S3 Proceso de consolidación de suelos.pdf

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1. Roberto M. Zamora Nevado,
Email: [email protected]
INGENIERÍA CIVIL
GEOTECNIA Y CIMIENTOS

2. EL PROCESO DE CONSOLIDACIÓN DE SUELOS
GEOTECNIA Y CIMIENTOS
Roberto M. Zamora Nevado 03

3. Resultado de aprendizaje
Unidad :
Calculalaevolucióndeasientosdeconsolidaciónylosparámetrosresistentes
delsuelo,paraproyectosdeingenieríacivil.
02

4. Evidencia.
Instrumento de evaluación.
Indicador.
Calculaeinterpreta,elcomportamientodelsuelofrenteaprocesosde
consolidación,lacohesiónyelángulodefriccióninterna.
ExamenN°02
Cuestionariodeevaluación02

5. ▪Elprocesodeconsolidacióndesuelos
▪Suelosnormalmenteconsolidadosysuelospreconsolidados
▪Incidenciadelapresenciadevariosestratosydelespesordelosmismos
▪Descripcióndelensayodeconsolidaciónunidimensional
▪Interpretacióndelacurvarelacióndevacíosvspresiónefectiva
▪LaboratorioI:Ensayodeconsolidaciónunidimensional
Contenidos

6. Saberes previos

7. CONSOLIDACIÓN

8. CONSOLIDACIÓN
▪Laconsolidacióndelsueloesunprocesonaturalqueocurrecuandoseaplican
cargasopresionesexternasalsuelo,loquehacequesecomprimayreduzcasu
volumen.
▪Estefenómenotieneimplicacionesimportantesparalaingenieríacivilyla
construcciónporquepuedeafectarlaestabilidadydurabilidaddelasestructuras
construidassobreelsuelo.
▪Medirypredecirconprecisiónlaconsolidacióndelsueloesesencialpara
garantizareldesarrollodeinfraestructurassegurasysostenibles.
¿CUÁLESLADIFERENCIAENTRECOMPACTACIÓN YCONSOLIDACIÓN?
▪Lacompactaciónylaconsolidacióndelsuelosondosprocesosdiferentesque
afectanelcomportamientodelsueloyprovocanlareduccióndesuvolumen.
▪Lacompactacióneslaaplicacióndefuerzasexternassobreelsueloqueeliminan
lasbolsasdeairedelmismoyreducensuvolumen.
▪Elobjetivoprincipaldelacompactacióndelsueloesmejorarsucapacidadde
carga,reducirlapermeabilidadyaumentarlaestabilidad.
▪Laconsolidaciónesunprocesogradualprovocadoporlapresiónalargoplazo
ejercidaporedificiosoestructurasnaturales.Expulsaelaguadelsueloycomprime
laspartículasdelmismo,reduciendosuvolumen.

9. CONSOLIDACIÓN
Enteoría,eneltiempot=∞,cuandotodoelexcesodepresióndeporodelaguaexceso
enlacapadearcillasehadisipadocomoresultadodeldrenajehacialascapasde
arena,
∆�=0(�����??????�����=∞)
Entonceselincrementoenelesfuerzoefectivoenlacapadearcillaes:
∆??????
′
=∆??????−∆�=∆??????−0=∆??????
Esteincrementogradualenelesfuerzoefectivoenlacapadearcillaocasionaráun
asentamientoduranteunperíodoyselerefierecomoconsolidación.

10. CONSOLIDACIÓN
TIPOS DE CONSOLIDACIÓN DE SUELOS
DEPENDIENDO DELPERÍODO DETIEMPODEL
ESFUERZOAPLICADO
Dependiendodelperíododetiempodelatensiónaplicadaa
lossuelosconsolidados,estospuedenclasificarsecomo:
▪Suelosnormalmenteconsolidados:sonaquellosque
estánsujetosporprimeravezensuhistoriageológicaal
esfuerzoefectivoaplicadoenelpresente.Esdecirson
aquellossuelos quenuncaestuvieronsometidosa
presionesefectivasmayoresquelasactuales.
▪Suelospreconsolidadososobreconsolidados:siel
esfuerzoefectivoaplicadoenelpresenteesmenorque
elesfuerzoefectivoaplicadoenelpasado,entoncesse
dicequeelsueloestásobreconsolidado.Lossuelos
sobreconsolidadosmuestranuncambiodevolumen
menorylasarcillasaltamentesobreconsolidadasse
comportancomoarenasdensas.

11. CONSOLIDACIÓN
TIPOSDECONSOLIDACIÓN DESUELOS DEPENDIENDO DELGRADO DE
COMPRESIÓN.
Dependiendodelasetapasogradosdecompresión,laconsolidacióndelossuelosse
puedeexplicarcomo:
▪Consolidacióninicialdesuelo:esunprocesoinstantáneoqueocurreinmediatamente
despuésdelacargaysedebealacompresiónyexpulsiondelaireintersticial.
▪Consolidaciónprimariadelsuelo:comienzacuandoelsueloalcanzalasaturación
total(despuésdelaexpulsiondelaireintersticial)ypermanecesaturadodurantetodoel
procesodeconsolidaciónprimariadelsuelo.Sellevaacabodebidoalaexpulsionde
aguaintersticialysecompletacuandosedetienelaexpulsiondeaguaintersticial.Esun
fenómenoquellevatiempo.
▪Consolidaciónsecundariadelsuelo:comienzadespuésdecompletarla
consolidaciónprimariadelossuelos.Silacargaesconstanteyseregistrauncambiode
volumenconelpasodeltiempo,sinexpulsiondeaguaintersticial,entonceselcambio
devolumensedebealreajusteplásticodelossólidosdelsuelo,loquesedenomina
consolidaciónsecundariadelossuelos.Ensuelosdegranogrueso,laconsolidación
secundariaesinsignificante,peroenarcillasaltamenteplásticaslaconsolidación
secundariapuedeserdel10%al20%delasentamientototal.

12. CONSOLIDACIÓN
DESCRIPCIÓNDELENSAYODECONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL
▪Elprocedimientodepruebadeconsolidaciónunidimensionalfuesugeridoporprimeravez
porTerzaghi(1925).
▪Estapruebasellevaacaboenunconsolidómetro(avecesreferidocomounedómetro).

13. CONSOLIDACIÓN
DESCRIPCIÓN DELENSAYO DECONSOLIDACIÓN
UNIDIMENSIONAL
▪Lamuestradesuelosecolocadentrodeunanillode
metalcondospiedrasporosas,unaenlapartesuperior
delaprobetayotraenlaparteinferior.
▪Losespecímenestienengeneralmente63,5mmde
diámetroy25,4mmdeespesor.
▪Lacargadelaprobetaesaplicadaatravésdeunbrazo
depalancaylacompresiónsemidemedianteun
micrómetrocalibrado.
▪Durantelaprueba,lamuestrasemantienebajoagua.
Cadacargageneralmentesemantienedurante24horas.
Despuésdeesolacargaporlogeneralseduplica,
duplicandoasílapresiónsobrelamuestra,ysecontinúa
conlamedicióndelacompresión.Alfinaldelaprueba,se
determinaelpesoensecodelamuestradeensayo.La
figuramuestraunapruebadeconsolidaciónencurso.

14. CONSOLIDACIÓN
a)Diagramaesquemáticodela
configuracióndelapruebade
consolidación.
b)Curvae-log??????′parauna
arcillasuave.
(Nota:Alfinaldela
consolidación??????=??????′)

15. CONSOLIDACIÓN
ÍNDICEDECOMPRESIÓN
Elíndicedecompresión,??????
�,eslapendientedelapartedelalínearecta(laúltimaparte)de
lacurvadelacarga,o
??????
�=
�
1−�
2
���??????′
2−���??????′
1
=
�
1−�
2
���
??????′
2
??????′
1
Donde�
1y�
2sonlasrelacionesdevacíosalfinaldelaconsolidaciónantelosesfuerzos
efectivos??????′
1y??????′
2respectivamente.
ElvalordeCcpuedevariarampliamente,dependiendodelsuelo.Skempton(1944)diola
correlaciónempíricasiguienteparaelíndicedecompresiónenelque
??????
�=0,009(????????????−10)
DondeLL=Límitelíquido
AdemásdeSkempton,variosotrosinvestigadorestambiénpropusieroncorrelacionesparael
índicedecompresión.Algunasdeéstassonlassiguientes:
Rendón-Herrero(1983)
??????
�=0,141�
�
1,21+�
0
??????
??????
2,38
obsérveseque�
0eslarelacióndevacíosdela
arcillaenelcampo.

16. CONSOLIDACIÓN
ÍNDICEDEEXPANSIÓNODERECOMPRESIÓN (C
soC
r)
Elíndicederecompresión,??????
�,eslapendientedelapartedeladescargadelacurvae-log
??????′.
??????
�=
�
3−�
4
���
??????′
4
??????′
3
Enlamayoríadeloscasos,elvalordelíndicedeexpansiónesde
�
??????
delíndicede
compresión.Lossiguientessonalgunosvaloresrepresentativosde??????
�/??????
�paradepósitos
naturalesdesuelos.
Descripción del suelo ??????
�/??????
�
Arcilla azul de Boston 0,24-0,33
Arcilla de Chicago 0,15-0,3
Arcilla de Nueva Orleans 0,15-0,28
Arcilla de St. Lawrence 0,05-0,1
Ladeterminacióndelíndicede
expansiónoderecompresión
esimportanteenlaestimación
del asentamiento por
consolidacióndearcillas
sobreconsolidadas.

17. CONSOLIDACIÓN
COEFICIENTEDECOMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA (??????
??????)
Elcoeficientedecompresibilidadvolumétricapermitealingenieroobtenerunaestimación
rápidadelasentamientoporconsolidaciónprimariausandolasiguienterelación:
�
�=�
??????�∆??????
′
Donde
�
??????=������������??????�??????�??????���������??????��(
�
2
�??????
)
H=espesordecapadesuelo
∆??????
′
=������??????������??????�����??????���������������.

18. CONSOLIDACIÓN
CÁLCULODELASENTAMIENTO PORCONSOLIDACIÓN PRIMARIA
Elasentamientoporconsolidaciónprimariaunidimensional(ocasionadoporuna
cargaadicional)deunacapadearcillaconespesorH
csecalculacon
�
�=
∆�
1+�
0
�
�

19. CONSOLIDACIÓN
RELACIONESDELASENTAMIENTO PORCONSOLIDACIÓN PRIMARIA
Comosemenciona,elasentamientoporconsolidaciónocurrealpasodeltiempo
ensuelosarcillosossaturadossometidosaunacargaincrementadaocasionada
porlaconstruccióndeunacimentación.Estarelaciónseescribe:
�
�(�)=
??????
��
�
1+�
0
���
??????
0
′
+∆??????′
����
??????′
0
�������??????���������������������??????�����

20. CONSOLIDACIÓN
�
�(�)=
??????
��
�
1+�
0
���
??????
′
+∆??????′
����
??????′
0
�������??????���������������??????��������??????
′
0+∆??????
′
&#3627408477;&#3627408479;&#3627408476;&#3627408474;<??????
′
&#3627408464;
&#3627408454;
&#3627408464;(&#3627408477;)=
??????
&#3627408479;&#3627408443;
&#3627408464;
1+&#3627408466;
0
&#3627408473;&#3627408476;&#3627408468;
??????′
&#3627408464;
??????′
0
+
??????
&#3627408464;&#3627408443;
&#3627408464;
1+&#3627408466;
0
&#3627408473;&#3627408476;&#3627408468;
??????′
0+∆??????′
&#3627408477;&#3627408479;&#3627408476;&#3627408474;
??????′
&#3627408464;
paraarcillassobreconsolidadascon??????
′
0<??????
′
&#3627408464;<??????
′
0+∆??????
′
&#3627408477;&#3627408479;&#3627408476;&#3627408474;
Donde
??????′
&#3627409358;= presión efectiva promedio sobre el estrato de arcilla antes de la construcción de la
cimentación.
∆??????′
&#3627408529;??????&#3627408528;??????=incremento promedio en la presión efectiva sobre el estrato de arcilla causado por la
construcción de la cimentación.
??????′
&#3627408464;=presión de pre consolidación
&#3627408466;
0=relación de vacíos inicial del estrato de arcilla
??????
&#3627408464;=índice de compresión
??????
&#3627408479;=índice de recompresión
&#3627408443;
&#3627408464;=espesor del estrato de arcilla

21. CONSOLIDACIÓN
EL FACTOR TIEMPO EN LA CONSOLIDACIÓN
Elfactortiempoesuncoeficientequeporsimismonoestablecemucho,pero,eselpuente
paraencontrarvariablesimportantesquesetienendentrodelateoríadeconsolidacióncomo
elcoeficientedeconsolidación(Cv),eltiempodeconsolidación(t)yalalargalapermeabiliad
delsueloenestudio.
Elfactortiempoenfuncióndelgradodeconsolidación(U)vienedadopor:
ParaU=0%a60%
&#3627408455;
??????=
&#3627409163;
4
&#3627408456;
100
2
ParaU>60%
&#3627408455;
??????=1,781−0,933log(100−&#3627408456;)
Elfactortiempoenfuncióndelcoeficientedeconsolidación(Cv)es:
&#3627408455;
??????=
??????
??????&#3627408481;
&#3627408443;
&#3627408465;&#3627408479;
2
Donde:
C
v=coeficientedeconsolidación,t=tiempo
H
dr=caminodedrenajemáslargodurantelaconsolidación.

22. CONSOLIDACIÓN
DESCRIPCIÓNDELENSAYODECONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL
Laformageneraldelagráficadedeformacióndelamuestraenfuncióndeltiempopara
unincrementodecargadadasemuestraenlafigura.

23. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
1.Cuandolapresióntotalqueactúaamediaalturadeunacapadeconsolidaciónes
de200kN/m
2
,larelacióndevacíoscorrespondientedelaarcillaes0,98.Cuandola
presióntotalqueactúaenelmismolugaresde500kN/m
2
,larelacióndevacíos
correspondientedisminuyea0,81.Encuentrelarelacióndevacíosdelaarcillasila
presióntotalqueactúaamediaalturadelacapadeconsolidaciónesde1000
kN/m
2
.

24. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
2.Considereelperfildelsueloquesemuestraenlasiguientefigura.Elsueloestá
sometidoaunacargauniformementedistribuidade∆??????=31,1kN/m
2
sobrela
superficiedelterreno.Laarenaestalque??????
&#3627408465;=16,5kN/m
3
y??????
&#3627408480;??????&#3627408481;=19,3kN/m
3
;la
arcillasubyacentetiene??????
&#3627408480;??????&#3627408481;=20,5????????????/??????
3
,????????????=38,&#3627408466;
0=0,89,????????????&#3627408480;=0,25??????&#3627408464;.
ProfundidadesH
1,H
2,yH
3comosemuestra.Determineelasentamientode
consolidaciónprimariadelacapadearcillanormalmenteconsolidada.

25. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
3.Determinelaconsolidaciónprimariaparalacapadearcillaespecificadaenel
problemapreviosiestatieneunapresióndepreconsolidación??????
&#3627408464;
′
=95&#3627408472;??????/&#3627408474;
2

26. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
4.Referidoalproblema(2).Dadoelcoeficientedeconsolidación??????
??????=
0,24&#3627408464;&#3627408474;
2
&#3627408474;??????&#3627408475;
,
¿Cuántotiempotomarácompletarunaconsolidacióndel75%encampo?

27. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
5.Acontinuaciónsemuestraloscimientosdeunedificioenunasecciónvertical.El
módulopromediodecompresibilidadvolumétricadelaarcillaes&#3627408474;
??????=4??????10
−4
&#3627408474;
2
????????????
.
Determineelasentamientoporconsolidaciónprimaria.

28. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
6.Eltiemporequeridoparaconsolidar25%deunacapadearcillade40mmde
espesor,drenadaenamboscostados,enellaboratorioesde4min.¿Quetiempo,en
días,tomaráparaunacapade2mdeespesordelamismaarcillaalcanzarun25%
deconsolidación?.Lamasadesueloenelcampoestáintercaladaentredoscapas
gruesasdegrava,comosemuestra.

29. Conclusiones

30. M. Tesen
Referencias
▪BrajaM.Das(2015).FundamentosdeIngenieríaGeotécnica.México:
CengageLearningEditoresS.A.
▪GuerraT.JuanC.(2018).MecánicadeSuelos-Conceptosbásicosy
aplicaciones.Madrid:DextraEditorialS.L.

31. ▪Cuestionariodeevaluación2

32. Roberto M. Zamora Nevado
Email: [email protected]