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Tema 4 consolidacion unidimensional suelos

consolidacion unidimencional

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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
CONSOLIDACIÓN
UNIDIMENSIONAL DE LOS
SUELOS
PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CÓRDOVA
UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
INTRODUCCIÓN
Cuando el esfuerzo sobre un estrato de suelo fino blando
(arcilla saturada) se incrementa, por la transmisión de cargas
de una cimentación, la presión de poro del agua se
incrementará. Debido a que la permeabilidad de las arcillas es
pequeña, se requerirá de algún tiempo para que el exceso de
presión de poro del agua se disipe y el incremento del
esfuerzo se transfiera gradualmente a la estructura del suelo.
Este incremento gradual ocasionará asentamientos a la
cimentación o deformaciones en el suelo arcilloso blando
durante cierto tiempo, lo cual se conoce como consolidación
del suelo.
UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
CONCEPTOS
Proceso de consolidación: es la disminución del volumen del
suelo fino saturado en un periodo de tiempo provocado por
un incremento de cargas de servicio.
Consolidación Unidimensional: la eliminación del agua de
poros, es decir el movimiento de las partículas de agua ocurre
sólo en la dirección vertical. Idealizando que los estratos
depositados tienen gran extensión horizontal en comparación
con su potencia o espesor.
El fenómeno o proceso de consolidación de arcillas saturadas
no es otra cosa que la deformación del suelo, bajo cargas, por
la eliminación de agua intersticial y la transferencia de
presiones neutras a efectivas.
Consolidación
Suelos Finos
La consolidación es el proceso
de disipación de la sobrepresión
de poros producto de la
aplicación de la carga, ya que el
agua no puede drenar
libremente.
Este proceso es f (tiempo)
La deformación de los suelos
saturados ocurre por la reducción
del volumen de vacíos para lo cual
se necesita la disipación de la
presión de poros. El agua sólo
puede escapar por los poros. En
suelos finos, los poros son pequeños
=> proceso lento.
Celda
Pison Carga
Carga
Extensómetro
MuesraAgua
Discos Porosos Edómetro
UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
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LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
Consolidación
Q
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Q
• Carga Q = exceso de presión de poros
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  • 1. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS PROFESOR: Ing. OSCAR DONAYRE CÓRDOVA
  • 2. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO INTRODUCCIÓN Cuando el esfuerzo sobre un estrato de suelo fino blando (arcilla saturada) se incrementa, por la transmisión de cargas de una cimentación, la presión de poro del agua se incrementará. Debido a que la permeabilidad de las arcillas es pequeña, se requerirá de algún tiempo para que el exceso de presión de poro del agua se disipe y el incremento del esfuerzo se transfiera gradualmente a la estructura del suelo. Este incremento gradual ocasionará asentamientos a la cimentación o deformaciones en el suelo arcilloso blando durante cierto tiempo, lo cual se conoce como consolidación del suelo.
  • 3. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO CONCEPTOS Proceso de consolidación: es la disminución del volumen del suelo fino saturado en un periodo de tiempo provocado por un incremento de cargas de servicio. Consolidación Unidimensional: la eliminación del agua de poros, es decir el movimiento de las partículas de agua ocurre sólo en la dirección vertical. Idealizando que los estratos depositados tienen gran extensión horizontal en comparación con su potencia o espesor. El fenómeno o proceso de consolidación de arcillas saturadas no es otra cosa que la deformación del suelo, bajo cargas, por la eliminación de agua intersticial y la transferencia de presiones neutras a efectivas.
  • 4. Consolidación Suelos Finos La consolidación es el proceso de disipación de la sobrepresión de poros producto de la aplicación de la carga, ya que el agua no puede drenar libremente. Este proceso es f (tiempo) La deformación de los suelos saturados ocurre por la reducción del volumen de vacíos para lo cual se necesita la disipación de la presión de poros. El agua sólo puede escapar por los poros. En suelos finos, los poros son pequeños => proceso lento. Celda Pison Carga Carga Extensómetro MuesraAgua Discos Porosos Edómetro UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 5. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Consolidación Q tapa cerrada abierta Q abiertaQ abiertaQ abierta Q abierta Q • Carga Q = exceso de presión de poros • Tasa de disipación controlada por la válvula (permeabilidad) • Carga se transfiere al resorte (esqueleto granular) • En el tiempo => Exceso de presión de poros~ 0
  • 6. Bulbo de presiones q 0.5 p 0.3 p 0.1 p 0.8 p B 2B UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 7. s= si + sc + scs Asentamiento • s= Asentamiento Total • si= Asentamiento Instantáneo, f (Módulo de Deformación E) • sc=Asentamiento por consolidación primaria (debido a la disipación de presión de poros) • scs= Asentamiento por consolidación secundaria , f (tiempo) UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 8. Asentamiento Tiempo Asentamiento por consolidación Asentamiento inicial Asentamiento Final Asentamiento – Respuesta en el tiempo UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 9. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Asentamientos de cimentaciones superficiales
  • 10. Asentamientos admisibles UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 11. Criterio de daño para Estructuras UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO
  • 12. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Estudio de la Consolidación Unidimensional Para estimar el asentamiento por consolidación causado por el incremento de carga se realizan pruebas de laboratorio sobre muestras de arcilla saturada inalterados (NTP 339.154 o ASTM D2435).
  • 13. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO CargaPizon de carga Extensómetro q Celda anular Muestra Anillo rígido Piedra porosa Piedra porosa Estudio de la Consolidación Unidimensional Se hace a través del Ensayo de Consolidación o Edométrico (Norma ASTM D2435; NTP 339.154)
  • 14. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Basado en pruebas de laboratorio se traza la gráfica que muestra la variación de la relación de vacíos e al final de la consolidación contra el esfuerzo vertical  (gráfica semilogarítmica: e sobre escala aritmética y  sobre la escala logarítmica). ETAPAS Consolidación primaria: asentamiento del suelo, disminuyendo su volumen con el tiempo provocado por cargas eliminando agua intersticial. Consolidación secundaria: asentamiento muy pequeño en un tiempo largo por reacomodo de partículas. 0.590 0.610 0.630 0.650 0.670 0.690 0.710 0.730 0.750 0.01 0.10 1.00 10.00 Relacióndevacíos Esfuerzo Vertical (kg/cm2) CURVA DE COMPRESIBILIDAD  p PARÁMETROS p = 0.980 Kg/cm2 Cc = 0.1585 Cs = 0.0170 (e1, p1) (e2, p2) Cc A B C O (e4, p4) (e3, p3)
  • 15. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO log (t) e • No es lineal con el tiempo  La velocidad de la consolidación es variable con el tiempo Consolidación Inicial Consolidación Secundaria Consolidación Primaria Curva de Consolidación
  • 16. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO De la curva e-log mostrada se determina tres parámetros necesarios para calcular el asentamiento. 1. La carga de preconsolidación “´p” que representa la máxima sobrecarga efectiva a la que el suelo estuvo sometido en el pasado. Cabe indicar que los depósitos naturales de suelo pueden estar normalmente consolidados o sobreconsolidados (o preconsolidados). Si la presión actual efectiva de sobrecarga p=po es menor o igual a ´p el suelo está normalmente consolidado. Sin embargo si po > ´p, se considera sobreconsolidado.
  • 17. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO 2. El índice de compresibilidad (Cc o Dec ), es la pendiente de la porción recta de la curva (última parte de la curva de carga), o donde e1 y e2 son las relaciones de vacíos al final de la consolidación bajo los esfuerzos p1 y p2 respectivamente.            1 2 21 12 21 log loglog p p ee pp ee Cc El Cc determinado con la curva e-log en el laboratorio, será distinto de lo encontrado en campo. La razón principal es que el suelo se remoldea en alguna medida durante la exploración de campo. 0.590 0.610 0.630 0.650 0.670 0.690 0.710 0.730 0.750 0.01 0.10 1.00 10.00 Relacióndevacíos Esfuerzo Vertical (kg/cm2) CURVA DE COMPRESIBILIDAD  p PARÁMETROS p = 0.980 Kg/cm2 Cc = 0.1585 Cs = 0.0170 (e1, p1) (e2, p2) Cc A B C O (e4, p4) (e3, p3)
  • 18. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO )10(009.0  LLCc El valor de Cc varía ampliamente dependiendo del suelo. Skempton (1944) dio la correlación empírica siguiente: Además de Skempton, otros investigadores propusieron correlaciones para el valor de Cc, como: 0083.0208.0 01.0   oc nc eC C  ncC 0115.0 Arcilla de Chicago-USA en turbas del trópico )9(0046.0  LLCc en suelos tropicales-Brasil
  • 19. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO         3 4 43 log p p ee Cs 3. El índice de expansibilidad (Cs o Des) es la pendiente de la porción de descarga de la curva e-log, el cual puede definirse como: En la mayoría de los casos el valor de Cs es de 1/4 a 1/5 del Cc (Índice de recompresibilidad) 0.590 0.610 0.630 0.650 0.670 0.690 0.710 0.730 0.750 0.01 0.10 1.00 10.00 Relacióndevacíos Esfuerzo Vertical (kg/cm2) CURVA DE COMPRESIBILIDAD  p PARÁMETROS p = 0.980 Kg/cm2 Cc = 0.1585 Cs = 0.0170 (e1, p1) (e2, p2) Cc A B C O (e4, p4) (e3, p3)
  • 20. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO 0.590 0.610 0.630 0.650 0.670 0.690 0.710 0.730 0.750 0.01 0.10 1.00 10.00 Relacióndevacíos Esfuerzo Vertical (kg/cm2) CURVA DE COMPRESIBILIDAD  p PARÁMETROS p = 0.980 Kg/cm2 Cc = 0.1585 Cs = 0.0170 (e1, p1) (e2, p2) Cc A B C O (e4, p4) (e3, p3)
  • 21. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO CÁLCULO DEL ASENTAMIENTO POR CONSOLIDACIÓN El asentamiento unidimensional por consolidación (provocado por una carga adicional) de un estrato de arcilla con espesor Hc puede estimarse como: c o H e e s  D  1 Siendo: s = asentamiento De = cambio total de la relación de vacíos causada por la aplicación de carga adicional eo= relación de vacíos de la arcilla antes de la aplicación de carga Carga o Esfuerzo agregado Nivel de agua freática Esfuerzo efectivo promedio antes de la aplicación de la carga =po Arcilla Relación de vacíos inicial = eo Hc Arena Arena Carga o Esfuerzo agregadoCarga o Esfuerzo agregado Nivel de agua freática Nivel de agua freática Esfuerzo efectivo promedio antes de la aplicación de la carga =po Esfuerzo efectivo promedio antes de la aplicación de la carga =po Arcilla Relación de vacíos inicial = eo Hc Arena Arena Arcilla Relación de vacíos inicial = eo Hc Arcilla Relación de vacíos inicial = eo Hc Arena Arena
  • 22. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Carga o Esfuerzo agregado Nivel de agua freática Esfuerzo efectivo promedio antes de la aplicación de la carga =po Arcilla Relación de vacíos inicial = eo Hc Arena Arena
  • 23. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Para arcillas normalmente consolidadas, la curva de campo e-log tendrá la forma: Entonces o o c p pp Ce D D log o o o cc p pp e HC s D   log 1 Luego el asentamiento sería: Esfuerzo p (escala logarítmica) Pendiente Cc Relación de vacíos, e po + Dppo De Arcilla normalmente consolidada Esfuerzo p (escala logarítmica) Pendiente Cc Relación de vacíos, e Esfuerzo p (escala logarítmica) Pendiente Cc Relación de vacíos, e po + Dppo De po + Dppo De Arcilla normalmente consolidada
  • 24. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Esfuerzo p (escala logarítmica) Pendiente Cc Relación de vacíos, e po + Dppo De Arcilla normalmente consolidada
  • 25. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Las deformaciones son proporcionales a su grado de consolidación (U%): primariototaltoasentamien parcialtoasentamien H s U p  D  )100(% 100 %)( 100 %)( U Hpm U Hs cvp DD Entonces:
  • 26. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO  %log..% % % U10093307811T60U 100 U 4 T60U 2          Grado de Consolidación medio en función del Factor de Tiempo
  • 27. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO TABLA del factor teórico del tiempo “T” vs. U% U% T 0 0.000 10 0.008 15 0.018 20 0.031 25 0.049 30 0.071 35 0.096 40 0.126 45 0.159 50 0.197 55 0.238 60 0.287 65 0.342 70 0.405 75 0.477 80 0.565 85 0.684 90 0.848 95 1.127 100 
  • 28. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO TABLA del factor teórico del tiempo “T” vs. U%
  • 29. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Donde para calcular sp con el tiempo “t” se requiere evaluar previamente el coeficiente de consolidación “Cv”obtenido del ensayo de laboratorio: 2 )(H t T Cv  Donde: T = Factor tiempo teórico dependiente de U% (adimensional) t = tiempo requerido para llegar al grado de consolidación U% H = espesor efectivo del espécimen
  • 30. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Determinación de cv Método de la Raíz Cuadrada o de Taylor 90 2 90 2 90 V t H848,0 t HT c 
  • 31. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO Determinación de cv Método logarítmico o de Casagrande 50 2 50 2 50 196,0 t H t HT cV 
  • 32. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO También se puede evaluar el coeficiente de consolidación “Cv” como: wvwv v m k a ek C     )1( Donde: k = coeficiente de permeabilidad del suelo av = coeficiente de compresibilidad dentro de po y po +Dp= De/ Dp mv = coeficiente de compresibilidad volumétrica
  • 33. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO APLICACIONES DE CONSOLIDACIÓN EJEMPLO 1: Sobre un estrato de 8.50 m de arcilla compresible se ha construido una edificación. El estrato está confinado por dos estratos continuos de arena. En un ensayo de consolidación de esta arcilla, se empleó un espécimen de 2.01 cm de altura, drenada por ambas caras y el tiempo en que la muestra alcanzó el 50% de consolidación fue de 1:30 horas. Haga una estimación, en años del tiempo en que la edificación hará que el estrato real alcance el mismo grado de consolidación.
  • 34. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO SOLUCIÓN: Para la muestra ensayada min cm 0.00221 90 )005.1(197.0 )H( t T C 22 2 50 50 v  Este valor de Cv se debe aplicar a la consolidación del estrato para U%=50% Para el estrato: años6.30 00221.0 )425(197.0 )H( C T t 2 2 C v 50 50 
  • 35. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO EJEMPLO 2: Un edificio de varios pisos se encuentra cimentado sobre un suelo arcilloso de 5.00 m de potencia, y ha registrado un asentamiento de 4 cm en el lapso de un año, para la carga de trabajo de 2.50 kg/cm2. De un ensayo de consolidación de esta arcilla, se ha registrado una variación de la relación de vacíos de 0.035 cuando la carga pasó de 1.00 a 2.00 kg/cm2 . Determine el asentamiento en centímetros para el 90 % de consolidación. De ser necesario considere que Gs=2.73 y el peso unitario seco de la arcilla como 1.45 Ton/m3.
  • 36. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO EJEMPLO 3: Determinar el asentamiento diferencial entre los puntos A y B que produciría la construcción del terraplén de la carretera sobre el perfil estratigráfico mostrado. N.F. 16 m 5.00 m SPd = 15.8 kN/m3 , w= 12% wsat = 25% 2 1 2.00 m 1.00 m A GS = 2.64,  = 10%, e = 0.764 GS = 2.58,  = 9%, e = 0.8543.00 m 1.00 m Cc=0.2115 wsat = 60% s =29 kN/m3 B SP CH
  • 37. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO APLICACIONES DE CONSOLIDACIÓN N.F. 16 m 5.00 m SPd = 15.8 kN/m3 , w= 12% wsat = 25% 2 1 2.00 m 1.00 m A GS = 2.64,  = 10%, e = 0.7 64 GS = 2.58,  = 9%, e = 0. 8543.00 m 1.00 m Cc=0.2115 wsat = 60% d=19 kN/m3 B SP CH
  • 38. UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ASFALTO e-mail: odonayre@gmail.com