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TEORIA DE LA CONSOLIDACION

INTRODUCCION Al someter una masa de suelo saturado a un incremento de carga, esta es soportada inicialmente por el agua contenida en los poros, ya que ella es incompresible en comparación con la estructura del suelo. La presión que resulta en el agua a causa del incremento de la carga es llamada exceso de presión hidrostática. A medida que el agua drena de los poros del suelo, el incremento de carga es transmitido a la estructura del suelo. La transferencia de carga es acompañada por un cambio en el volumen del suelo igual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocido como consolidación. Este es un proceso que tiene un tiempo acotado de ocurrencia, comienza cuando se aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presión de los poros es igual a la hidrostática, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido la totalidad de la transferencia de carga del agua a la estructura de suelo. Terminado este proceso llamado consolidación primaria, el suelo continuo deformándose, aunque en menor magnitud, debido a un reacomodamiento de los granos. A este último proceso se lo denomina consolidación secundaria.

El propósito fundamental del ensayo de consolidación es determinar ciertos parámetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Además, el ensayo permite obtener información acerca de la historia de presiones a que ha sido sometido el suelo.

TEORIA DE LA CONSOLIDACION

Cuando el suelo se somete a una sobrecarga q los esfuerzos totales se incrementan en esa misma cuantía. En suelos saturados, esto conduce al incremento de la presión de poros; pero dado que el agua no resiste esfuerzos cortantes, sin que se modifique el nuevo esfuerzo total, el exceso de presión intersticial se disipa a una velocidad controlada por la permeabilidad k del suelo, con lo que el esfuerzo efectivo se va incrementando a medida que el agua fluye. Así, en la cuantía de la sobrecarga q , cuando se reduce la presión de poros que se habían incrementado se incrementa el esfuerzo efectivo: esto significa reducción de la relación de vacíos e incremento del esfuerzo efectivo. Por lo anterior se da el asentamiento del terreno por deformación del suelo que se ve afectado con el incremento de esfuerzos causado por la sobrecarga y el incremento de la resistencia al corte del suelo después de disiparse el exceso de presión de poros.

Cuando un depósito se somete a un incremento de esfuerzos totales, como resultado de cargas externas aplicadas, se produce un exceso de presión intersticial. Puesto que el agua no resiste al

corte, la presión neutra se disipa mediante un flujo de agua al exterior, cuya velocidad de drenaje depende de la permeabilidad del suelo. Esta disipación intersticial debida al flujo de agua hacia el exterior se denomina consolidación, proceso que tiene dos consecuencias:

Reducción del volumen de poros, por lo tanto reducción del volumen total, produciéndose un asentamiento. Se considera que en el proceso de consolidación unidimensional la posición relativa de las partículas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la igual, el movimiento de las mismas solo puede ocurrir verticalmente. Durante la disipación del exceso de presión intersticial, la presión efectiva aumenta y se incrementa la resistencia del suelo. Por lo tanto cuando un suelo se consolida ante una carga externa se produce una disminución de relación de vacíos y un incremento del esfuerzo efectivo. En los suelos granulares la permeabilidad es alta por lo tanto se disipa rápidamente las presiones nutras. En consecuencia, el asentamiento se termina al final de la construcción. En los suelos finos arcillosos, la permeabilidad es muy baja y se disipa muy lentamente las presiones neutras. En consecuencia puede seguir deformándose varios años después de finalizada la construcción. El proceso de consolidación se aplica a todos los suelos, pero es más importante en aquellos donde la permeabilidad es baja.

CONSOLIDACION PRIMARIA Este método asume que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio utilizados han permitido construir una interpolación entre la deformación o el índice de vacíos y la tensión efectiva en una escala logarítmica. La pendiente de la interpolación es el índice de compresión. La ecuación para el asiento de consolidación de un suelo normalmente consolidado puede ser determinada entonces como:

Dónde: δc : Es el asiento debido a la consolidación. Cc : Es el índice de compresión. e0 : Es el índice de vacíos inicial. H : Es la altura de suelo consolidable. σzf : Es la tensión vertical final. σz0 : Es la tensión vertical inicial. Cc puede ser reemplazada por Cr (índice de re compresión) para usar en suelos sobre consolidados donde la tensión final efectiva es menor que la tensión de pre consolidación, o lo que es lo mismo, para suelos que hubieran sido consolidados con más intensidad en el pasado. Cuando la tensión final efectiva sea mayor que la tensión de pre consolidación, las dos ecuaciones deben ser usadas en combinación de un modelo conjunto como sigue:

donde σzc es la tensión de pre consolidación del suelo.

CONSOLIDACION SECUNDARIA La consolidación secundaria tiene lugar después de la consolidación primaria a consecuencia de procesos más complejos que el simple flujo de agua como pueden ser la reptación, la viscosidad, la materia orgánica, la fluencia o el agua unida mediante enlace químico algunas arcillas. En arenas el asiento secundario es imperceptible pero puede llegar a ser muy importante para otros materiales como la turba. La consolidación secundaria se puede aproximar mediante la siguiente fórmula:

Donde H0 es la altura de consolidación media e0 : Es el índice inicial de vacíos Ca : Es el índice secundario de compresión

CARGA DE PRECONSOLIDACION Determinación de la carga de pre consolidación según Casagrande Mediante inspección visual determinar el punto A que corresponde al punto de mayor curvatura. Para ello es bueno recordar que la curvatura es inversamente proporcional al radio de curvatura, ósea que es equivalente a buscar el punto de mínimo radio de la curvatura (Figura 24).

Desde el punto A trazar una recta horizontal h y otra recta tangente a la curva en dicho punto llamada t (Figura 25).

Trazar la bisectriz del ángulo formado por las rectas h y t que pasa por el punto A, semirrecta b (Figura 26).

Por ultimo determinar el punto B, como la intersección entre la recta b y la prolongación del tramo recto de la curva del ensayo. La abscisa del punto B corresponde al valor de la carga o presión efectiva de pre consolidación

(Figura 27).

La determinación de la carga de preconsolidación es fundamental para entender el comportamiento del suelo ante la aplicación de una sobrecarga.

ANALOGIA MECANICA DE TERZAGHI

TEORIA DE TERZAGHI PARA LA CONSOLIDACION VERTICAL

DEPENDENCIA DEL TIEMPO Dependiendo del material la consolidación puede variar entre un proceso en segundos (como la arena) o un proceso que dure décadas como la arcilla debido a la diferencia de conductividad hidráulica. A partir de la diferencia en el tiempo de la consolidación, podemos hablar de consolidación primaria (duración de meses o unos pocos años) y consolidación secundaria (décadas o cientos de años). Evaluación de asentamientos. La consolidación impone la necesidad de evaluar la magnitud y la velocidad de los asentamientos. Si las deformaciones totales del terreno varían en la dirección horizontal, se producen asentamientos diferenciales. Si el suelo es altamente deformable, las sobrecargas cargas altas producen asentamientos excesivos. Si el suelo es un limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer asentamientos rápidos que suelen darse durante la construcción. Si el suelo es limo arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse darse un tiempo importante después de terminada la obra. Análisis de asentamientos. Pueden considerarse dos casos: asentamientos por una sobrecarga q en un área infinita, o asentamiento por sobrecarga q en un área de tamaño finito. Lo anterior se define según la extensión del área cargada en comparación con el espesor de la capa de subsuelo que se considera deformable. Para el caso de un área cargada de extensión infinita, según Terzaghi, las deformaciones y el flujo de agua se dan en una dimensión que es la dirección vertical, e interesa la permeabilidad vertical del suelo. En este caso se considerará el efecto de la sobrecarga constante a cualquier profundidad del terreno deformable.

EDÓMETRO o CONSOLIDÓMETRO Es un aparato de laboratorio útil para conocer la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de una consolidación. La muestra es un cilindro aplanado y el ensayo es condiciones de compresión confinada. Al aplicar la carga, el agua se evacua por dos piedras porosas, superior e inferior. La carga es incremental, para registrar las deformaciones (en el extensómetro) contra el tiempo. También carga Vs relación de vacíos. Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas. Finalmente, la descarga se hace gradual. Útil para conocer aproximadamente la rata de asentamiento de un suelo por cargas, con base en el resultado del ensayo de consolidación (laboratorio).

Hipótesis * Estrato de suelo homogéneo, isótropo y de espesor constante. * Estrato saturado 100% entre 1 ó 2 superficies más permeables. * Compresibilidad del agua y los granos, despreciable. * Acciones similares de masas infinitesimales o masas grandes. * Compresión unidimensional, en dirección normal a la capa de suelo. * Validez de la ley de Darcy. * Valores constantes de las profundidades del suelo (algunas cambian). * Relación lineal (idealizada) entre relación de vacíos y presión. * Deformaciones lentas que permitan despreciar las fuerzas de inercia. NOTA: Asumamos que se consolida en medio de dos capas de arena. La capa superior es un estrato de arena horizontal con carga uniforme.

ANÁLISIS DE LA CONSOLIDACIÓN ANALOGÍA DEL MUELLE El proceso de consolidación suele ser explicado con el modelo idealizado de un sistema compuesto por un muelle, un cilindro con un agujero y relleno de agua. En este sistema el muelle representa la compresibilidad o la estructura propia del suelo, y el agua es el fluido que se encuentra en los huecos entre los poros. La consolidación primaria se puede asemejar al mecanismo de un émbolo relleno de agua y sin salida.

El cilindro está completamente lleno de agua, y el agujero está cerrado (Suelo saturado). Una carga es aplicada sobre el muelle mientras el orificio sigue cerrado. En esta etapa, el agua resiste la carga aplicada. (Desarrollo de presiones excesivas en los poros de agua). Cuando se abre el orificio, el agua comienza a drenar y el muelle se acorta. (Drenaje excesivo de los poros de agua). Después de cierto tiempo, el drenaje de agua termina. Ahora el muelle resiste por si solo la carga aplicada. (Total disipación del exceso de presión de agua en los poros. Fin de la consolidación.