cap. ii.- fenomeno de la consolidación

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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE SUELOS

MECNICA DE SUELOS II

1. INTRODUCCIN

Todos los materiales experimentan deformacin cuando se les sujeta a un cambio en sus condiciones de

esfuerzo.

Concreto Acero Madera Suelo

La deformacin de la mayora de los suelos, aun bajo cargas pequeas, es mucho mayor que la de los materiales estructurales; adems esa deformacin no se produce, usualmente, en forma simultnea a la aplicacin de la carga, sino que se desarrolla en el transcurso del tiempo.

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Diferencias entre las deformaciones en materiales estructurales y las deformaciones en el suelo:

1. El tiempo en que ocurre la deformacin, es muy corto en los primeros; mientras que la deformacin de

los suelos, en especial de las arcillas, suele darse en un tiempo muy largo.

2. En los materiales estructurales la deformacin es principalmente resultado de un cambio de forma, sin

variacin de volumen, mientras que en los suelos ambos fenmenos son importantes.

La Mecnica de Suelos se ha desarrollado hasta la fecha sobre bases relativamente empricas. Las

teoras existentes, con las limitaciones del conocimiento actual, se ven como marcos de referencia de

pensamiento y no como logros definitivos que funcionen por s mismos.

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Para fines prcticos, puede considerarse que los suelos no tienen resistencia a la traccin, las

caractersticas de deformacin bajo compresin son, con mucho, las de mayor inters. Por ello los

principales mtodos de prueba estn diseados para someter las muestras de suelo a esfuerzos de

compresin.

1. Prueba de compresin triaxial.

2. Prueba de compresin inconfinada o simple.

3. Prueba de compresin confinada o de consolidacin.

Las dos primeras dan informacin sobre la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, mientras que la

ltima da informacin sobre la compresibilidad del suelo.

Prueba de compresin triaxial Prueba de compresin simple Prueba de consolidacin

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2. CONSOLIDACIN DE LOS SUELOS

El proceso de consolidacin, es el proceso de disminucin de volumen, que tiene lugar en un lapso,

provocado por un aumento de las cargas sobre el suelo.

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Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidacin la posicin relativa de las partculas slidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma; as, el movimiento de las partculas de suelo puede ocurrir slo en direccin vertical; esta es la consolidacin unidireccional o unidimensional.

En la consolidacin unidimensional, el volumen de la masa de suelo disminuye, pero los desplazamientos horizontales de las partculas slidas son nulos.

Al construirse una estructura, los estratos de suelo se comprimen bajo las nuevas cargas que se les comunica.

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Las caractersticas de consolidacin de los estratos de arcilla pueden investigarse cuantitativamente con

aproximacin razonable, realizando la prueba de consolidacin unidimensional sobre especmenes

representativos del suelo, extrados en forma tan inalterada como sea posible. Se puede as calcular la

magnitud y la velocidad de los asentamientos probables debidos a las cargas aplicadas.

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Prueba de Consolidacin Unidimensional:

1. El ensayo se realiza sobre una muestra labrada en forma de cilindro aplastado, es decir de pequea

altura en comparacin al dimetro de la seccin recta. La muestra queda as confinada en un anillo de

bronce.

2. Se coloca la muestra dentro de una cazuela del consolidmetro, con una piedra porosa en cada cara

de la muestra.

3. La cazuela se coloca bajo un marco de carga, para aplicar presiones sobre la muestra.

4. Se colocan los extensmetros apoyados en el marco de carga, a fin de registrar las deformaciones

del suelo.

5. Las cargas se aplican en incrementos, permitiendo que cada incremento obre por un perodo de

tiempo suficiente para que la deformacin se reduzca prcticamente a cero.

1 2

3

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En cada incremento de carga se hacen lecturas en el extensmetro para conocer las deformacin

correspondiente a diferentes tiempos.

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Los datos de las lecturas se dibujan en una grfica que tenga por abscisas los valores de los tiempos

transcurridos, en escala logartmica y como ordenadas las correspondientes lecturas de los extensmetros

(promedio de dos lecturas), en escala natural.

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Al inicio del proceso de carga se tiene una reduccin de vacos por eliminacin de aire, generando un

tramo llamado de CONSOLIDACIN INICIAL; luego se genera una reduccin de vacos por eliminacin de

agua, tramo de CONSOLIDACIN PRIMARIA; y finalmente, se tiene un reacomodo de partculas con

presin efectiva constante, tramo de CONSOLIDACIN SECUNDARIA.

CONSOLIDACIN INICIAL: eliminacin de aire.

CONSOLIDACIN PRIMARIA: eliminacin de agua.

CONSOLIDACIN SECUNDARIA: reacomodo de partculas.

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Una vez que el suelo alcanza su mxima deformacin bajo un incremento de carga aplicado, su relacin

de vacos llega a un valor menor, evidentemente que el inicial y que puede determinarse a partir de los

datos iniciales de la muestra y las lecturas del extensmetro. As para cada incremento de carga aplicado

se tiene finalmente un valor de la relacin de vacos y otro de la presin correspondiente actuante sobre el

espcimen.

RELACIN DE VACOS INICIAL

RELACIN DE VACOS AL FINAL DE UNA PRESIN DE 0.25

KG/CM2.

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En suma, de toda la prueba, una vez aplicados todos los incrementos de carga; se tienen valores para

constituir una grfica en cuyas abscisas se ponen los valores de la presin actuante, en escala natural

logartmica y en cuyas ordenadas se anotan los correspondientes valores de relacin de vacos e en escala natural. Esta curva se llama de COMPRESIBILIDAD.

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Generalmente en una Curva de Compresibilidad se definen tres tramos diferentes. El A es un tramo curvo

que comienza en forma casi horizontal y cuya curvatura es progresiva, alcanzando su mximo en la

proximidad de su unin con el tramo B. El tramo B es generalmente un tramo recto muy aproximadamente

y con el se llega al final de la etapa de carga de la prueba, al aplicar el mximo incremento de carga, al

cual corresponde la mxima presin sobre la muestra.

A: TRAMO DE RECOMPRESIN

B: TRAMO VIRGEN

C: TRAMO DE DESCARGA

Relacin de vacos inicial

Relacin de vacos final

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Considrese un experimento en el cual una muestra de arcilla se sujeta a un ciclo de carga y completa

descarga, correspondiente a una prueba de consolidacin unidimensional y, de inmediato, una vez

descargada, se vuelve a cargar, a una presin mayor que la mxima alcanzada en el primer ciclo;

finalmente, la muestra vuelve a descargarse hasta retornar a la condicin p=o.

En el primer ciclo de carga y descarga la grfica obtenida es la ABC. En la grfica ABC, correspondiente

al segundo ciclo, son de notar los siguientes hechos. El tramo A, de recompresin, se extiende ahora

hasta la mxima presin a que se haya cargado al suelo en el ciclo anterior, mientras que el nuevo tramo

virgen, B, rpidamente se define como la prolongacin del tramo virgen correspondiente al primer ciclo. El

tramo de descarga, C, resulta similar al tramo C, primeramente obtenido.

APLICACIN DE PRESIONES QUE YA SE HAN SOPORTADO ANTERIORMENTE

APLICACIN DE PRESIONES NUNCA ANTES SOPORTADA.

CONCLUSIN: LAS PRESIONES CORRESPONDIENTES AL TRAMO A YA HAN SIDO APLICADAS AL SUELO EN

OTRA POCA

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3. CARACTERISTICA DE CONSOLIDACIN DE SUELOS RELATIVAMENTE GRUESOS

En la figura se muestran los resultados de pruebas de consolidacin unidimensional ejecutadas sobre

especmenes de la misma arena fina, uno en estado suelto y el otro en estado compactado. Estas pruebas

se realizaron estando la arena completamente seca.

Curvas de compresibilidad en especmenes de

arena fina.

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La arena compacta, aun sin presin,

est en un estado ms compacto que

la arena suelta con su presin

mxima.

El nico modo de producir un cambio

estructural ntimo, de modo que una

arena suelta se transforme en

compacta es por vibracin, varillado

u otro efecto dinmico equivalente.

Puede disminuirse la relacin de vacos de una arena suelta, comprimindola bajo cargas fuertes, pero su estructura interna, en tal caso, permanece esencialmente la misma que la correspondiente al estado suelto; los granos permanecen en similares posiciones relativas, antes y despus de aplicar la presin.

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Terzaghi fue el primero que seal el hecho de que las curvas de compresibilidad de los materiales con

contenido de partculas laminares suelen quedar reducidas a simples rectas, cuando se les representa en

papel semi-logartmico (tramos vrgenes de las curvas de compresibilidad); por lo anterior, los tramos

vrgenes de esas curvas en tal grfica pueden representarse con la ecuacin:

)(log

)(log

loglog

1

212

1

221

12

21

p

pCee

Cm

p

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pp

ee

p

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c

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4. ANALOGA MECNICA DE TERZAGHI

.

La velocidad de transferencia

depende del tamao del orificio y de

la viscosidad del fluido.

Si se permite al resorte una

deformacin suficientemente grande,

se lograr que la totalidad de la carga

P quede soportada por l, volviendo

el fluido a sus condiciones anteriores

a la aplicacin de la carga P.

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Serie de cilindros:

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ESTRUCTURA DEL SUELO

AGUA INTERSTICIAL

CANALICULOS

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5. ESTUDIO DE LAS PRESIONES EN EL SUELO

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DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN ESTRATO SUPERFICIAL DE SUELO HOMOGNEO Y COMPRESIBLE, CON N.F. EN LA FRONTERA SUPERIOR.

a) Suelo sin carga externa.

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b) Suelo con carga externa, en un tiempo t = 0.

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c) Suelo con carga externa, en un tiempo t = t.

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d) Suelo con carga externa, en un tiempo t = .

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Si p = o: normalmente consolidado Si p > o: sobreconsolidado

METODO DE CASAGRANDE

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