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CONSOLIDACIÓN DE SUELOS
Para comprender y predecir el comportamiento de la consolidación de suelos, se utilizan diferentes parámetros geotécnicos. Uno de ellos es el coeficiente de consolidación, que representa la capacidad del suelo para drenar el agua y su respuesta a las cargas aplicadas. Otro parámetro importante es la curva de consolidación, que muestra la relación entre la presión aplicada y el tiempo necesario para que el suelo se consolide por completo. Esta curva proporciona información sobre la compresibilidad y la permeabilidad del suelo, lo que es crucial para el diseño de cimentaciones y estructuras. La consolidación de suelos también se divide en consolidación primaria y consolidación secundaria. La consolidación primaria ocurre inmediatamente después de la aplicación de la carga y está asociada con la expulsión rápida del agua del suelo. Por otro lado, la consolidación secundaria es un proceso más lento y prolongado, en el que los granos del suelo se reorganizan y se asientan aún más con el tiempo. La consolidación de suelos es un fenómeno geotécnico que ocurre cuando un suelo experimenta una disminución en su volumen debido a la expulsión del agua presente en sus poros. Este proceso se produce bajo la aplicación de cargas sobre el suelo, ya sea debido a la construcción de estructuras o a la carga natural del terreno. La consolidación es un factor importante a considerar en la ingeniería civil, ya que puede afectar la estabilidad y el comportamiento de las estructuras construidas sobre el suelo. La compresión que sufre un suelo se debe a la disminución del volumen de los poros, ya que las partículas se asumen incompresibles o de efecto despreciable. En suelos saturados la compresión ocurre solamente si se presenta drenaje de agua. La compresión gradual de un suelo por efecto de los esfuerzos originados por la presión que ejercen las estructuras superpuestas, recibe el nombre de consolidación. PRINCIPIOS DE CONSOLIDACIÓN Cuando una capa de suelo saturado se somete a un aumento del esfuerzo, la presión del agua intersticial se incrementa repentinamente. En los suelos arenosos que son altamente permeables, el drenaje causado por el aumento en la presión de agua intersticial se completa inmediatamente. Este drenaje de agua intersticial se acompaña de una reducción en el volumen de la masa de suelo, lo que se traduce en asentamiento. Debido al rápido drenaje del agua intersticial en suelos arenosos, el asentamiento elástico y de consolidación ocurren simultáneamente.
Cuando una capa de arcilla compresible saturada se somete a un aumento del esfuerzo, el asentamiento elástico se produce inmediatamente. Por lo tanto, el cambio de volumen asociado (es decir, la consolidación) en la arcilla puede continuar por mucho tiempo después del asentamiento elástico. El asentamiento causado por consolidación en arcilla puede ser varias veces mayor que el asentamiento elástico. La consolidación se rige por varios principios clave: Ley de Terzaghi: Este principio establece que el asentamiento de un suelo saturado es proporcional al logaritmo natural del tiempo. Es decir, a medida que pasa el tiempo, el asentamiento disminuye de manera logarítmica. Coeficiente de consolidación: Es una propiedad del suelo que determina su capacidad para consolidarse. Se calcula mediante pruebas de laboratorio y representa la velocidad a la que se produce la consolidación. Un coeficiente de consolidación alto indica que el suelo se consolidará rápidamente, mientras que uno bajo indica que el proceso será más lento. Curva de consolidación: Es una representación gráfica que muestra la relación entre el incremento de la presión efectiva y el tiempo durante el proceso de consolidación. La curva de consolidación se obtiene a partir de pruebas de consolidación en el laboratorio y permite determinar la compresibilidad y la permeabilidad del suelo. Índice de compresión: Es una medida de la compresibilidad del suelo durante la consolidación. Se calcula a partir de la curva de consolidación y representa la relación entre el incremento de la presión efectiva y el logaritmo natural del tiempo. Consolidación primaria y secundaria: La consolidación primaria ocurre inmediatamente después de aplicar la carga sobre el suelo y se debe principalmente a la expulsión del agua de los poros. La consolidación secundaria, también conocida como consolidación por fluencia, ocurre a largo plazo y se debe a la reorganización de las partículas del suelo. Estos principios de consolidación son fundamentales para comprender y predecir el comportamiento de los suelos durante la consolidación. Permiten realizar cálculos de asentamiento, determinar la capacidad de carga de cimentaciones y diseñar estructuras que sean capaces de soportar los asentamientos esperados. Además, son la base para el estudio de otros fenómenos geotécnicos, como la subsidencia del suelo y la estabilidad de taludes.
El esfuerzo efectivo se utiliza en varios aspectos de la mecánica de suelos, como el cálculo de la capacidad de carga de cimentaciones, el análisis de la estabilidad de taludes y el diseño de estructuras de contención. También es utilizado para determinar propiedades geotécnicas del suelo, como la permeabilidad y la compresibilidad. Perpendicular a un plano cualquiera (oblicuo o no), que pase por el elemento A del terreno, existe un esfuerzo total () y una presión intersticial o de poros (U), a una profundidad (Z). Ahora, el esfuerzo efectivo (’) se define como el valor de la diferencia entre el esfuerzo total () y la presión de poro (p.p.) (U). En la masa de suelo saturada se presenta una reacción por los esfuerzos que soporta el esqueleto mineral (’), que actúan interarticular, y los esfuerzos por la presión de poro (U) dentro del fluido intersticial que ocupa los poros. La suma de ambos es igual al esfuerzo total (). En las caras del elemento A, de área a2, las partículas de suelo ejercen fuerzas en dirección normal y tangencial, N y T, como se muestra en la figura. Los esfuerzos serán, en ambas caras: Si se carga el terreno, toda la masa de suelo será afectada. El agua recibirá las nuevas fuerzas y empezará a fluir, los esfuerzos serán transferidos, poco a poco, del agua al esqueleto mineral, y cuando se presente el drenaje total del suelo, habrá disminuido U y aumentado ’.
VARIACIONES DE LOS ESFUERZOS EFECTIVOS (’) POR FLUJO DEL
AGUA
Es la presión generada por el flujo al interior del suelo. Su valor es, en flujo vertical, Pc = iZW. Vectorialmente, la fuerza de filtración es W J i , donde i es el gradiente hidráulico, y su dirección, la de las líneas de corriente. Deformaciones en el suelo ( = esfuerzo; = deformación) Un suelo puede presentar deformaciones permanentes o no por causa de las cargas que soporta. Las deformaciones pueden ser: Deformación elástica: La deformación elástica es un fenómeno físico que ocurre cuando un material experimenta una deformación reversible bajo la aplicación de una fuerza externa. En otras palabras, cuando se aplica una fuerza a un material elástico, este se deforma momentáneamente, pero al retirar la fuerza, el material recupera su forma y tamaño originales. La deformación elástica se rige por la ley de Hooke, que establece que la deformación es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Matemáticamente, esto se expresa como: F = k * ΔL Donde F es la fuerza aplicada, k es la constante elástica del material y ΔL es el cambio en la longitud del material. La constante elástica k varía para cada material y se conoce como la rigidez del material. Es una medida de la resistencia del material a la deformación elástica. Cuanto mayor sea la constante elástica, más rígido será el material y menos se deformará bajo una determinada fuerza. La deformación elástica también puede ser cuantificada mediante el módulo de elasticidad, que es una propiedad intrínseca del material. El módulo de elasticidad se denota como E y se define como la relación entre la tensión
aplicada sobre el material y la deformación resultante. Matemáticamente, se expresa como: E = σ / ε Donde σ es la tensión aplicada y ε es la deformación resultante. El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material y se utiliza para comparar la respuesta elástica de diferentes materiales. Cuanto mayor sea el módulo de elasticidad, más rígido será el material y menos se deformará bajo una determinada tensión. Deformación plástica: La deformación plástica es un fenómeno físico que ocurre cuando un material experimenta una deformación permanente e irreversible bajo la aplicación de una fuerza externa. A diferencia de la deformación elástica, en la que el material recupera su forma original al retirar la fuerza, en la deformación plástica el material no puede regresar a su forma inicial. La deformación plástica se produce cuando la fuerza aplicada sobre el material supera su límite elástico, que es el punto en el que el material deja de comportarse de manera elástica y comienza a deformarse de forma permanente. Una vez que se supera este límite, el material experimenta una deformación plástica que puede ser permanente y afectar su estructura interna. La deformación plástica puede ocurrir en diferentes formas, como la fluencia, la cual es un alargamiento gradual y continuo del material bajo una carga constante, o la estricción, que es una reducción de la sección transversal del material debido a la deformación. En la deformación plástica, no se aplica una ley de proporcionalidad lineal como en el caso de la deformación elástica. En cambio, la relación entre la fuerza aplicada y la deformación resultante es no lineal y depende de las propiedades específicas del material. La deformación plástica se caracteriza por la formación de
En la deformación compresiva, el material se comprime y experimenta una disminución en su longitud, espesor o volumen. Esta compresión puede ocurrir en diferentes tipos de materiales, como sólidos, líquidos o gases. La deformación compresiva se puede describir matemáticamente utilizando la fórmula de la deformación unitaria. La deformación unitaria (ε) se define como el cambio relativo en la longitud original (ΔL) dividido por la longitud original (L0) del material: ε = ΔL / L Donde ε es la deformación unitaria, ΔL es el cambio en la longitud y L0 es la longitud original. La deformación compresiva también puede estar relacionada con el módulo de elasticidad del material. El módulo de elasticidad (E) es una medida de la rigidez de un material y se define como la relación entre la tensión (σ) aplicada sobre el material y la deformación unitaria (ε) resultante: E = σ / ε Donde E es el módulo de elasticidad, σ es la tensión y ε es la deformación unitaria. Es importante tener en cuenta que la deformación compresiva puede tener diferentes efectos en diferentes materiales. Algunos materiales pueden ser altamente compresibles y sufrir una deformación significativa bajo una pequeña fuerza de compresión, mientras que otros materiales pueden ser menos compresibles y requerir una fuerza mayor para sufrir una deformación apreciable. CURVA DE CONSOLIDACIÓN La consolidación es un proceso geotécnico que ocurre en los suelos saturados cuando se les aplica una carga. Durante este proceso, el agua presente en los poros del suelo se mueve lentamente hacia afuera, lo que resulta en una disminución de los vacíos y un aumento en la densidad del suelo. Esto a su vez produce una deformación vertical en el suelo, conocida como asentamiento. La curva de consolidación es una representación gráfica que muestra cómo se desarrolla el proceso de consolidación en un suelo a lo largo del tiempo. En esta curva, el eje horizontal representa el tiempo y el eje vertical representa la deformación vertical del suelo.
La curva de consolidación se construye a partir de los datos obtenidos durante un ensayo de consolidación. Durante este ensayo, se aplica una carga incremental al suelo y se registra la deformación vertical en intervalos regulares de tiempo. Estos datos se utilizan para trazar los puntos en la curva de consolidación. Para obtener una curva de consolidación mecánica de suelos, se deben seguir los siguientes pasos: Preparación de la muestra de suelo: Se toma una muestra representativa del suelo que se desea analizar y se prepara en forma de cilindro o bloque. La muestra se coloca en una celda de consolidación, que es un dispositivo especializado diseñado para aplicar cargas controladas y medir la deformación. Aplicación de cargas: Se aplica una carga incremental a la muestra de suelo. Esta carga puede ser aplicada de forma gradual o en etapas, dependiendo del procedimiento utilizado. La carga se aplica utilizando un dispositivo de carga controlada, como una prensa o una máquina de consolidación. Registro de la deformación: Durante el proceso de consolidación, se registra la deformación vertical de la muestra de suelo. Esto se realiza utilizando un
El procedimiento de prueba de consolidación unidimensional fue sugerido por primera vez por Terzaghi (1925). Esta prueba se lleva a cabo en un consolidómetro (a veces referido como un edómetro). La fi gura es el diagrama esquemático de un consolidómetro. La muestra de suelo se coloca dentro de un anillo de metal con dos piedras porosas, una en la parte superior de la probeta y otra en la parte inferior. Los especímenes tienen generalmente 63. mm de diámetro y 25.4 mm de espesor. La carga de la probeta es aplicada a través de un brazo de palanca y la compresión se mide mediante un micrómetro calibrado. Durante la prueba, la muestra se mantiene bajo el agua. Cada carga generalmente se mantiene durante 24 horas. Después de eso la carga por lo general se duplica, duplicando así la presión sobre la muestra, y se continúa con la medición de la compresión. Al final de la prueba, se determina el peso en seco de la muestra de ensayo. La forma general de la gráfica de deformación de la muestra en función del tiempo para un incremento de carga dada se muestra en la figura 3.
Durante el proceso del ensayo de consolidación mientras que la muestra está sujeta a las respectivas pruebas, podemos analizar la curva de consolidación, aquí veremos que el ensayo o la consolidación en sí consta de 3 pasos o etapas: Etapa I: Compresión inicial, que es causada sobre todo por la precarga. Etapa II: Consolidación primaria, durante la cual el exceso de presión del agua intersticial se transfi ere gradualmente en esfuerzo efectivo por la expulsión de la misma. Etapa III: Consolidación secundaria, se produce después de la disipación total del exceso de presión del agua intersticial, cuando se lleva a cabo alguna deformación de la muestra debido al reajuste plástico del suelo. EDÓMETRO Es un aparato de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de un proceso de consolidación. La muestra inalterada es un suelo tomado en campo y cortado con cuidado para obtener una probeta, que quede ajustada al diámetro del anillo interior, y con altura de una pulgada. Es por eso que el ensayo se realiza en condiciones de compresión confinada, con una muestra saturada. Al aplicar la carga, el agua se evacúa por dos piedras porosas: una superior y otra inferior. La carga aplicada en el ensayo es incremental. En el ensayo se realiza el registro de las deformaciones (en el extensómetro) contra el tiempo. Otros valores que se registran y se calculan en el ensayo son
El coeficiente de compresibilidad es una propiedad física que describe la respuesta de un material ante una fuerza de compresión. Representa la medida de la facilidad con la que un material puede ser comprimido cuando se le aplica una presión externa. El coeficiente de compresibilidad se denota comúnmente como β y se define como el cambio relativo en el volumen (ΔV) de un material dividido por el cambio relativo en la presión (ΔP) aplicada: β = - (1 / V) * (ΔV / ΔP) Donde β es el coeficiente de compresibilidad, V es el volumen del material, ΔV es el cambio en el volumen y ΔP es el cambio en la presión. El coeficiente de compresibilidad es una medida de la rigidez del material frente a la compresión. Un coeficiente de compresibilidad alto indica que el material es altamente compresible y experimentará un cambio significativo en su volumen cuando se le aplique una presión. Por otro lado, un coeficiente de compresibilidad bajo indica que el material es menos compresible y sufrirá un cambio mínimo en su volumen bajo una presión aplicada. Es importante tener en cuenta que el coeficiente de compresibilidad puede variar según el material y las condiciones en las que se encuentre. Algunos materiales, como los gases, tienen coeficientes de compresibilidad altos debido a su naturaleza altamente compresible. En contraste, los sólidos suelen tener coeficientes de compresibilidad mucho más bajos debido a su rigidez estructural. Coeficiente de compresibilidad volumétrica (mv) El coeficiente de compresibilidad volumétrica es una medida de la facilidad con la que un material puede ser comprimido en términos de cambios en su volumen. Se utiliza para cuantificar la respuesta de un material a una presión externa aplicada. El coeficiente de compresibilidad volumétrica, denotado como β (beta), se define como el cambio relativo en el volumen (ΔV) de un material dividido por el cambio relativo en la presión (ΔP) aplicada: β = - (1 / V) * (ΔV / ΔP) Donde β es el coeficiente de compresibilidad volumétrica, V es el volumen del material, ΔV es el cambio en el volumen y ΔP es el cambio en la presión. El coeficiente de compresibilidad volumétrica es una medida de la rigidez del material en términos de su capacidad para cambiar de volumen bajo una presión aplicada. Un coeficiente de compresibilidad volumétrica alto indica que el material es altamente compresible y experimentará un cambio significativo
en su volumen cuando se le aplique una presión. Por otro lado, un coeficiente de compresibilidad volumétrica bajo indica que el material es menos compresible y sufrirá un cambio mínimo en su volumen bajo una presión aplicada. Es importante destacar que el coeficiente de compresibilidad volumétrica puede variar según el material y las condiciones en las que se encuentre. Algunos materiales, como los gases, tienen coeficientes de compresibilidad volumétrica altos debido a su naturaleza altamente compresible. En contraste, los sólidos suelen tener coeficientes de compresibilidad volumétrica mucho más bajos debido a su rigidez estructural. Índice de compresión (CC) El índice de compresión es una medida utilizada en geotecnia para evaluar la compresibilidad de los suelos. Se utiliza para determinar la capacidad de un suelo para deformarse bajo cargas aplicadas y su capacidad de recuperación después de la descarga. El índice de compresión, denotado como Cc, se calcula utilizando la siguiente fórmula: Cc = (log(e2) - log(e1)) / (log(P2) - log(P1)) Donde Cc es el índice de compresión, e1 y e2 son las deformaciones volumétricas correspondientes a las presiones P1 y P2, respectivamente. El índice de compresión es una medida de la capacidad de un suelo para comprimirse bajo cargas aplicadas. Un índice de compresión alto indica que el suelo es altamente compresible y experimentará una mayor deformación volumétrica bajo cargas aplicadas. Por otro lado, un índice de compresión bajo indica que el suelo es menos compresible y sufrirá una menor deformación volumétrica bajo cargas aplicadas. Es importante destacar que el índice de compresión puede variar según el tipo de suelo y las condiciones en las que se encuentre. Algunos suelos, como los arcillosos, tienden a tener índices de compresión más altos debido a su naturaleza altamente compresible. Por otro lado, los suelos arenosos suelen tener índices de compresión más bajos debido a su mayor capacidad de drenaje y menor compresibilidad. Coeficiente de consolidación (CV) Es una propiedad geotécnica que describe la velocidad a la cual un suelo se consolida bajo cargas aplicadas. Se utiliza para determinar el tiempo que tomará que un suelo alcance su deformación final después de aplicar una carga.
La muestra pierde volumen a expensas de los vacíos: el volumen de vacíos (VV) cambia, pero no el volumen de sólidos (VS), entonces: Se calcula S que es el asentamiento total de una cimentación por la consolidación que experimenta el suelo arcilloso. ÍNDICES DE COMPRESIÓN (CC) Y RECOMPRESIÓN (CR). Sometiendo a compresión confinada un espécimen, las curvas de relación de vacíos (e), Vs (P=’), en escala logarítmica (Figura 9.12), son: I Curva teórica = nc = bc. II Curva de laboratorio para muestras inalteradas. III Curva de laboratorio para muestras disturbadas. IV Curva que representa una muestra remoldeada. Las curvas muestran el tramo virgen b-c o r-c, cuya pendiente es CC. También muestran el tramo de recompresión (Cr), con menor pendiente. (CR = índice de recompresión) en los cuales el suelo se somete a procesos de carga – descarga (a-b c-f). Para calcular CC o CR se utiliza la expresión.
Dependiendo del tramo seleccionado, se estará obteniendo CC o CR. Las curvas I, II, II y IV convergen en c, punto para el cual e = 0,4e0. También, después de cada ciclo de carga–descarga la trayectoria continúa por el “tramo virgen” con pendiente (CC). Las condiciones reales en el campo permitirán determinar si el suelo estará con ’REAL ’c NOTA: Existe correlación entre el límite líquido y CC: CC = 0,009(LL – 10): para arcillas normalmente consolidadas CC = 0,007(LL – 10): para arcillas remoldeadas. CÁLCULO DE ASENTAMIENTO: CÁLCULO DE ASENTAMIENTO A PARTIR DE UNA CONSOLIDACIÓN PRIMARIA EN UNA DIMENSIÓN Con los conocimientos adquiridos en el análisis de los resultados de las pruebas de consolidación, ahora podemos proceder a calcular el asentamiento probable causado por la consolidación primaria en campo, suponiendo una consolidación unidimensional. Consideremos una capa de arcilla saturada de espesor H y el área de la sección transversal A debajo de una presión de sobrecarga efectiva media existente s¿ o. Debido a un aumento de la presión, s, sea Sp el asentamiento principal. Al final de la consolidación. Por lo tanto, el cambio en el volumen está dado por. donde V0 y V1 son el volumen inicial y final, respectivamente. Sin embargo, el cambio en el volumen total es igual al cambio en el volumen de vacíos, Vv. Por lo tanto,
