detalle)Sometiendo la muestra de suelo a carga (24 horas para cada incremento de carga), se tiene:C= Incremento de carga. = Incremento de esfuerzo.H = variacin de la altura.H Lextfinal LextinicialPara cada incremento de carga se realiza una curva de consolidacin, por el mtodo de Casagrande o por el mtodo de Taylor.

Consolidacin

0%d2 1tt

Ensayo de Consolidacin (a detalle)Mtodo de Casagrandet2t1t50 4T (log)

d

50%

Lect. Ext. (nat)T d 2 vt50Cv Para U=50% Tv=0.197Consolidacin Primaria100%Consolidacin SecundariaTiempo (min)Lectura del Extensmetro0Lext inicial0.250.50.751241440Lext final

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)Mtodo de Taylor (escala natural)

t

0%t90d 2

Lext

90%

90t90Cv TvPara U=90% Tv=0.848

a1.15a

0.15a

Tiempo (min)Lectura del Extensmetro0Lext inicial0.250.50.751241440Lext final

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)Donde:Tv, factor tiempo.t, tiempo en que se genera la consolidacin de la muestra o del estrato.d, mxima altura que tiene que recorrer el agua para salir de la muestra o del estrato.

ddH

Drenaje DoblePiedra porosa

dH

Drenaje SimplePiedra porosaSuperficie Impermeable

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)Para determinar la permeabilidad K, se utiliza la ecuacin:K 1 eDonde:av, coeficiente de compresibilidad.K, coeficiente de permeabilidad.

av wCv

eav

Consolidacin

Ensayo de Consolidacin (a detalle)


Ci(Kg)Ci(Kg)i(kg/cm2)i(kg/cm2)Hi(mm)Hi(mm)eei00Hoe0C11 = C1/AmH1 = Lext i Lext fe1 =H1(1+e0)/HoC1 = 0 + C11 = 0 + 1H1 = Ho - H1e1 = e0 - e1C21 = C2/AmH2 = Lext i Lext fe2 =H2(1+e1)/H1C2 = C1 + C22= 1 + 2H2 = H1 - H2e2 = e1 - e2

ConsolidacinEnsayo de Consolidacin (a detalle)avmvHmt90CvKe1/1av/(1+e)Hm=(Ho+H1)/4*10GrficoCv=Hm2Tv90/t90K=H2avwTv90/[(1+e)t90]

ConsolidacinConsolidacin SecundariaCuando el exceso de presin sobre el hidrosttico ha sido transferido a esfuerzo efectivo se considera completado el proceso de consolidacin primaria. Sin embargo, la compresin del suelo contina a una tasa muy reducida, significando un mayor ajuste estructural bajo la presin sostenida.La contribucin de la consolidacin secundaria al asentamiento total vara con el tipo de suelo. Para muchos depsitos de suelo la consolidacin secundaria es pequea, pero para suelos orgnicos, micceos y algunos depsitos de arcillas, tal consolidacin puede constituir un porcentaje sustancial del asentamiento total.

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