Consolidacion Ok 04-05-15

MECNICA DE SUELOS

CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL EN LOS

SUELOSIng. MSc. Luz Marina Torrado G.

Ing. MSc. Jose Alberto Rondn

Arcilla saturada

Arena

Arcilla saturada

Arena

Un suelo fino saturado est

sometido a un incremento de

esfuerzos de compresin

debidos a las cargas, la

estructura del mismo

experimenta deformaciones

producidas por estas cargas.

La deformacin d como resultado

reduccin en la relacin de vacos, que

ocurre a medida que el fluido de los

poros se desplaza.

Debido a que los suelos finos tienen

baja permeabilidad el desplazamiento

del fluido de los poros es UN PROCESO

LENTO (dependiente del TIEMPO)

Ing. MSc. Luz Marina Torrado G.Ing. MSc. Jos Alberto Rondn

CONSOLIDACIN: Proceso de reduccin de volumen de los suelos finos

cohesivos, provocado por las cargas sobre su masa y que ocurre en el

transcurso de un TIEMPO generalmente largo. Producen asentamientos o

hundimientos verticales en las construcciones generando problemas de

inestabilidad de las mismas.

Evala la magnitud y velocidad de los asentamientos

PROCESO DE CONSOLIDACIN Si las

deformaciones totales del suelo

varan en la direccin horizontal

AsentamientoDiferenciales

Si el suelo es altamente

deformable

Asentamientos excesivos


En la teora de la consolidacin se hacen varias suposiciones:

1. El suelo es y permanece saturado (S=100%)

2. El agua y los granos del suelo son incompresibles

3. Existe una relacin lineal entre la presin aplicada y el cambio de

volumen

4. El coeficiente de permeabilidad es constante

5. La ley de Darcy es vlida

6. Hay una temperatura constante

7. La consolidacin es unidimensional (vertical)

8. Las muestras son inalteradas

En un suelo limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer asentamientos

rpidos que suelen darse durante la construccin.

Si el suelo es limo arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse y darse un

tiempo importante despus de terminada la obra.

eav

kiv


CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL O UNIDIRECCIONAL

Durante el proceso de consolidacin permanece esencialmente igual la

posicin relativa de las partculas slidas sobre un mismo plano horizontal.

As, el movimiento de las partculas de suelo puede ocurrir slo en la

direccin vertical.

La consolidacin de un suelo

Es un proceso lento, puede durar meses y hasta aos.

Es un proceso asinttico, es decir, que al comienzo es ms veloz, y se va

haciendo cada vez ms lento, hasta que el suelo llega a una nueva situacin

de equilibro en la que ya no se mueve.


Modelo mecnico de la distribucin de esfuerzos para explicar el proceso de laconsolidacin de los suelos finos = Idealizacin de las propiedades mecnicas del suelo

Saturado

Resistencia delesqueleto mineral delsuelo

Resistencia al flujo elagua a travs del suelo

a. EJEMPLO FSICO b. ANALOGA HIDROMECNICA


Suponiendo que se le aplica una carga P al pistn considerado en la analogahidromecnica y que la vlvula se encuentra cerrada

La carga del pistn se distribuye entre elagua y el resorte (de acuerdo a la rigidezde cada uno

c. CARGA APLICADA CON VLVULACERRADA


Arcilla saturada

Arena

ue

u

Nivel de equilibrio del agua

El agua se escapa

El pistn desciende

El resorte se comprime

Disminuye la presin delagua

El resorte resiste la carga

No se transmite presin alagua

d. DESCENSO DEL PISTN AL APLIAR CARGA

e. EQUILIBRIO SIN MAS ESCAPE DE AGUA

En el suelo, la estructuracin delas partculas slidas puedenconsiderarse representada porlos resortes del modelo, el aguainteresticial libre por el fluidoincompresible de la cmara ylos canales capilares por losorificios del mbolo.


PRIMARIA : Cuando cargado el suelo, la reduccin devolumen se debe a la expulsin del agua, fenmeno enel que se transfiere la carga soportada por el agua alesqueleto mineral, esta es la consolidacinpropiamente dicha, tpica del caso de los suelos deCiudad de Mxico y de la Torre de Pisa, y con la quenace la Mecnica de Suelos (Terzaghi, 1925).

SECUNDARIA: cuando la consolidacin se da porreajuste del esqueleto mineral y luego de que la cargaest casi toda soportada por este y no por el agua.


ndice de Compresibilidad Cc : Se relaciona con cunta consolidacino asentamiento tendr lugar.

Coeficiente de consolidacin Cv: Se relaciona con el tiempo en el que tendr lugar una determinada cantidad de consolidacin

ENSAYO DE LABORATORIO

Se obtiene


CARGAAPOYO

FUERZA

DRENAJE

Piedra porosaMuestra saturada

H

La muestra de suelo es confinada dentro de la caja del equipo, la presin uniforme en el sueloseAplica a travs del dispositivo de carga y las piedras porosas permiten que el exceso de presinde poro debido al incremento de carga se escape libremente a medida que los vacos del suelose comprimen. Se miden las deformaciones a intervalos variables de tiempo para luegocalcularse los cambios volumtricos.

BRAZO DE PALANCA


Las cargas se van doblando cada vez y los incrementos se hacen cada 24 horas y se continacon la medicin de la compresin. Finalmente, la descarga se hace gradual y se determina elpeso seco del espcimen de la prueba.

Los resultados de la prueba se grafican. Las graficas de deformacin Vs tiempo para unincremento de carga se realizan y en estas, se pueden observar 3 etapas.

ETAPA I: CONSOLIDACIN INICIAL: causada por la precarga

ETAPA II: CONSOLIDACIN PRIMARIA: el exceso de presin de poros por agua es transferidogradualmente a esfuerzos efectivos, por la expulsin del agua de poro.

ETAPA III: CONSOLIDACIN SECUNDARIA: Ocurre despus de la totalidad de los excesos depresiones de poros cuando se presenta alguna deformacin en el suelo debido al reajusteplstico de la estructura.

Deformacin

Tiempo (esc. Log)


Masa seca del espcimen : 116,74 gAltura inicial de la muestra: 25,4 mmDimetro de la muestra: 63,5 mmGs : 2,72

PRESIN(KN/m2)

ALTURA INICIAL DEL ESPECIMEN AL FINAL

DE LA CONSOLIDACIN (mm)

0 25,4 11,87 0,873

50 25,19 11,63 0,858

100 25,00 11,44 0,843

200 24,29 10,73 0,791

400 23,22 9,66 0,712

800 22,06 8,50 0,627

mmg

AG

WH

ws

ss 56.13

1*)72,2(*35,6*35,6*)4/1416,3(

74.116

*

=

(mm)s

v

H

He


GRFICAS DE PRESIN RELACIN DE VACOS

Calcular la relacin de vacos inicial eo del espcimen del suelo

s

v

s

v

s

vo

H

H

A

A

H

H

V

Ve

Calcular el cambio en la relacin de vacos inicial eo, para la primera carga incrementada 1que causa la deformacin H1 (se obtiene de lectura inicial y final de la carga).

En este tiempo, la presin efectiva sobre el suelo es

Calcular la nueva relacin de vacos e2 despus de la consolidacin causada por el incrementode presin

Para la carga e2

sH

He 11

11

.1 101 eee

sH

Hee 212


Grfica tpica de e Vs log

Presin efectiva, (Log)1

e0

e1

e2

2

Relacin de vacos , e


En una prueba de consolidacin en laboratorio se encontraron lossiguientes resultados:


Hacer los clculos de Altura de vacos (Hv) y la relacin de vacos (e) y dibujar lagrfica de log Vs e.

PRESIN(KN/m2)

ALTURA INICIAL DEL ESPECIMEN AL FINAL DE LA CONSOLIDACIN (mm)

0 25,4

50 25,19

100 25,00

200 24,29

400 23,22

800 22,06



PRESIN(KN/m2)

ALTURA INICIAL DEL ESPECIMEN AL FINAL DE LA

CONSOLIDACIN (mm)

0 25,4 11,87 0,873

50 25,19 11,63 0,858

100 25,00 11,44 0,843

200 24,29 10,73 0,791

400 23,22 9,66 0,712

800 22,06 8,50 0,627

mmg

AG

WH

ws

ss 56.13

1*)72,2(*35,6*35,6*)4/1416,3(

74.116

*

=

(mm)s

v

H

He


Presin efectiva, (Log)

1

e1

e2

2

Relacin de vacos , e

Un suelo en campo a cierta profundidad ha estadosometido a cierta presin efectiva mximo en elpasado de su historia geolgica. Esta presinpuede ser igual o mayor que la presin de sobrecarga existente en el tiempo de muestreo.Durante el muestreo del suelo, la presin desobrecarga del suelo es tambin liberada,resultando cierta expansin.

Cuando el suelo est sometido a una prueba deconsolidacin, una pequea cantidad decompresin ocurrir cuando la presin totalaplicada es menor que la presin de sobrecargaefectiva mxima en el campo a la que el suelo fuesometido en el pasado.

Cuando la presin total aplicada sobre elespcimen es mayor que la efectiva mxima en elpasado, el cambio en la relacin de vacios esmayor y la relacin e- log es prcticamentelineal con una pendiente inclinada

Parte superior curva

Relacin lineal de la relacin de vacos


Curva e vs. (log): Presin de Preconsolidacin

e

(Log)

En el laboratorio se verifica esta relacin cargando el espcimen de manera que se excedala presin de sobrecarga efectiva mxima y luego descargndolo y recargndolo de nuevo.

DEFINICIONESBSICAS DE LAARCILLA CON BASE ENLA HISTORIA DE SUESFUERZO

NORMALMENTE CONSOLIDADA: Lapresin de sobrecarga efectivapresente es la presin mxima a laque el suelo fue sometido en elpasado.

PRECONSOLIDADA: La presin desobrecarga efectiva presente esmenor que la que el sueloexperiment en el pasado. Lapresin efectiva mxima en elpasado se llama esfuerzo depreconsolidacin.


DETERMINACIN DE LA PRESIN DE CONSOLIDACIN c (Casagrande 1936)

e

(Log)

Horizontal

Tangente

Bisectriz

c

Tangente a la compresin virgen

o Por observacin visual establecer un punto a endonde la grafica tenga un radio de curvatura mnimo.

oDibujar una lnea horizontal ab.

oDibujar una lnea ac tangente en a.

oDibujar una lnea ad que sea la bisectriz del ngulobac.

oProyectar la porcin recta gh de la grfica hacia atrspara intersectar ad en f. La abscisa del punto f es lapresin de preconsolidacin c .

LA RELACIN DE PRECONSOLIDACIN OCR (OVERCONSOLIDATION RATIO), se define como:

Donde = presin de preconsolidacin de un espcimeny = presin vertical efectiva presente.

a

d

c

f

h

/ cOCR

c

b

1OCR

1OCR

SUELO SOBRECONSOLIDADO: Ha soportado presionesmayores a las que soportaba en el terreno en elmomento de la toma de muestra.

SUELO CONSOLIDADO: La carga soportada in-situ enel momento de la toma de la muestra, es la mx. entoda su historia.


Se determina a partir de las grficas producto del ensayo delaboratorio

e

(Log)

Compresin virgen(ndice de compresin,

Cc = pendiente, )

Descompresin(ndice de expansin en

descarga, Ce)

Re-compresin

ndice de expansin


Terzaghi y Peck (1976) propusieron las siguientes expresiones:

PARA ARCILLAS INALTERADAS: Cc = 0.009 (LL-10)

PARA ARCILLAS REMOLDEADAS: Cc = 0.007 (LL-10)

Nagaraj y Murty (1985)

GsLL

Cc100

(%)2343.0

Cs 1/5 a 1/10 Cc

Segn Nagaraj y Murty (1985) GsLL

Cs100

(%)0463.0


log

Donde :

o : Presin de sobrecarga efectiva promedio inicial para el subestrato.

: Incremento de la presin vertical para el subestrato.


Determinacin del Coeficiente de Consolidacin, Cv (Casagrande)

100% CONSOLIDACIN PRIMARIA

Se prolonga el tramo recto de la consolidacin primariaSe prolonga el tramo recto de la consolidacin secundariaEl punto donde se cruza las dos rectas anteriores define el 100% de la consolidacinprimaria

U=100%


Lecturadel

deformmetro

t (Log)

a

a

0%

100%

t50

0 % CONSOLIDACIN PRIMARIA

Escoger un punto en la parte alta de la curva de consolidacin cuya abcisa ser t1Dividir t1 en 4 = t1/4 y buscar la ordenada correspondiente.La diferencia de ordenadas entre los puntos de la curva que tienen como abcisas t1 y t1/4 ser a.Por encima del punto sobre la curva que tiene como abscisa t1/4 DUPLICAR a y ese punto define el 0% de laconsolidacin primaria.

t1t1/4

Tiempo en el cual haocurrido el 50 % de laconsolidacin primaria


Determinacin del Coeficiente de Consolidacin, Cv (Casagrande) a partir de los ensayos de consolidacin

Lecturadel

deformmetro

t (Log)

aa 0%

100%

50%

t50

50

2

50

2

50 *197.0*

t

H

t

HTCv

H: Espesor efectivo del estrato de suelo y depende de lascondiciones de drenaje del estrato en campo.

L

2

LH


Tener en cuenta:

Si tiene drenaje

simple, H se refiere

al espesor total del

estrato.

Si el estrato compresible

tiene doble drenaje , H se

refiere a la mitad del

espesor del estrato.

100XH

SU

T

t

GRADO DE CONSOLIDACIN U

St: asentamiento del estrato producido poruna carga despus de ese cierto tiempo.

HT: asentamiento total primario bajocierta carga


Determinacin del Coeficiente de Compresibilidad, av

e

eav

Coeficiente de deformacin

volumtrica, mv:

e

am v

v

1


Existe una relacin numrica entre el grado de consolidacin, U(%) y el factor tiempo, T; pues U vara entre 0 y 100 y a cada valor de U corresponder un valor de T


1. El tiempo requerido para el 50% de consolidacin de una muestra dearcilla de 25 mm de espesor (drenada por las dos caras) en ellaboratorio es de 2 min y 20 seg. Qu tiempo le tomar (en das) a unestrato de la misma arcilla en el campo y bajo el mismo incremento depresin alcanzar el 50% de la consolidacin? En campo el estratoarcilloso es de 3 metros y posee un estrato de roca en la parteinferior.

ROCA

ARCILLA 3 m.

25 mm.Arcilla mm

mmH 5,12

2

25

segt 14050

DATOS CALCULOS


2. Una muestra de arcilla de 2 cm de espesor alcanz el 50% de laconsolidacin en 5 min en un consolidmetro en el que lamuestra estaba drenada por ambas caras. Esta muestra esrepresentativa de un estrato de la misma arcilla de 3 metros deespesor, drenado por ambas caras que estar bajo un terrapln.En cuanto tiempo alcanzar el estrato el 50% de consolidacinbajo la carga del terrapln?.


ARCILLA 3 m.

2 cm.Arcilla

cmcm

H 12

2

segt 300

DATOS CALCULOSSOLUCIN

dassegt 125,786750000

cmmm

H 1505,12

3


3. Se espera que el asentamiento total producido por una estructuracimentada sobre un estrato arcilloso drenado por las dos carassea de 10 cm. Calcule los tiempos en das necesarios para paraque se presente asentamientos de 2 cm y 7 cm, sabiendo que elestrato de arcilla tiene 4 m de altura y su coeficiente deconsolidacin Cv= 0.0018cm2/seg.


ARCILLA

cmmm

H 20022

4

DATOS

ARENA

ARENA

4 m

a. CUANDO EL ASENTAMIENTO SEA DE 2 cm

100*10

2100*

cm

cm

H

StU

T

%20U )(031,020 tablaT


a. CUANDO EL ASENTAMIENTO ES DE 7 cm

100*10

7100*

cm

cm

H

StU

T

%70U )(405,070 tablaT

dassegt 97,789,889.68820

dassegt 17,104000.000.970


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