Proceso de consolidación de la deformación de los suelos.
Cada vez que se estresa una masa de suelo, se deforma. La deformación puede ser en forma de distorsión o un cambio en el volumen de la masa del suelo. Como en un depósito natural, la masa del suelo está confinada en todos los lados, por lo tanto, el cambio de forma, es decir, la distorsión del suelo no es posible. La única posibilidad es el cambio de volumen, es decir, la compresión del suelo.
En la carga, una compresa del suelo debido a:
(i) Compresión de granos sólidos.
(ii) Compresión de agua de poros y aire.
(iii) Expulsión de agua y aire del vacío de la masa del suelo. Bajo cargas de ingeniería típicas, la compresión de los sólidos del suelo y el agua vertida es insignificante.
Por lo tanto, la compresión del aire y la expulsión del aire y el agua de los vacíos contribuyen en gran medida al cambio de volumen del suelo cargado. Estos cambios de volumen pueden ser realizados por dos procesos distintos. Compactación y consolidación.
Compactacion
La compactación es el proceso en el cual las partículas del suelo se empaquetan más estrechamente por medios mecánicos, es decir, la carga dinámica, como rodar, apisonar y vibrar, etc. Se logra mediante la reducción del vacío de aire. Hay poca o ninguna reducción en el contenido de agua.
Consolidación:
La consolidación es el proceso en el cual las partículas del suelo se empaquetan más estrechamente durante un período de tiempo bajo la aplicación de presión continua, es decir, carga estática. Se logra principalmente mediante el drenaje gradual del agua de los poros del suelo. La consolidación se produce en arcillas saturadas o casi saturadas u otros suelos de baja permeabilidad.
Prueba de Consolidación:
Para predecir el asentamiento de la consolidación en el suelo, necesitamos conocer las propiedades de tensión-deformación (es decir, la relación entre la presión efectiva y la relación de vacío) del suelo. Esto normalmente implica cargar la muestra de suelo en el laboratorio a una serie de cargas y medir los asentamientos correspondientes. Esta prueba se conoce como prueba de consolidación. El aparato de prueba se llama consolidómetro.
La Figura 6.1 (a) y (b) muestran la configuración del consolidómetro de tipo de anillo fijo y tipo de anillo flotante. En el tipo de anillo fijo, solo se permite que la piedra porosa superior se mueva hacia abajo, mientras que en el tipo de anillo flotante, las piedras porosas superior e inferior pueden moverse libremente. La permeabilidad de la muestra en cualquier etapa de carga se puede medir solo en el tipo de anillo fijo. La compresión de la muestra se mide por medio de un calibrador de cuadrante colocado en la tapa de carga. Se permite que la muestra se consolide bajo una serie de incrementos de presión vertical, tales como 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 4, 8 y 10 kg / cm 2 .
La elección de la presión vertical depende principalmente de la presión esperada en el sitio, incluida la presión de sobrecarga. En las pruebas convencionales se utiliza una relación de incremento de carga (LIR) de la unidad. LIR de unidad significa que la carga se duplica cada vez. Cada incremento de presión se mantiene durante un período de 24 horas. La muestra se consolida con el drenaje libre que se produce desde las caras superior e inferior. Las lecturas del calibrador de cuadrante se anotan a los 30 segundos, 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutos, 1 hora, 2, 4, 8 y 24 horas.
Cuando se completa la consolidación bajo la presión final, la muestra se descarga y se deja hinchar. Los resultados se presentan en un papel de gráfico de registro parcial con presión aplicada en la escala de registro en abscisas y la proporción de vacíos correspondiente como ordenada en escala lineal. La relación de vacío correspondiente a cada LIR aplicada se define como la presión puede calcularse a partir de las lecturas del indicador de dial y el peso seco de la muestra se toma al final de la prueba.
Determinación de la relación de vacío por el método de peso seco:
Este método es aplicable a especímenes tanto saturados como parcialmente saturados.
Deje M s = masa seca de la muestra al final de la prueba
A = Área del espécimen
G = Sp. gravedad del suelo
Entonces, el espesor equivalente del suelo sólido 'H S ' se calcula de la siguiente manera:
Las curvas de compresión que se pueden obtener de una prueba de consolidación realizada en una muestra de arcilla se muestran en la figura 6.3.
Después de consolidar la muestra hasta el punto de presión Q, se permite que la muestra se expanda por decrementos de presión. Durante la expansión, el espécimen nunca vuelve a su volumen original debido a alguna compresión permanente. En la recarga, se obtiene la curva de recompresión RS.
Cuando se alcanza la presión anterior correspondiente al punto 0, la curva de recompresión tiene una relación de vacío ligeramente más baja. La prueba continúa al aumentar la presión aún más, la curva resultante es más o menos la extensión de la porción inicial PQ. La Figura 6.3 (b) muestra la gráfica de la presión efectiva frente a la relación de vacío en papel cuadriculado semi log. Las porciones rectas P 1 Q 1 y S 1 T 1 a cada lado de O 1 se denominan curva de compresión virgen.
Coeficiente de compresibilidad:
El coeficiente de compresibilidad 'a V ' se define como la disminución en la relación de vacíos por unidad de aumento de presión.
donde e 0 y e son las relaciones de vacío al principio y al final de la consolidación bajo el incremento de presión ∆σ '. El signo negativo indica que e disminuye a medida que aumenta σ.
Coeficiente de compresibilidad de volumen (m V )
[Cofficiente de cambio de volumen]
El coeficiente de cambio de volumen es el cambio en el volumen de un suelo por unidad de volumen inicial por unidad de aumento de la presión. La unidad de m v es igual a la de v
cuando el suelo está confinado lateralmente, el cambio en el volumen es proporcional al cambio en el grosor ∆H y el volumen inicial es proporcional al grosor inicial H 0 . Por lo tanto eqn. (i) se convierte en
mv = ∆H / H 0 - 1 / ∆σ
Cambio en el espesor, ∆H debido al incremento de presión está dado por
∆H = - m v H o ∆σ
Indice de compresión (c c )
Es la pendiente de la porción lineal de la curva e vs log σ y no tiene dimensiones.
Para la porción lineal de la curva:
Coeficiente de Consolidación:
Es la relación entre el coeficiente de permeabilidad y el producto del coeficiente de cambio de volumen con el peso unitario de agua. Se denota como cv = K / m v γ w
donde K = Coeficiente de permeabilidad
γw = peso unitario de agua
C v = coeficiente de consolidación
m V = coeficiente de cambio de volumen
El coeficiente de consolidación es un indicador del efecto combinado de la compresibilidad y la permeabilidad del suelo en la tasa de cambio de volumen.
El coeficiente de consolidación también se puede calcular a partir de la relación que se da a continuación.
Tv = c v t / d 2
donde T v = factor tiempo que es una función del grado de consolidación
t = tiempo necesario para la consolidación
d = recorrido de drenaje, para condición de doble drenaje d = H / 2
Dado que la Tv es constante para un grado dado de consolidación y para las condiciones de contorno del problema en cuestión, el tiempo requerido para alcanzar un cierto grado de consolidación 'U' es directamente proporcional al cuadrado de su trayectoria de drenaje e inversamente proporcional al coeficiente de consolidación. Para un suelo dado en una proporción de vacíos dada, c v aumenta a medida que aumenta la magnitud de la presión de consolidación.
Consolidación de suelos no perturbados:
Dependiendo de la historia de consolidación, los depósitos de suelo se pueden dividir en tres clases:
(i) Pre-consolidación de suelo o sobre consolidación de suelo.
(ii) Suelo normalmente consolidado.
(iii) Bajo suelo consolidado.
(1) Suelo pre-consolidado:
Se dice que una arcilla está pre-consolidada si siempre ha estado sujeta a una presión mayor que la presión de sobrecarga actual.
Un suelo puede haber sido pre-consolidado por la carga estructural que ya no existe ahora o por el peso de una capa de hielo que se ha derretido.
(ii) Suelo normalmente consolidado:
El suelo que nunca ha sido sometido a una presión efectiva mayor que la presión de sobrecarga actual se denomina suelo normalmente consolidado. El suelo está completamente consolidado por la presión de sobrecarga existente.
(iii) Bajo suelo consolidado:
El suelo que no está totalmente consolidado por la presión de sobrecarga actual se denomina suelo consolidado.
Sobre Razón de Consolidación (OCR):
Es la relación entre la presión de pre-consolidación y la presión de sobrecarga efectiva actual.
OCR = Presión de pre-consolidación / Presión de sobrecarga actual
OCR> 1, indica una arcilla normalmente consolidada.
Y OCR> 1, indica una arcilla sobre consolidada.
Factores que afectan la consolidación:
Los factores que afectan a la consolidación son:
(a) Espesor de la capa de arcilla.
(b) Número de camino de drenaje
(c) Coeficiente de permeabilidad.
(d) Coeficiente de consolidación.
(e) Magnitud de la presión de consolidación y la forma de su distribución a través del espesor de la capa.
(f) Factor de tiempo
(a) Espesor de la capa de arcilla:
Si el grosor es mayor, la consolidación de la capa será mayor debido a la presión de sobrecarga.
(b) Número de camino de drenaje:
La trayectoria de drenaje representa la distancia máxima que deben recorrer las partículas de agua para alcanzar la capa de drenaje libre. Si la trayectoria de drenaje es mayor que la distancia de desplazamiento de las partículas de agua, se reduce la proporcionalidad y, a su vez, el agua saldrá de la capa del suelo y causará la consolidación. Por lo tanto, cuanto mayor sea el camino de drenaje, mayor será la consolidación.
(c) Coeficiente de permeabilidad:
Si el coeficiente de permeabilidad del suelo es mayor, el agua saldrá de los poros del suelo más fácilmente y, por lo tanto, la consolidación será mayor.
(d) Coeficiente de consolidación:
El coeficiente de consolidación es directamente proporcional al grado de consolidación y, por lo tanto, si el coeficiente de consolidación es mayor, la consolidación del suelo será mayor.
(e) Magnitud de la presión de consolidación y su distribución:
La consolidación del suelo se ve muy afectada por la presión de consolidación y su distribución. Si la presión de consolidación es mayor y se distribuye uniformemente en el área, la consolidación será mayor.
(f) Factor de tiempo:
De la ecuación de consolidación, es decir, Tv = C v t / d 2, se aclara que el coeficiente de consolidación (Cv) es directamente proporcional al factor tiempo (T V ). Si el factor tiempo es más la consolidación será más.
Liquidación total:
La compresión total de una capa de suelo saturado durante un largo período de tiempo bajo carga estática se denomina asentamiento total. Se denota por S.
S = S i + S c + S s
S i = liquidación inmediata
Sc = liquidación de consolidación o liquidación primaria
Ss = asentamiento secundario
Liquidación inmediata:
Es la parte del acuerdo que se produce inmediatamente después de la aplicación de la carga. Es principalmente debido a la compresión inmediata de la capa de suelo en condiciones no entrenadas. La liquidación inmediata es muy pequeña en comparación con la liquidación primaria.
Liquidación de Consolidación en Liquidación Primaria:
Es la parte del asentamiento en la que se expulsa el agua de los poros de los vacíos de los suelos. Este proceso provoca una disminución en el volumen de vacíos.
La liquidación de consolidación Sc se puede calcular mediante cualquiera de los siguientes métodos:
(i) Basado en el coeficiente de cambio de volumen, m v
El movimiento descendente de la superficie de la capa de consolidación se denomina asentamiento de consolidación. Este movimiento se debe a la disminución en el volumen de una masa de suelo saturada bajo la carga aplicada.
Liquidación secundaria:
Se debe a la reorientación de partículas, la fluencia y la descomposición de los materiales orgánicos. No requiere la expulsión de agua de poro. El asentamiento secundario es insignificante en arenas y gravas, pero puede ser significativo en arcillas altamente plásticas, suelos orgánicos y rellenos sanitarios.
Liquidación uniforme:
Si la masa del suelo debajo de una estructura se comprime uniformemente en todo, entonces el asentamiento de la estructura es uniforme. Se denomina como asentamiento uniforme. El diagrama de líneas firmes (Fig. 6.6) muestra la condición de la estructura antes del asentamiento y la línea punteada muestra la condición después del asentamiento.
Si una estructura tiene cimientos rígidos, sufre un asentamiento uniforme.
Asentamiento diferencial:
La Figura 6.8 muestra un bulbo de presión de área de ancho B perfectamente flexible y cargada. El valor de la tensión vertical inducida debajo de la línea central de un área cargada es siempre mayor que su valor a la misma profundidad por debajo del borde del área cargada. Debido a esta diferencia de estrés inducido, el asentamiento es más en el centro que en el borde.
Como la liquidación es desigual, se denomina liquidación diferencial. La liquidación diferencial es la diferencia en la liquidación entre dos fundaciones o entre dos puntos de una sola fundación. Se debe principalmente a las no uniformidades en el suelo, a las diferencias en las cargas estructurales, etc.
Tasa de Liquidación:
La tasa de liquidación es el tiempo en el que se produce algún porcentaje de la liquidación total.
La tasa de liquidación depende de los siguientes factores:
(i) Espesor de la capa de suelo
(ii) Permeabilidad del suelo.
(iii) Número de caras de drenaje.
(iv) Magnitud de la carga aplicada.
La tasa de liquidación se puede calcular utilizando la fórmula
(i) T = C v t / h 2
donde T = factor tiempo
C v = coeficiente de consolidación
h = longitud del camino de drenaje más largo
Liquidación por operaciones de construcción y disminución del nivel freático:
La excavación del suelo induce el movimiento del suelo circundante hacia la excavación, lo que provoca el asentamiento de la superficie del suelo adyacente a la excavación. El asentamiento puede ocurrir casi el doble de la profundidad de la excavación alrededor de las excavaciones abiertas. Durante la construcción de túneles, puede ocurrir un asentamiento de la superficie del suelo sobre el túnel. Los cimientos de las estructuras presentes en la zona afectada pueden moverse, lo que resulta en la inclinación de las estructuras o la formación de grietas en las estructuras.
Para minimizar el daño a las estructuras adyacentes, el ingeniero geotectónico a cargo selecciona un método de excavación que minimiza el movimiento del suelo. Antes de la construcción de túneles, se llevan a cabo medidas de protección de la cimentación en forma de lechada del suelo, lo que minimiza el movimiento hacia adentro del suelo durante la tunelización y reduce el asentamiento de la superficie.
Los suelos sueltos, saturados y de grano grueso se compactan por las vibraciones producidas durante las operaciones de construcción, lo que resulta en un hundimiento apreciable de la superficie del suelo. La fuente principal de vibraciones de construcción son la conducción de pilotes, la excavación mecánica de zanjas, la demolición con explosivos, etc. Hasta hace poco, las medidas de protección se basaban en la velocidad máxima de partículas inducida por vibración y su decaimiento con la distancia desde la fuente. Se están desarrollando directrices más racionales.
La reducción del nivel freático aumenta el peso unitario efectivo del suelo originalmente debajo del nivel freático, lo que puede causar un asentamiento sustancial tanto en la zona de deshidratación como en el suelo debajo. Este aumento de la presión efectiva provoca el asentamiento en arena suelta. En el suelo arcilloso, el aumento de la presión efectiva causará un gran asentamiento porque la arcilla es altamente compresible.
Pesados
El movimiento hacia arriba del suelo se llama abultamiento. El problema del calentamiento surge cuando el suelo se expande debido a la reducción de la presión de confinamiento o al aumento del contenido de agua. Se observa un alto grado de característica de levantamiento en suelos expansivos. El problema del calentamiento es particularmente común en las regiones áridas. En tales áreas, los suelos se secan y encogen durante el clima árido y se expanden cuando la humedad está disponible.
En áreas donde el suelo está sujeto a la congelación, hay un movimiento ascendente en el suelo debido a la formación de hielo subterráneo y este fenómeno se denomina aumento de las heladas.
El levantamiento de escarcha se debe principalmente a las siguientes razones:
(i) Cuando el suelo se congela, el agua vertida se expande aproximadamente en un 9% en volumen y el suelo se expande en un 4% en volumen. Tales levantamientos son bastante uniformes y causan relativamente poco daño.
(ii) Si el nivel freático es alto, la acción capilar puede arrastrar el agua hasta la zona congelada donde se forman las líneas de hielo, como se muestra en la figura 6.11. Este mecanismo puede mover grandes cantidades de agua y puede producir movimientos de la superficie del suelo de 12 pulgadas o más. Dichos levantamientos son muy irregulares y pueden causar grandes daños a las obras de ingeniería civil.
Los problemas de sobrecarga suelen asociarse con estructuras ligeras, como edificios pequeños, pavimentos de carreteras, presas, aliviaderos, etc.
Arrastrarse:
La fluencia es el movimiento lento y prolongado de los suelos en pendientes pronunciadas. El movimiento suele ser del orden de milímetros por año. Ocurre debido a la gravedad inducida por las tensiones de corte de pendiente descendente, la acción de las heladas, la expansión y la contracción de las arcillas. Si la tensión de cizallamiento en arcilla supera aproximadamente el 70% de la resistencia al cizallamiento, comienza a producirse un lento movimiento de cizallamiento o arrastre.
Algunas arcillas muestran un arrastre significativo si la tensión de corte supera aproximadamente el 50% de la resistencia al corte. El arrastramiento se extiende a profundidades de 0, 3 a 3 m, con los desplazamientos máximos que ocurren en la superficie del suelo. A corto plazo, el efecto de la fluencia en las estructuras es insignificante, pero a largo plazo puede producir distorsiones significativas en las estructuras fundadas en tales suelos. Debido a la fluencia, el suelo se mueve cuesta abajo, produciendo un material que es inferior al suelo principal. Este comportamiento de fluencia es una de las razones por las que se requiere un mayor factor de seguridad en los suelos arcillosos.
