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Asentamientos y consolidación

Universidad Autónoma de Campeche Facultad de ingeniería Ingeniería civil y administración

DOCENTE ING. MAURICIO ROMAN QUEN ÁVILES, M. EN I.V.T. ALUMNO PABLO PECH ROSADO GRADO Y GRUPO 4B FECHA 26/02/2019

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Contenido Introducción................................................................................................................................. 2 Asentamientos .............................................................................................................................. 2 Consolidación unidimensional ................................................................................................... 3 Carga de preconsolidación ......................................................................................................... 5 Tiempo de consolidación............................................................................................................. 6 •

Método casa grande........................................................................................................... 6

•

Método de Taylor .............................................................................................................. 7

Prueba de consolidación ............................................................................................................. 9 Conclusión.................................................................................................................................. 10 Referencias bibliográficas ........................................................................................................... 10

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Introducción En este trabajo se desarrollarán los temas de la segunda subcompetencia del programa de unidad de aprendizaje de la materia Geotecnia II, tal, así como la explicación de los distintos métodos de Taylor y Casagrande, tipos de pruebas y distintos asentamientos.

Asentamientos Podemos definir a los asentamientos como un hundimiento gradual de una estructura y pueden clasificarse de acuerdo con el tiempo en el que se produce, ya se de forma inmediata, en periodos de años o aparezca hasta después de haber transcurridos siglos. Igual lo podemos interpretar como un aumento de esfuerzo causado por la construcción de cimientos y otras cargas que comprimen las capas del suelo, provocando de tal manera la expulsión de aire o fluido (en este caso agua), dejando vacíos los espacios. La deformación presentada en un suelo por estar sometida bajo una fuerza no se presenta de manera inmediata después de haberse aplicado esta misma al menos que sea material elástico, puesto que para el reacomodamiento de las partículas se necesita la expulsión de fluidos que el suelo contiene y si el suelo es poco permeable la expulsión requiere mucho tiempo. Los distintos tipos de asentamientos son: •

Asentamiento elástico La compresión se presenta de manera inmediata después de la aplicación de la carga, produciendo así un movimiento vertical debido a la deformación elástica de medio poroso. Los cálculos de los asentamientos elásticos se basan en ecuaciones derivadas de la teoría de la elasticidad. Se dice que el tiempo es inmediato porque se da durante horas o días y en cualquier tipo de suelo grueso y fino, suelos húmedos, secos y saturados, y no habrá ningún cambio de humedad. Se observa mejor en suelos granulares.

•

Asentamiento por consolidación Resulta del cambio del volumen en un suelo cohesivo saturado debido a la expulsión de agua intersticial y es dependiente del tiempo. Los asentamientos con consolidación se clasifican en: 1. Asentamiento de consolidación primaria Se da en el cambio de volumen en suelos cohesivos saturados debido a la expulsión del agua que ocupan los poros. Estos suelos cohesivos saturados pueden ser suelos arcillosos y arcillosos saturados. La deformidad que

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obtiene es dependiente del tiempo (años) y suele ocurrir en suelos de grava fina saturados con baja permeabilidad. El incremento de la carga producida por la compresión y deformación elástica crea un incremento de presión hidrostática en el medio poroso. El exceso de presión de poro va reduciéndose con el tiempo en una forma gradual. 2. Asentamiento de consolidación secundaria se llama secundaria por ser una parte de la deformación que ya ocurrió con un esfuerzo efectivo constante con ningún cambio de agua en los poros y es dependiente del tiempo. Solo depende del ajusto del suelo ya que no existe esfuerzo ni compresión en los poros. Se observa en suelos saturados cohesivos, por lo cual es resultado del ajuste plástico de la estructura en el suelo.

Consolidación unidimensional Como se ha repasado sabemos que se llama consolidación al proceso de disminución de volumen, en un lapso que es provocado por un aumento de cargas sobre el suelo. El ensayo de la consolidación es de gran importancia por el simple hecho que la consolidación es un problema natural de los suelos finos, como arcillas y limos. Con frecuencia ocurre durante este proceso donde la posición relativa de las partículas del mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma, así el movimiento de las partículas solo suele ocurrir en una dirección vertical por lo se le conoce como la consolidación unidimensional o mejor conocida como unidireccional, también recibe otros nombres como prueba de compresión confinada o prueba con odómetro. El volumen de la masa de suelo disminuye, pero los movimientos horizontales de las partículas sólidas son nulos. En los desplazamientos horizontales de la arcilla sean o no esencialmente nulos, será dependiente de varios factores, como si el estrato de la arcilla es relativamente delgado y este confinado entre estratos de arena o mas rígidos, o si el estrato de arcilla, aun siendo grueso, contiene gran cantidad de capas delgadas de arena, ocurre que la deformación lateral de la arcilla se restringe tanto que puede despreciarse, en comparación de los desplazamientos verticales. Se puede calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables debido a las cargas aplicadas con las características de la consolidación de los estratos de arcilla con la realización de esta prueba.

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Esta prueba se realiza en un consolidómetro o mejor conocido como edómetro, funciona colocando la muestra del suelo dentro de un anillo de metal con dos piedras porosa, una en la parte superior de la probeta y la otra en la parte inferior. La carga se aplica por medio de un brazo de palanca y la compresión se mide mediante un micrómetro calibrado. Las muestras se encuentran bajo el agua y las cargas son aplicadas durante 24 horas, después de esto las cargas por lo general se duplica y así la presión sobre la muestra va duplicándose. El edómetro puede ser de anillo flotante (menor fricción) o de anillo fijo. Uno de los más comunes es el consolidómetro de anillo libre que consta de un aparato que consta de un anillo rígido dentro del cual se coloca espécimen de suelo El consolidómetro neumático GEOTEC es una modificación del tradicional y es un consolidómetro de tipo de anillo flotante, la carga es accionada mediante presión de aire y es controlado por un regulador de presión constante, este instrumento posee varias ventajas; más sencillo de calibrar, menor tamaño, la medición de presión de consolidación para cada incremento se hace directamente, tiene una sensibilidad en la medición de las cargas. En la actualidad, se usa muy poco el consolidómetro de anillo fijo, excepto para la realización de pruebas de permeabilidad ejecutadas simultáneamente, por medio del marco de carga se le aplican las cargas a la muestra así repartiéndolas uniformemente en toda su área con el dispositivo formado por la esfera metálica y la placa colocada sobre la piedra porosa superior. Cuando el suelo alcanza su máxima deformación bajo un incremento de carga aplicado, su relación de vacío llega a un valor menor, evidentemente, que el inicial y se puede determinar con los datos iniciales de la muestra y las lecturas del extensómetro. Con realización de esta prueba se puede obtener la gráfica de deformación en función del tiempo durante una consolidación para un incremento particular de la carga, este diagrama comprende de tres etapas, la primera es sobre la compresión inicial causada por la sobre carga, la segunda etapa es la consolidación primaria en el cual el exceso de presión de agua intersticial se transfiere gradualmente en esfuerzo efectivo por la expulsión de la misma y el etapa tres se entiende por consolidación secundaria que se produce luego de la disipación total del exceso de presión del agua intersticial en cuando se lleva a cabo alguna deformación de la muestra debido al reajuste plástico del suelo.

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Carga de preconsolidación La carga de preconsolidación es la máxima carga o presión efectiva la cual el suelo ha soportado por decirlo así en su historia geológica.

Analizando la siguiente figura donde una muestra se somete a ciclos de cargas y descargas, donde las curvas denominadas como; A, B, C. se le vuelve a realiza un nuevo ciclo de carga y descargas denominadas como curvas A’, B’ y C’, donde las presiones son mayores al primer ciclo.

Se puede observar que los tramos B y B’ poseen la misma pendiente y uno se ubica como prolongación del otro, además que en el tramo de la recompresión del segundo ciclo A’ termina en coincidencia a la mayor carga aplicada en el primer ciclo de carga y descarga. Por lo que se puede concluir que el límite entre el tramo de recompresión y el tramo virgen es la carga de preconsolidación. Casagrande desarrollo un método gráfico para determinar la carga de preconsolidación debido a que no es posible en base a la historia geológica del suelo. Primero se inspecciona de forma visual y determina el punto A correspondiente al punto mayor de la curvatura. Dicha curvatura es proporcionar al radio de curvatura.

Luego al punto A se le traza una recta horizontal h y otra recta tangente a la curva en dicho punto llamada t

Tercero. Trazar la bisectriz del ángulo formado por las rectas h y t que pasa por el punto A, semirrecta b.

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Por ultimo se determina el punto B, como la intersección entre la recta b y la prolongación del tramo recto de la curva del ensayo. La abscisa del punto B corresponde al valor de la carga o presión efectiva de preconsolidación

Tiempo de consolidación De acuerdo con la prueba de consolidación se puede determinar para un estrato de suelo específico el coeficiente de consolidación

Donde: Cv: coeficiente de consolidación Tensayo: tiempo para el cual ocurre el porcentaje de consolidación determinado en el ensayo Tv: Factor de tiempo para v% de consolidación obtenido de la curva teórica, correspondiente a las condiciones de drenaje del problema. Hlab: Máxima distancia que recorre el agua en la prueba. A partir del Coeficiente, el tiempo necesario para que se complete total o parcialmente el proceso de consolidación, existen dos métodos para determinar este coeficiente: •

Método casa grande Se determina la gráfica del grado de consolidación Uv (%) en función del factor de tiempo en escala logarítmica, a esta curva se le denomina curva teórica de consolidación. De acuerdo con la prueba de consolidación, primero se traza un escalón de carga que representa la situación in situ del estado de tensiones impuesto, la curva deformación vs log t. El escalón de carga se determina calculándose previamente la carga de tapada a la cual se encuentra sometido el estrato compresible, así como también la sobrecarga a aplicarse. Primero se determina la deformación teórica correspondiente al 0% de la consolidación, se elige un punto A en la parte inicial de la curva de abscisa y se encuentre el punto de la curva para un tiempo t2 = 4t1.

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Segundo se determina la deformación correspondiente al 100% de la consolidación primaria, para esto se extiende la recta tangente de la parábola en el punto de inflexión y la recta tangente a los últimos puntos de la curva de consolidación. Por lo que estas rectas se intersecan en un punto B logrando así la ordenada representar la deformación correspondiente al 100% de la consolidación primaria.

Ya determinado la consolidación primaria (d100%) y la consolidación (d0%) se determina la mitad de dicha distancia que es la deformación correspondiente al 50% de la consolidación (D50%), al obtener este valor como ordenada se obtiene el punto C que pertenece a la curva y su abscisa representa el tiempo en que se produce el 50% de la consolidación primaria (t50).

Como ultimo paso, ya obtenido t50 y T50 se puede determinar el coeficiente de consolidación, hay que resaltar que el T50 se obtuvo de la curva teórica correspondiente a las condiciones del drenado que se usó en la prueba.

La altura Hlab es la máxima distancia en el que recorre el agua en el ensayo, Hlab es la mitad de la altura de la muestra en el escalón de agua ya que el drenaje es permitido por ambas caras de la muestra. •

Método de Taylor Para obtener el tiempo de consolidación para un porcentaje de consolidación del 90%, a partir de la curva Deformación, que corresponde al escalón de carga que represente la situación in situ. Determinado ese tiempo de consolidación, puede luego estimarse el coeficiente de consolidación, utilizando la ecuación:

Para obtener el tiempo correspondiente al 90% de la consolidación: P á g i n a 7 | 10

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Primero se dibuja una línea recta que se ajuste a la curva, extendiéndose hasta intersecar ambos ejes, despreciando los primeros puntos que corresponde al acomodamiento de la probeta y del sistema de aplicación de la carga. Se nombra A al punto donde hay la intersección de los ejes de las deformaciones, representando el 0% de la consolidación y B al punto de intersección con el eje de /t.

Segundo se domina x a la distancia sobre el eje de la raíz del tiempo, entre el origen y el punto B, buscamos el punto C, de abscisa igual a 1.15 veces X.

Luego se traza la recta AC, donde el punto AC interseca la curva de consolidación, tiene como abscisa la raíz del tiempo al cual ocurre el 90% de la consolidación (t90)

Una vez ya calculado t90 y el factor T90 obtenido de las curvas teóricas, según el drenaje de la muestra en laboratorio para un grado de consolidación del 90% se obtiene el coeficiente de consolidación Cv cómo:

Donde la altura Hlab es la máxima distancia que recorre el agua en el ensayo.

Para calcular el tiempo en que se consolida un estrato con la siguiente ecuación:

Siendo T: tiempo para cual ocurre el porcentaje de consolidación en el estrato en estudio P á g i n a 8 | 10

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Tv: factor de tiempo para el U% de consolidación obtenido de la curva teórica H: máxima distancia que recorre el agua y depende de las condiciones de drenaje in situ Cv: coeficiente de consolidación de laboratorio

Prueba de consolidación También llamada como prueba de compresión confinada y consiste en someter a un esfuerzo de compresión triaxial a una muestra inalterada del suelo en estudio, la muestra deberá ser inalterada, ya que la consolidación depende de la estructura del suelo. Se utiliza una muestra cilíndrica de pequeña altura en comparación con el mismo diámetro, colocándose dentro de un anillo metálico que impide la deformación transversal de la misma, este anillo se coloca en dos piedras porosas, se coloca en un recipiente de agua para asegurar que la muestra este saturada durante el ensayo. En contacto con el consolidómetro se coloca un flexómetro que mide la deformación en sentido vertical. La aplicación se realiza por medio de un brazo de palanca se somete la probeta a distintos escalones de carga manteniendo a cada uno de ellos el tiempo necesario hasta que la velocidad de deformación se reduzca a un valor despreciable. Cada escalón de carga se realizan mediciones de la deformación para diversos tiempos y luego se traza con los datos obtenidos la gráfica deformación versus el logaritmo del tiempo o la gráfica deformación versus raíz del tiempo, a esas curvas se le da el nombre de curvas de consolidación. Con la obtención del valor final de la deformación del escalón, con la altura inicial y el peso seco de la muestra se obtiene la relación de vacíos correspondiente al escalón de carga en cuestión. Se toma el valor de cada escalón para cada incremento de carga., luego de obtener los datos se puede graficar y obtener así la curva la cual se conoce como curva de compresibilidad. Con las curvas de consolidación y de compresibilidad se determinan los parámetros para obtener los tiempos de consolidación y asentamientos.

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Conclusión Como conclusión obtenemos que los asentamientos son provocados por distintos factores y se ve clasificada de acuerdo con tiempo, puedes ser asentamientos inmediatos que suceden al momento de que la carga es aplicada donde la reducción como su nombre lo dice es casi instantánea en el volumen de la masa de un suelo y precede a la consolidación primaria debida por la expulsión y compresión del aire contenido en los vacíos del suelo. Por otro lado, se tiene la consolidación que es la deformación del suelo o la reorientación de las partículas y se da por la expulsión de agua en los espacios vacíos. La consolidación suele dividirse en 2; la consolidación primaria donde hay reducción en el volumen de la masa con respecto a un suelo por estar sometido a una carga de manera permanente y la expulsión de agua de los vacíos; y la consolidación secundaria que también se encuentra con reducción en el volumen de las masas del suelo y es causada por el reacomodamiento de la estructura interna de esta misma ya que parte de la carga se aplica a las partículas sólidas del suelo y hay que recordar que al ajuste plástico del suelo se le es denominado como fluencia. Igual hablamos acerca de la prueba de consolidación que es necesaria para poder determinar el tiempo en que se pueden dar los asentamientos. Igual es de suma importancia conocer acerca de la carga de preconsolidación y los procedimientos para poder realizar los diagramas, aplicar los métodos empleados por Casagrande y Taylor.

Referencias bibliográficas Badillo, E. J. (1973). Mecanica de suelos tomo II. Mexico, DF: Limusa. Berry, P. L. (1993). Mecanica de suelos. Colombia: McGraw-Hill Interamericana. Dass, Braja. M. (2015). Fundamentos de ingeniería geotécnica. México, D.F.: CENGAGE learning.

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