Compresibilidad de Suelos Cohesivos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

DOCENTE: ING. GERSON QUISPE RODRIGUEZ TRABAJO: COMPRESIBILIDAD DE SUELOS COHESIVOS

 ALUMNOS:  AL UMNOS: • • • • •

B UST USTAMA AMANTE NTE COLUNCHE JOSUE CAMPOS RIVERA ARNOLD GUERRERO OLANO RONAL NUÑEZ BUSTAMANTE NELVI TERRONES TERR ONES ESCALANTE ESCALA NTE MARIO

COMPRESIBILIDAD DE SUELOS COHESIVOS CONSOLIDACIÓN

CONSOLIDACION Es el proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones ( cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. Producen asientos, es decir, hundimientos verticales, en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud.

PROCESO DE CONSOLIDACION Proceso que se produce en suelos s uelos y consiste en la reducción del volumen total del suelo por la colocación de una carga o el drenaje del terreno. • En los suelos saturados incremento de presión de poros disi pa a una velocidad controlada • El exceso de presión intersticial se disipa por la permeabilidad del suelo (K). El esfuerzo efectivo va incrementándose a medida que fluye el agua. •

CONSECUENCIAS DE LA CONSOLIDACION CONSOLIDACION • Incremento de esfuerzo efectivo • Reducción de volumen de huecos • Reducción de volumen total • Asentamientos del terreno • Asentamientos de la estructura

SUELOS ARENOSOS ¿QUE PASA? Alta permeabilidad Asientos rápidos

SUELOS ARCILLOSOS ¿QUE PASA? Baja permeabilidad Asientos lentos

Métodos o teoría de elasticidad

Teorí eoríaa de d e Terzag Terzaghi hi Asentamientos totales Velocidad de asientos

El proceso de consolidación se aplica a todos los suelos, pero es más importante en aquellos donde la permeabilidad es baja. b aja. Es necesario predecir: • •

El asentamiento total de la estructura. El tiempo o velocidad a la cual se produce dicho asentamiento asentam iento

Existe otro fenómeno posterior a la disipación de las presiones intersticiales, en el cual el suelo en cuestión continua deformándose o comprimiéndose, esto se debe a un reajuste en la estructura del suelo. Dicho proceso es llamado consolidación secundaria, y depende de las características eslastoplásticas y del comportamiento viscoso del material que compone al suelo. En suelos muy plásticos u orgánicos su contribución final es

ANALOGÍA MECÁNICA DE TERZAGHI •

Terzaghi propuso un modelo mecánico, que consiste en un cilindro de sección A con un pistón sin fricción en el cual posee una pequeña perforación. Dicho pistón se encuentra unido a un resorte y el cilindro en su interior esta lleno de un fluido incompresible.

ANALOGÍA MECÁNICA DE TERZAGHI

En el labo labora rato tori rio o puede puede estu estudi diar arse se el fenó fenóme meno no de cons consol olid idaci ación ón unidimensional sobre muestras representativas de suelos obtenidos tan inalteradam inalteradamente ente como sea posible, posible, lográndose lográndose como como resultado resultado la magnit magnitud ud y veloci velocidad dad del asenta asentami mient ento o probab probable le debido debido a cargas cargas verticales aplicadas. Si bien en labo aborato atorio ocur curre un proces ceso de asen asenttami amiento o consolidación rápido, hecho que difiere del real el que ocurre a lo lar largo de mucho ucho tiem tiempo po,, se supo supone ne que que toda todass las las cons consta tant ntes es que que gobiernan el proceso de consolidación son las mismas. Hipótesis que no cumplen cabalmente pero que sin embargo permiten estudiar el

Hipótesis.

• El suelo se supone supone homogéneo =, cohesivo y saturado durante la consolidación. • El agua y esqueleto solido son incompresibles. incompresibles. • Existe una relación lineal entre incremento incremento de presión y la deformación Cv, y permeabilidad K, • El coeficiente de consolidación Cv  permanecen constantes a lo largo del proceso. proceso.

En estado natural

En el el laboratori o

Prue Prueba ba de cons consol olid idac ació ión n

Curva de consolid cons olidación ación Se dibuja dibuja en escala escala semilog semilogari aritmi tmica ca con el tiempo tiempo en el eje de las abscis abscisas as y lectura de extensómetro o deformación en escala natural en el eje e las ordenadas. Como el ensayo requiere de progresivos incrementos de presión se obtiene una curva de consolidación por cada incremento de carga. Por lo tanto se realiza el siguiente procedimiento: •

• • •

Escoge Escogerr un punto que que tenga tenga notoria notoriamen mente te menos menos del 50℅   de consolidación (A). Ubicar un punto punto B sobre la curva curva tal que tB= tA/4 Ubicar el 0℅ de consolidación a una distancia '' a '' arriba del punto B   Repeti Repetirr tres tres vece vecess con con dife difere rent ntes es punt puntos os inic inicia iale less asig asigna nand ndo o la ubic ubicac ació ión n  promedio como como definitivo 0℅  de consolidación primaria

“ ”

ASENTAMIENTOS Y EXPANSIONES DE SUELOS COHESIVOS

ASENTAMIENTO

Descenso

Estructura

Consolida

DEFINICIÓN casi siempre se produce un asentamiento del suelo

PROBLEMA Desde que se empezó a construir

PROBLEMA En nuestro país

Obras de arquitectura

Obras de ingeniería civil

Probable causa expansión expansión o asentamientos de suelos

PROBLEMA En nuestro país

Obras de arquitectura

Obras de ingeniería civil

Probable causa expansión expansión o asentamientos de suelos

CONSECUENCIAS Costo elevados a la sociedad

Obras de arquitectura

Obras de ingeniería civil

ALGUNOS FACTORES A TENER EN CUENTA

CAUSAS •

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Consol Con solida idació ción n su pro propio pio pes peso. o. Deseca Des ecació ción n nat natura urall o deb debida ida a alg algún ún pro proces ceso o ind indust ustria rial. l. Inundaciones.  Ataque químico. Desc De scom ompo posi sici ción ón or orgá gáni nica ca na natu tura rall o a ca caus usa a de al algú gún n ag agen ente te ex exte tern rno. o. Hundim Hun dimien iento to reg region ional al pro provo vocad cado o por el bom bombeo beo de agu agua. a. Sismos, Sism os, vol voladur aduras as o vibr vibracio aciones. nes.  Alivio de esfuerzos por exca excavación vación o construcción de un túnel en la vecindad. Bombeo Bom beo de agu agua a pa para ra alg alguna una con constr struc ucció ción n ce cerca rcana. na. Movimientos Movimient os tectónicos. Erosió Ero sión n sub subter terrá ránea nea o derr derrumb umbes. es. Cuev Cu evas as sub subter terrá ránea neass que se der derrum rumban ban..

EXPANCIONES •

Se conocen como suelos expansivos aquellos que presentan expansiones o contracciones, ósea cambios de volumen cuando varía su humedad o contenido de agua. Los materiales de arcilla, tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla debido a su estructura, el agua produce el incremento del volumen en el material mencionado anteriormente y también una drástica reducción del volumen cuando el agua que retenía se seca.

¿CÓMO IDENTIFICAR UN FENOMENO EXPANSIVO? Las formas principales de identificación de un suelo potencialmente expansivo son: Identificación Mineralógica. • Determinación de ciertas propiedades básicas de los suelos. • Métodos indirectos de determinación del potencial expansivo del suelo. • Medidas directas de la expansión del suelo. •

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA EXPANSIÓN • Naturaleza y tipo de arcilla: • Humedad inicial • Peso específico seco del suelo • Características plásticas del suelo • Potencia del estrato activo

TIPOS DE EXPANCION EXPANCION •  Expansión   primaria.– Un hinchamiento de corto plazo, definido de mane ma nerra ar arbbit itrrar aria ia,, gene nerral alme ment ntee se cons nsid ider eraa que ha sid idoo co comp mpllet etad adoo en el tiempo correspondiente a la intersección de la tangente de curvatura inversa con la prolongación del tramo recto final, que representa el hinchamiento a largo plazo o secundario, en un trazo semi logaritmico, camb ca mbio io di dime mens nsio iona nall vs vs.. Lo Loga gari ritm tmoo de ti tiem empo po.. • •   Expansión Expansión secundaria.– Un hinchamiento de largo plazo, definido de mane ma nera ra ar arbi bitr trar aria ia,, ge gene nera ralm lmen ente te ca cara ract cter eriz izad adoo co como mo la po porc rció iónn li line neal al fi fina nall de la curva de cambio dimensional contra logaritmo de tiempo, al comp co mple leta tarr el hi hinc ncha hami mien ento to de co cort rtoo pl plaz azoo o pr prim imar ario io..

ALTERNATIVAS DE SOLUCION Reemplazo de suelo. Cimentación flotante. Pilotes excavados. Pre humedecimiento. Barreras de humedad verticales. Cortinas de inyección de una mezcla de limos y cenizas volátiles. • Geomembranas. • Estabilización Química. • • • • • •

1. ASENTAMIENT ASENTAMIENTO O POR POR CONSOLIDACIÓN CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA SECUNDARIA

Durante la consolidación primaria, suponemos que el exceso de presión intersticial o neutra generada por la carga aplicada, se disipa totalmente al alcanzar el 100 % de la consolidación. Sin embargo en ciertos suelos, los asentamientos continúan luego de la consolidación primaria. A esta etapa de la generación de asentamientos se la llama Consolidación Secundaria  y se cree que los mismos se generan por un fenómeno de crep en los suelos.

Proce Proceso so de Co Cons nsol olid idac ació ión n = Transf ransfer eren enci cia a de pres presio ione ness neut neutra rass a presi presion ones es efectivas dentro de la masa del suelo. Consecuenci a = Asentamiento

Inicio Tiempo t = 0

→

σu

Para un tiempo t ≠ 0 →  =

σ  σ'u

El ag agua ua em empi piez eza a a de desp spla laza zars rsee hacia las piedras porosas recorriendo un camino Máximo = H El tiempo necesario para que u = 0 dependerá de la tensión aplicada, de la permeabilidad del suelo y de la distancia H.

1. Porcenta orcentaje je de Consoli Consolida dación. ción.

 Presión efectivivaa  ×100 U%  Presiónefect Presióntotal U%  ∆p  u  ×100  ∆p ∆p  1  ∆pu  ×100 En este punto redefinimos el valor de la altura del manto compresible como de donde e H es ah ahor ora a el reco recorr rrid idoo “2H”   dond máximo de una partícula de agua.

Para Para un tiempo tiempo t  0 → ∆p  u Paraun untitiem empo po t ≠ 0 → ∆p  p  u b) Para Paraun untitiem empo po t  0 → ∆p  p′ c) Para

a)

Con éstas hipótesis de partida, podemos plantear una ecuación que nos resuelva el problema del fenómeno de consolidación en los suelos.

dh  γ duw

i   h 

i   γ 1w h z

v   γkw h z

Derivando respecto de z

v   k h z  γw z 

Analizando el flujo del agua en el elemento de la figura anterior, se llega a la siguiente ecuación diferencial

 u u Cv. z   t

 

Dónde:

Cv = coeficiente de consolidación

Hipótesis ipótesis de valide validez: z: a) El flujo de agua agua es solamente vertical por la cara superior y la cara inferior. inferior. b) El espesor del manto es de 2.H 2.H por lo que el el recorrido máximo de una partícula partícula de agua es H. c) Se supone supone por el espesor espesor de la muestra que la presión presión aplicada aplicada “p”  es constante en todo el espesor de la misma. d) El asentamiento asentamiento que experiment experimenta a el manto es despreciabl despreciable e frente al espesor, espesor, por lo que podemos considerar z = cte. e) k es el coeficiente coeficiente de permeabilidad permeabilidad de la muestra muestra y el escurrimiento en el suelo cumple cumple con la ley de Darcy. f) Por estar compren comprendida dida dentro dentro de un anillo rígido rígido la deformación deformación de la muestra muestra es solamente solamente en el sentido vertical.

Cuya solución está dada por la siguiente serie de Fourier .

=∞ 4σ )πzz e−ሺ+)  ..ൗ u  π ෍ 2n1 1 sen ሺ2n 2H11)π = Dónde:

 cv. I T  cv. H

Es el llamado FACTOR ACTOR DE TIEM TIEMPO PO

Co n l o s c o ef i c i en t es ex t r ac t ad o s d e l a r es o l u c i ó n d e l a ec u ac i ó n d e c on on so so lili da dac ió ió n p od od em em os os r es es ol ol ve ver n u es es tr tr o p ro ro bl bl em a q u e es , c al al c ul ul ar ar el tie tiempo en que se produc produce en los asenta sentamie miento ntos. s.

 t. Cv 2 …. T  t.C H

(Adimensional)

π U%  ሺ3) … . T  4 1005,6  ,5 1  U100%

Dónde: T  es el Factor  (adimensional) y está vinculado al porcentaje ctor de Tiempo iempo (adimensional) de consolidación  “ U” por la ecuación (3) o por los valores de la Tabla Tabla I.

Y además:

Coeficiente de compresibilidad volumétrica

Coeficiente de consolidación

Cv  mK. γw (cm /seg)

∆ (cm /kg) m  ∆ሺ ∆ሺ + ) 2

2

Coeficiente de compresibilidad

1 a  ∆e  ∆p E

1.1.

Cálculo del coeficiente de consolidación Cv (Método de Casagrande)

Representando el factor de tiempo   “T”que  es directamente proporcional al tiempo   “t”,   con el % de consolidación  “U”que es proporcional proporcional al asenta asentamiento miento  “S”, en el mismo gráfico de e – Log (t). Vemos que existen algunas diferencias en la forma de la curva teórica (azul) y la práctica (roja). En la primera parte los desajustes se deben a un ajuste del ensayo al aplicar la carga.

En la parte final se debe a la existencia de la consolidación secundaria. Sin embargo se aprecia una coincidencia muy importante en la parte central entre las dos curvas. Podemos entonces calcular el tiempo para U = 50% de consolidación consolidación con lo que nos queda definido el factor de tiempo que le corresponde T = 0,197 t 50% = Valor en seg. que se obtiene del gráfico para cada carga en el ensayo de consolidación.

U = 50%

 T . H t  Cv

→

T=0,197

→

De l a t ab ab l a I

   0,1997 . H 0,197 0,1 97. . H t5%  Cv → Cv  t5%