Consolidación De Suelos.pptx

CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO

CONTENIDO 

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Consolidación Compresibilidad ¿Para qué se estudia la Consolidación? Fases de la Consolidación Consolidación Unidimensional Ecuación de Consolidación Ensayo de Consolidación Suelos Pre consolidados y Normalmente consolidados Cálculo de asentamientos Módulo de reacción del suelo

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CONSOLIDACIÓN Concepto

Es un proceso de disminución de volumen del suelo en un tiempo dado por la aplicación de una carga, produciéndose un asentamiento por la disipación del exceso de la presión intersticial debida a la expulsión del agua a través del suelo.

P

Vacíos

Sólido

Suelo Saturado

Por lo tanto, cuando un suelo se consolida ante la aplicación de una carga, se produce una disminución de la relación de vacíos y un incremento del esfuerzo efectivo.

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COMPRESIBILIDAD Es que la propiedad que tiene el suelo para de reducir su tamaño ante la aplicación de una fuerza de compresión. Cuando a un suelo se le aplica una fuerza de compresión, con la finalidad de reducir su tamaño, lo que en realidad se reduce son los espacios vacíos por reacomodo de sus partículas, por lo que si se trata de un suelo saturado, la compresión producida es debida a la expulsión del agua de los vacíos, y como el agua fluye lentamente, es un proceso diferido con el tiempo. Si por el contrario se trata de un suelo parcialmente saturado, la compresión producida es debida a la expulsión del aire, por lo que el fenómeno ocurre de forma casi instantánea, es decir que toma poco tiempo.

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COMPRESIBILIDAD

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Suelos no cohesivos como las gravas y arenas, se comprimen en un tiempo relativamente corto debido a que su permeabilidad es relativamente alta, por lo que los asentamiento en este tipo de suelos ocurre durante la fase de construcción de la estructura (horas o días).

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Suelos cohesivos, como las arcillas, presentan alta compresibilidad, pero como tienen baja permeabilidad, se comprimen en un tiempo más largo que los no cohesivos, por lo que el fenómeno puede durar años, e incluso siglos.

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¿PARA QUÉ SE ESTUDIA LA CONSOLIDACIÓN? Objetivo El desarrollo de la consolidación de un suelo es para dar respuesta a dos preguntas: 1.

¿Cuánto se deforma el suelo?

2.

¿En cuánto tiempo ocurre la deformación total?

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FASES DE LA CONSOLIDACIÓN 

Compresión inicial: Deformación inmediata producto de la aplicación de una carga, sin ningún cambio en el contenido de agua del suelo.

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Consolidación primaria: Resultado de un cambio de volumen en suelos saturados cohesivos debido a la expulsión del agua que ocupa los espacios vacíos.

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Consolidación secundaria: Resultado del ajuste plástico de la estructura de suelo. Deformación plástica de las partículas que componen el suelo.

El estudio de las relaciones esfuerzo – deformación de los suelos ha dado como resultado un comportamiento elasto – plasto – viscoso, muy alejado de las hipótesis de ser un material linealmente elástico o linealmente plástico, y debido a esa naturaleza se ha determinado que cuando a un suelo se le aplica una fuerza, la deformación que se produce es función del tiempo.

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CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL Hipótesis de la Teoría de Consolidación Unidimensional •Suelo está totalmente saturado y es homogéneo. •Tanto el agua como las partículas de suelo son incompresibles. •La Ley de Darcy aplica para el flujo de agua. •La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado. •El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante. •La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos.

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CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL El movimiento de las partículas de suelos ocurre sólo en dirección vertical. Analogía de Terzaghi (Transmisión de los esfuerzos externos a esfuerzos efectivos) Orificio Pistón sin fricción Resorte Cilindro de sección A

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ECUACIÓN DE CONSOLIDACIÓN 𝜕𝑢 𝜕2𝑢 = 𝐶𝑣 2 𝜕𝑡 𝜕𝑧 Define que la variación de la presión de poro en el tiempo va a ser una función de un valor constante (Cv) afectado de la variación de segundo orden de la presión de poro con respecto a la posición dentro del estrato compresible.

𝐶𝑣 = Coeficiente de Consolidación 𝐶𝑣 =

𝑘(1 + 𝑒) 𝑎𝑣 𝛾𝑤

k = Permeabilidad e = relación de vacíos 𝑎𝑣 = Coeficiente de compresibilidad (mide la razón de variación de la relación de vacíos con la presión) 𝑑𝑒 𝑎𝑣 = 𝑑𝑝 𝛾𝑤 = Peso específico del agua destilada a 4 ºC 𝑢 = 𝑓 𝑧, 𝑡 Presión neutra y es función de la profundidad z y el tiempo t

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ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN Ensayo de Consolidación

Carga Agua

Anillo de confinamiento Muestra de suelo

FINALIDAD DEL ENSAYO: 1. ¿Cuánto se deforma? 2. ¿En cuánto tiempo?

Curva de compresibilidad Curva de consolidación

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CURVA DE CONSOLIDACIÓN U (%)

Una curva para cada carga aplicada y se obtiene el parámetro de Cv

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CURVA DE CONSOLIDACIÓN Es una gráfica que relaciona el grado de consolidación U(%) con el tiempo(t). En las ordenas en escala aritmética y en las abscisas en escala aritmética o semilogarítimica, respectivamente. U(%) es la relación entre la consolidación que ya ha tenido lugar a esa profundidad y la consolidación total que ha de producirse bajo el incremento de carga impuesto. La curva es asintótica debido a que llega un punto en que a medida que pasa el tiempo, el grado de consolidación permanece constante.

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CURVA DE COMPRESIBILIDAD

Tramo de Recompresión

Tramo Virgen Tramo de Descarga

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CURVA DE COMPRESIBILIDAD Es una curva que establece la relación de presión – relación de vacíos. En las abscisas en escala natural o logarítmica y en las ordenadas en escala natural. Se obtiene una de cada prueba de consolidación completa. Generalmente una curva de compresibilidad tiene 3 tramos, el A es un tramo curvo que comienza en forma casi horizontal y cuya curvatura es progresiva, alcanzado su máximo en la proximidad de su unión con el tramo B. El tramo B es generalmente un tramo recto y con él se llega a la etapa final de carga de la prueba de consolidación, al aplicar el máximo incremento de carga, que corresponde a la máxima presión sobre la muestra. A partir de ese punto es común someter a la muestra a una segunda etapa, ahora de descarga, en la que se sujeta al espécimen a cargas decrecientes, dejando un tiempo prudencial hasta que la velocidad de deformación se reduzca prácticamente a cero; en esta etapa se tiene una recuperación del espécimen, sabiendo que este nunca llega nuevamente a su relación de vacíos inicial; el tramo c corresponde a la segunda etapa, con el espécimen llevado a carga nula. El tramo A se llama tramo de recompresión, el tramo B tramo virgen y el c tramo de descarga.

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CURVA DE COMPRESIBILIDAD El tramo A recibe ese nombre porque en experimentos realizados a muestras a las que se les ha aplicado ciclos de carga y descarga consecutivos, una vez que culmina la descarga del primer ciclo y empieza la carga del segundo, a una presión mayor que la máxima alcanzada en el primer ciclo, el tramo A del segundo ciclo se extiende hasta la máxima presión a la que se cargó el suelo en el primer ciclo, mientras que el tramo B se define como una prolongación del tramo virgen del ciclo anterior y el tramo c resulta similar al del primer ciclo. De esto se concluye que el tramo A se produce cuando a una muestra de suelo se le aplican presiones que ya ha soportado en épocas anteriores, mientras que el tramo B resulta de aplicar presiones que la muestra nunca antes ha soportado, de manera que los nombres asignados para cada tramo es lógico.

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SUELOS PRE CONSOLIDADOS Y NORMALMENTE CONSOLIDADOS

Suelos Pre consolidados • Suelos que están sometidos a presiones menores que las soportadas a lo largo de su historia geológica.

Suelos Normalmente consolidados • Suelos que están sometidos a la máxima presión que han soportado.

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CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS

∆𝐻 =

∆𝑒 𝐻 1 + 𝑒1

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CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS Ejercicio: En una prueba de consolidación de una muestra de arcilla inalterada se obtuvieron los siguientes resultados: 𝐾𝑔 𝑝1 = 1,65 𝑐𝑚2 ; 𝑒1 = 0,895 𝐾𝑔

𝑝2 = 3,10 𝑐𝑚2 ;

𝑒2 = 0,732

Determine el asentamiento total de un estrato de esta arcilla de 10 m de espesor. ∆𝑒 𝐻 1 + 𝑒1 0,163 ∆𝐻 = 10 𝑚 1,895

∆𝐻 =

∆𝐻 = 0,86 𝑚

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CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS Existe otro método para el cálculo de asentamiento 𝛿 basado en el parámetro de compresibilidad 𝑚𝑣 obtenido del ensayo de consolidación, 𝛿 se define mediante la ecuación

𝛿 = 𝑚𝑣 ∆𝜎

Teoría y practica de la consolidación

Objetivo: fundamentos de la teoría de la consolidación de Terzaghi(1943) con las aplicaciones para el cálculo de las cargas aplicadas al suelo. Las pruebas de laboratorio y su interpretación. Ámbito de aplicación : diseño de la cimentación , calculo de hundimiento y fenómenos de subsidencia.

Uno de los problemas mas difíciles en ingeniería geotécnica es seguramente las predicción de los asentamientos de una cimentación cargada. El problema tienes dos elementos: 1) La evaluación de la cantidad de asentamientos 2) La velocidad y el tiempo para llegar esto valor de asentamientos Cuando el suelo es sujeto a un stress debido a una cimentación cargada hay tres tipos de asentamientos : Elástico; consolidación primaria; consolidación secundaria .

Fases de asentamientos de una área (cimentación) cargada. Cuando el suelo es sujeto a un stress debido a una cimentación cargada hay tres tipos de asentamientos : Elástico; consolidación primaria; consolidación secundaria .

Fases: 1 Asentamiento elástico

2 Asentamiento por consolidación primaria

3

Asentamiento pro consolidación secundaria

Tiempo Inmediato (horas o días) En cualquier tipo de terreno (gruesos y finos)

Años En suelos a media y baja permeabilidad Generalmente en suelos Finos

Siglos En suelos a media y baja permeabilidad Generalmente en suelos Finos

Asentamientos: definiciones. Asentamiento elástico o inmediato La compresión ocurre de inmediato después la aplicación de la carga. Movimiento vertical debido a la deformación (vertical) elástica del medio poroso. En esto tipo de asentamiento La deformación elástica vertical es preeminente A otra deformación (ej. Horizontal)

Asentamiento por consolidación primaria (en suelos saturos) El incremento de carga , debido a la compresión y deformación elástica, crea un incremento de presión hidrostática en el medio poroso. Esto exceso de presión de poro puede reducirse en el tiempo debido a una expulsión gradual de agua. La expulsión de agua produce un cambio de volumen que es dependiente del tiempo (teoría de Terzaghi 1943 .. Ver mas adelante)

asentamiento inmediato o elástico

L

Asentamiento elástico Debajo de cimentación Arriba de estrato Semi-infinito

B

centro

esquina