unidad 2. consolidación

5/23/2018 Unidad 2. Consolidacin

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Mgtr. Salvador Sobrecases MartEscuela de Ingeniera Civil Ambiental / Mecnica de Suelos II

TEMA 2: CONSOLIDACIN


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Mgtr. Salvador Sobrecases MartFacultad de Ingeniera / Escuela de Ingeniera Civil Ambiental / Mecnica de Suelos II

I. CONCEPTO DE CONSOLIDACIN

El suelo es un medio trifsico (partculas minerales, agua y aire). De acuerdo con elprincipio de Terzaghi (o Bishop), cuando se aplica una carga a un suelo el efectoinmediato es un aumento de la presin del fluido intersticial u.A continuacin, esa sobrepresin generada tiende a disiparse, volviendo a la

situacin de equilibrio inicial.

En un suelo saturado, al aplicar una carga, se producir un aumento de la presinintersticial igual a la presin transmitida u =.El agua de los poros fluye, fuera de la zona cargada, de esta forma se disipan estassobrepresiones intersticiales.La disipacin de las sobrepresiones intersticiales produce un cambio en laestructura (generalmente disminucin de volumen) y en las caractersticas delsuelo (resistencia, permeabilidad, ...) CONSOLIDACINComo el terreno esta coaccionado lateralmente, la variacin de volumen se traduceen deformaciones verticales ASIENTOS

P

u

Es muy importante no confundir este fenmenocon el de la COMPACTACIN, que consiste en

la reduccin de volumen de un suelo por laexpulsin del aire contenido en sus poros

(Y ES EXCLUSIVO, POR TANTO, DE SUELOSSEMISATURADOS)

I. CONCEPTO DECONSOLIDACIN

II. TEORIA DE LACONSOLIDACINUNIDIMENSIONAL

III. CONCEPTO DESOBRECONSOLIDACIN

IV. TIEMPO DECONSOLIDACIN


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MUY IMPORTANTE:

LA PRESIN TOTAL PERMANECE CONSTANTE DURANTE TODO EL PROCESO (NO VARA

SALVO QUE SE APLIQUEN NUEVAS CARGAS O SE RETIREN LAS EXISTENTES).

LO QUE SE PRODUCE ES UNA TRANSFERENCIA ENTRE PRESIN INTERSTICIAL Y PRESIN

EFECTIVA, PERO LA SUMA (P. INTERSTICIAL + P. EFECTIVA) SIEMPRE ES LA MISMA

ANALOGA HIDRULICA DE TERZAGHI

presin sobre el muelle

p

tiempopresin del agua

En el suelo: Al existir una diferencia depotencial entre el agua intersticial de lazona cargada y las zonas adyacentes seproducir progresivamente una migracin

del agua intersticial desde las zonascargadas a las no cargadas para alcanzaruna nueva situacin de equilibrio.

Este proceso depende lgicamente de lapermeabilidad del suelo y puede tardarsegundos o aos.


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Las deformaciones diferidas de un suelo saturado, muestran tres tipos de consolidacin:

1)CONSOLIDACIN INICIAL: cambio de volumen en el suelo producido por aumentode la presin total. La causa: efectos tales como disolucin de burbujas de aire (saturacinincompleta) cierre de fisuras, reordenacin de partculas, etc...)

2) CONSOLIDACIN PRIMARIA: es la verdadera consolidacin, producto de ladisipacin de la sobrepresin intersticial y el consecuente aumento de la presinefectiva.

3) CONSOLIDACIN SECUNDARIA: cambio de volumen del suelo que se sigueproduciendo una vez disipada la sobrepresin intersticial, es decir, a tensin

efectiva constante. Se debe a mltiples factores (fluencia por desplazamientos yreorientaciones de partculas, descomposicin de la materia orgnica del suelo, etc...)

INICIAL

PRIMARIA

SECUNDARIA

Asiento

log t






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II. CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL (EDOMTRICA)

Es una teora simplificada del fenmeno de la consolidacinque aplicaremos en los sucesivo y que parte de las siguienteshiptesis:

Suelo saturado

Aplicacin de cargas exclusivamente verticales

Deformaciones del suelo exclusivamente verticales(ASIENTOS DE CONSOLIDACIN)

Partculas de suelo y agua se consideran incompresibles

Es vlida la ley de Darcy






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Deformacin de un suelo saturado bajo un incremento de presin

Estado 0 Estado "1"

rea = S rea = S

AguaSlidos

eo

1Ho

Hv

Hs

'0

H1

Hv1

Hs 1

e1

He

''' 01

0

0

0

0

10

11H

e

eH

e

eeHs

0

10

0 1 e

ee

H

H


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Para determinar la magnitud del asiento de consolidacin de unsuelo, producida por una variacin de su estado tensional, as

como su evolucin en el tiempo son necesarios una serie deparmetros del suelo ENSAYO EDOMTRICO(Ensayo de consolidacin unidimensional en edmetro).

Interpretando los datos de este ensayo obtenemos dos clasesde curvas:

CURVA EDOMTRICA :permite conocer cuanto se deforma un

suelo al aumentar la tensin efectiva a la que est sometidoCURVAS DE CONSOL IDACIN:permiten estimar a quevelocidad se produce el asiento de consolidacin







EL ENSAYO EDOMTRICO

PRESIN: Altura ASIENTO:

Kg/cm2 mm mm0 20

0,5 19,622 0,378

1 19,4027 0,2193

2 19,011 0,3917

4 18,58 0,431

8 18,07 0,51

4 18,157 -0,087

2 18,297 -0,14

0,1 18,82 -0,523







CURVA EDOMTRICA

0,1 0,5 1 2 4 8100,200

0,220

0,240

0,260

0,2800,300

0,320

0,340

0,360

0,380

0,400

PRESIN EFECTIVA kp/cm2

INDICEDE

HUECOS

PRESIN: Altura ASIENTO:

Kg/cm2 mm mm0 20 0,238

0,5 19,622 0,378 0,214

1 19,4027 0,2193 0,201

2 19,011 0,3917 0,176

4 18,58 0,431 0,150

8 18,07 0,51 0,118

4 18,157 -0,087 0,124

2 18,297 -0,14 0,132

0,1 18,82 -0,523 0,165

INDICE DEHUECOS:

Rama de compresin noval

Pendiente: CcNDICE DE COMPRESIN

Rama de descarga

Pendiente: CsNDICE DE HINCHAMIENTO







CURVA EDOMTRICA

0,1 0,5 1 2 4 8100,2000,220

0,240

0,260

0,280

0,300

0,320

0,340

0,360

0,380

0,400

PRESIN EFECTIVA kp/cm2

INDICE

DE

HUEC

OS

Rama de compresin noval

Pendiente = NDICE DE COMPRESIN Cc

Rama de descarga

Pendiente = NDICE DE HINCHAMIENTOCs

'

'log)'log'(log

0

10101

cc CCeee

'

'log

1 0

1

0

0

Cc

e

HHs0

0

1H

e

eHs







)10LL(009.0Cc

cs C10

1~

5

1C

Skempton (1944)







III. CONCEPTO DE SOBRECONSOLIDACIN

Se llama tensin de preconsol idacinde un suelo a la mximatensin efectiva a la que ha estado sometido a lo largo de suvida.

Se llama razn de preco ns olid acin (OCR)a la relacin entrela tensin de preconsolidacin y la tensin a la que estsometido en la actualidad.

Un suelo NORMALMENTE CONSOLIDADOes aquel cuya

tensin efectiva actual es la mxima a la que ha estadosometido (OCR = 1)

Un suelo PRECONSOLIDADO o SOBRECONSOLIDADOesaquel que ha estado sometido a una tensin efectiva mayor

que la actual (OCR>1)

0''

P

OCR







La determinacin del grado de preconsolidacin de un sueloes fundamental para acometer el clculo de asientos.

Los suelos preconsolidados asientan segn la rama de descarga

hasta que la tensin efectiva supera a la de preconsolidacin, y apartir de ah, segn la rama de compresin noval.

Los suelos normalmente consolidados asientan siempre segn larama de compresin noval

CURVA EDOMTRICA

0,6997

0,6860

0,6647

0,6340

0,5845

0,5316

0,4778

0,4190

0,38310,3865

0,39170,3993

0,4642

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

1 10 100 1000 10000

log '

e





OBTENCIN DE A PRESIN DE PRECONSO IDACIN


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Ensayo de Consol idacin

0 .1 1 1 0 1 0 0

Tensin Vert ical Efect iva, v ' [kg/cm]

Indice

de

vacos

,e

[]

5

1

2

3

4

6

p c '

OBTENCIN DE LA PRESIN DE PRECONSOLIDACIN.

MTODO DE CASAGRANDE






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Correccin de la curva edomtrica

Correccin de Schmertmann: todas las curvas de compresinnoval de un mismo suelo normalmente consolidado, obtenidas

con distinto grado de perturbacin de la muestra, son rectas quepasan por un punto que tiene un ndice de huecos igual al 42%del inicial

0e

042,0 e

Cc de la curvacorregida (el que

se usa en losclculos)

0






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0e

042,0 e

0

p

PARALELAS

Correccin de la curva edomtrica.

Suelos sobreconsolidados






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Clculo del asiento edomtrico






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Si el incremento de tensiones no es noval, y 1es menorque la mxima tensin a la que haya estado sometido el

suelo, entonces:



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Si el incremento de tensiones es noval, y 1es mayorque la mxima tensin a la que haya estado sometido elsuelo, entonces:







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Ejemplo: Paso de un suelo de N.C. a S.C. y nuevamente a N.C.

2

2

2

/28111'

/101

/4811

mkN

mkNu

mkN

wsat

w

sat

(Para sat=20 kN/m3; = 18 kN/m3y w=10 kN/m3)

1

Asat

1

I: Estado Inicial

2

2

2

/20321'

/303

/5021

mkN

mkNu

mkN

wsatw

w

satw

1

Asat

1

II: Inundacin

1

Cambian las tensiones efectivas HAY DEFORMACIN

Que tipo de deformacin?


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Que tipo de deformacin?

Def. e

e+

-

log

28

20

Sobreconsolidado


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2

2

2

/20'

/202

/402

mkN

mkNu

mkN

w

sat

1

Asat

12

2

2

/20321'

/303

/5021

mkN

mkNu

mkN

wsatw

w

satw

II: Inundacin

1

1

Asat

1

III: Desecacin 1

NOCambian las tensiones efectivas NOHAY DEFORMACIN

log

e+

-

Sobreconsolidado

e

II

III


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log

e+

-

1

Asat

1

IV: Desecacin 2


1

Asat

1

2

2

2

/20'

/202

/402

mkN

mkNu

mkN

w

sat

III: Desecacin 1

2

2

2

/28'

/101

/4811

mkN

mkNu

mkN

w

sat

Def. e

IV

III

Sobreconsolidado


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log

e+

-


1

12

2

/36'

00

/362

mkN

u

mkN

w

Asat

V: Desecacin 3

1

Asat

1

IV: Desecacin 2

2

2

2

/28'

/101

/4811

mkN

mkNu

mkN

w

sat

Def. e

IV

V

Normalmenteconsolidado


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Mdulo edomtrico

0

''

H

HEm

)1('

1

' 0

0

ee

e

eEm

Al inverso del mdulo edomtrico se le llama

mdu lo de deformacin vo lumtric a (mv)

No es un parmetro intrnseco. Seobtienen valores distintos en cada

escaln de carga





IV TIEMPO DE CONSOLIDACIN


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IV. TIEMPO DE CONSOLIDACIN

En Ingeniera Geotcnica no slo interesa saber cuanto se va a deformarel suelo a consecuencia del proceso de consolidacin. Tambin es muyimportante conocer a que velocidad lo va a hacer.

HIPTESIS DE PARTIDA

1) Suelo homogneo saturado

2) Compresin y flujo unidireccionales3) Validez de la teora de los medios continuos

4) El agua y las partculas se consideran incompresibles

5) La permeabilidad es constante en la direccin del flujo

6) El ndice de poros slo depende de la tensin efectiva





V l id d d lid i


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Velocidad de consolidacin

Definiciones previas

Se llama GRADO DE CONSOLIDACIN (Ut)a larelacin entre el asiento que ha experimentadoun suelo hasta un determinado instante y elasiento total que debe experimentar el suelo aconsecuencia de la CONSOLIDACION:

0

1u

u

s

sU

ztt

t

El coef ic iente de cons ol idacinvert ical (Cv)es una variable queindica el ritmo o la velocidad con que

cada suelo consolida. Se obtiene de lacurva de consolidacin del ensayoedomtrico

w

m

v

Ekc






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En la teora de consolidacin unidimensional,la ecuacin que gobierna el movimiento del

agua a lo largo de tiempo durante el procesode consolidacin es la siguiente: t

u

z

ucv

2

2

Para resolver esta ecuacin ser emplea como variable auxiliaradimensional el GRADO DE CONSOLIDACIN:

Ut= 1 uzt/u0, De esta forma la solucin de la ecuacin es:

m

m

TvMe

MU

02

221

Esta solucin es vlida asumiendo que elincremento de presin total es uniforme o

lineal en el caso de doble drenaje . Para otroscasos vara ligeramente. No obstante, a

efectos prcticos, consideraremos que esosiempre ocurre

Tv es una variable adimensional llamadaFACTOR TIEMPO (Tv),que depende del gradode consolidacin:

2d

tcT

v

v






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Para ms comodidad, la expresin anterior se puede simplificar:

2

4 UTv

Si U < 60%

Si U > 60%

0851,0)1(log9332,0 10 UTv

A efectos prcticos, conocido el grado de consolidacin (U) se puede

obtener Tv o viceversa. De este modo, mediante la frmula ya

conocida:

se pueden resolver todos los problemas de tiempo de consolidacin

2d

tcT

v

v

U U

(%) (%)

5 0,0017 55 0,2380

10 0,0077 60 0,286015 0,0177 65 0,3420

20 0,0314 70 0,4030

25 0,0491 75 0,4770

30 0,0707 80 0,5670

35 0,0962 85 0,6840

40 0,1260 90 0,8480

45 0,1590 95 1,1290

50 0,1960 100

TvTv

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

Tv

U

(%)






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El coeficiente de consolidacin vertical (Cv)se obtiene de las curvasasiento/tiempo del ensayo edomtrico. Cada escaln de carga deledmetro tiene su curva asiento/tiempo, por lo tanto Cv NO ES UNPARMETRO INTRNSECO DEL SUELO, sino que depende del nivelde tensiones existente.

Este parmetro se obtiene mediante dos mtodos:

Mtodo de Taylor (Raiz) Mtodo de Casagrande (Logaritmo)

50

2

t

dTC

v

v

90

2

t

dTC

v

v






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Terreno d

(kN/m2)

sat

(kN/m2)

Cv(m2/ao)

Cc Cs K (m/ao)

Arenas ygravas

19 22 - - -

Arcillas - 20 10 0.969 0.060 810-3

a) Calcular el asiento edomtrico que producir la colocacin de un relleno de 3 m

de altura y constituido por un material cuyo peso especfico seco es d = 23

kN/m3.

b) Tiempo que tarda en producirse el asiento.


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