Suelos 2 Tercera Unidad.docx

ENSAYO DE CONSOLIDACION 1. INTRODUCCIÓN Al someter una masa de suelo saturado a un incremento de carga, ésta es soportada inicialmente por el agua contenida en los poros, ya que ella es incompresible en comparación con la estructura del suelo. La presión que resulta en el agua a causa del incremento de la carga es llamada exceso de presión hidrostática. A medida que el agua drena de los poros del suelo, el incremento de carga es transmitido a la estructura del suelo. La transferencia de carga es acompañada por un cambio en el volumen del suelo igual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocido como consolidación. Este es un proceso que tiene un tiempo acotado de ocurrencia, comienza cuando se aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presión de los poros es igual a la hidrostática, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido la totalidad de la transferencia de carga del agua a la estructura de suelo. Terminado este proceso llamado consolidación primaria, el suelo continúa deformándose, aunque en menor magnitud, debido a un reacomodamiento de los granos. A este último proceso se lo denomina consolidación secundaria. El asiento total, suponiendo que el último valor medido coincide con el momento en que desaparece toda la sobrepresión intersticial creada al aplicar la carga, es una medida de la deformación del esqueleto del suelo. Si se realizan varios escalones de carga, se obtendrá una curva de compresibilidad, que relaciona la presión efectiva (en escala logarítmica) con la deformación del esqueleto mineral, expresada por el índice de poros o relación de vacíos. El propósito fundamental del ensayo de consolidación es determinar ciertos parámetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Además, el ensayo permite obtener información acerca de la historia de presiones a que ha sido sometido el suelo. Los parámetros más importantes que se obtienen del suelo al realizar el ensayo son: a) El coeficiente de consolidación (cv ), que indica el grado de asentamiento del suelo bajo un cierto incremento de carga y vinculado a la velocidad del mismo. b) El índice de compresibilidad (Cc ), que expresa la compresibilidad de una muestra. c) La presión de preconsolidación (Pc ), que indica la máxima presión que ha soportado el suelo en su historia geológica.

2. EQUIPO NECESARIO a) Molde del consolidómetro, de sección igual a 100 cm2 , el cual está compuesto por:     

Base de bronce con canales para permitir el drenaje del agua. Anillo de bronce que contiene la muestra de arcilla saturada. Anillo de bronce, de sujeción, que vincula la base con el que contiene la muestra mediante tornillos. Tornillos de fijación y juntas de goma para sellar las uniones. Tubos laterales que se comunican a través de los canales de la base con la piedra porosa inferior.

b) Juego de dos piedras porosas. c) Papel de filtro para ser utilizado entre la muestra de suelo y la piedra porosa.

d) e) f) g) h) i)

Cabezal de carga. Mecanismo de transmisión de carga a palancas. Extensiómetro con precisión 0,001¨. Balanza de laboratorio sensibilidad 0,01 gr. Horno de secado. Elementos menores (cuchillo o espátula cortante, probeta, pesafiltros, etc.).

3. PROCEDIMIENTO a) Se coloca en el interior de la base del molde del consolidómetro la piedra porosa inferior y sobre ésta un papel de filtro. b) Luego se introduce el anillo que contiene la muestra de suelo a ensayar, colocándose sobre la muestra papel de filtro y la piedra porosa superior. c) Posteriormente se fija con los tornillos correspondientes el anillo de sujeción de la piedra porosa superior, el que permite mantener agua sobre la muestra, para evitar pérdida de humedad por evaporación. Para prevenir que las piedras porosas tomen humedad de la muestra, deben estar libres de aire entrampado antes de montar la unidad. Es importante centrar correctamente las piedras porosas para prevenir el atascamiento contra el anillo durante la prueba. d) Después de armado, el consolidómetro se asienta sobre la plataforma del mecanismo de transmisión de cargas, ubicando el cabezal de carga sobre la piedra porosa superior, y se llenan de agua los tubos laterales que comunican con la piedra porosa inferior, comenzando la saturación de la muestra. e) Cuando está preparado para iniciar el ensayo, el extensiómetro para medir las deformaciones verticales debe ser puesto en cero, y la palanca de aplicación de carga debe estar en posición horizontal. f) Se aplica una carga en el sistema de tal manera de obtener una presión de 0,10 o 0,25 Kg/ cm2 (10 o 25 KPa) en la muestra de suelo y se comienza a tomar lecturas de tiempo y deformaciones verticales, para conocer la deformación correspondiente a distintos tiempos. Es útil utilizar la siguiente secuencia: 8 seg, 15 seg, 30 seg, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min, 1 hs, 2 hs, 4 hs, 8hs, 16 hs, 24 hs, etc. Cabe recordar que la barra de suspensión frontal tiene una multiplicación mecánica de 1 a 40, mientras que la barra de suspensión posterior tiene una relación de 1 a 10. Las mediciones se realizan hasta que la velocidad de deformación se reduzca prácticamente a cero, o sea cuando se haya sobrepasado la consolidación primaria y se encuentra la consolidación secundaria, lo que podrá determinarse en los gráficos de consolidación, realizados durante la ejecución del mismo. Para la mayoría de las arcillas el período necesario de aplicación de la carga para obtener el cien por ciento de consolidación es de 24 hs. g) Luego de obtenida la lectura final de un escalón, se prosigue el ensayo aplicando cargas en una progresión geométrica con una relación incremental P/P=1, registrándose lecturas de tiempo y de deformaciones verticales como en el punto anterior. Se sigue aplicando incrementos de carga hasta que en la gráfica de compresibilidad se esté en el tramo recto o virgen. Luego se podrá descargar en dos o tres decrementos de carga hasta la presión inicial. h) Posteriormente se recargará hasta llegar a una presión superior a la lograda en la etapa de carga, de manera de ingresar a la prolongación del tramo virgen correspondiente al primer ciclo de carga. i) Luego de retirada toda la carga, se deja que la muestra expanda hasta que no se registre expansión en el extensiómetro por un período de 24 hs. j) Al terminar la prueba, se quita el extensiómetro y se desarma el consolidómetro. Se seca el agua del anillo de consolidación y de la superficie de la muestra, para registrar el peso del conjunto. Luego de secado en horno se conoce el peso seco de la muestra (W d ), con lo que se puede calcular peso específico seco final (d ).

4. CÁLCULOS Y REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Una vez colocada la muestra en el anillo del consolidómetro, se pesa el conjunto, y como el peso del anillo es conocido, se puede determinar el peso húmedo de la muestra (W h). Calculando previamente la humedad de la muestra, se puede obtener el peso seco (W d) y con ello la altura de sólidos (hs) y el peso específico seco inicial (d), utilizando las siguientes expresiones:

Donde: Wd = peso del suelo seco en el anillo. A= sección del anillo. Gs = peso específico relativo de los sólidos. γω= peso específico del agua. V = volumen del anillo. Luego es posible calcular para cada escalón la altura de la probeta (Hi), y la altura de vacíos (hvi), por medio de las siguientes expresiones:

Donde: Hi = altura final de la probeta para un escalón de carga. H0 = altura inicial de la probeta. δi = asentamiento final para un escalón de carga. hvi = altura de vacíos para un escalón de carga. hs = altura de sólidos de la probeta. Con esto es posible calcular la relación de vacíos para cada escalón de carga (ei):

CURVA DE CONSOLIDACIÓN Con los datos registrados para cada escalón de carga, se traza la curva de consolidación, en la que se puede representar en abscisas el log t o √t , y en ordenada la lectura del extensómetro que mide la deformación vertical de la muestra. CURVA DE COMPRESIBILIDAD Para cada incremento de carga aplicado se tiene finalmente un valor de relación de vacíos y otro de presión correspondiente, actuante sobre el espécimen. De todo el ensayo de consolidación, una vez aplicados todos los incrementos de carga, se tienen valores que permiten construir una curva en cuyas abscisas se representan los valores de la presión actuante, en escala logarítmica y en ordenadas se anotan los correspondientes valores de la relación de vacíos en escala natural.

COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN (cv) Para el cálculo del coeficiente de consolidación, en cada escalón de carga, se utiliza la expresión:

Donde: T = es el factor tiempo, cuyo valor es 0,197 para un tiempo de consolidación del 50 %, y 0,848 para un t=90%. H = longitud para el máximo camino de drenaje durante un incremento de carga dado. Si la muestra es doblemente drenada, el valor de H será la mitad de la altura de la misma. t = tiempo para el correspondiente factor de tiempo, obtenido de la curva de consolidación. ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD (Cc) En la curva de compresibilidad, se distinguen tres tramos bien diferenciados: la rama de recomprensión, la rama virgen y la rama de descarga. En el tramo recto o virgen, la variación del índice de vacíos es lineal con el logaritmo de las tensiones aplicadas, es por ello que se puede determinar la pendiente de esta recta, denominada índice de compresión (Cc), utilizando la siguiente expresión:

Donde: ei = relación de vacíos para un estado. Pi = presión transmitida al suelo para un estado. De igual modo, en la rama de descarga se puede obtener el índice de expansión Cs como:

Es de resaltar que la inclinación de la curva de compresibilidad, es una medida de la compresibilidad de la arcilla. La pendiente del tramo de curva que se encuentra por debajo de la carga de preconsolidación, es menor que la pendiente del tramo virgen. CARGA DE PRECONSOLIDACIÓN De la curva de compresibilidad, se puede observar que cuando se realiza la recarga por encima de las presiones alcanzadas durante la carga inicial, la línea recta de recompresión es paralela a la rama de carga. Si se compara la curva de recarga con la curva de carga de una muestra inalterada de una arcilla depositada naturalmente, se nota la gran similitud existente. Casagrande propuso un método empírico para la determinación gráfica de la carga de preconsolidación, denominándose así a la mayor presión posible bajo la cual se consolidó la muestra durante su pasado geológico. El método consiste en: a) Se traza una tangente por el punto de mayor curvatura de la curva. b) Por ese punto de tangencia se traza una línea horizontal. c) Se traza la bisectriz del ángulo formado por la tangente y la línea horizontal. d) Se prolonga la recta virgen hasta interceptar la bisectriz. e) En el punto de intercepción del tramo recto y la bisectriz se traza una vertical que permite leer en el eje de las abscisas el valor de la carga de preconsolidación.

CIMENTACIONES SUPERFICIALES Las Cimentaciones Superficiales reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las diferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura; de no ser así, se harán Cimentaciones Profundas. Debe considerarse como posible que en un mismo solar se encuentren distintos tipos de terreno para una misma edificación; ésto puede provocar asientos diferenciales peligrosos aunque los valores de los asientos totales den como admisibles. Existen varios tipos de Cimentaciones Superficiales, los cuales se detallan a continuación: a) Cimentaciones ciclópeas. b) Zapatas.  Zapatas aisladas.  Zapatas corridas.  Zapatas combinadas. c) Losas de cimentación. a) Cimentaciones ciclópeas: En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con paramentos verticales y sin desprendimientos de tierra, el cimiento de concreto ciclópeo es sencillo y económico. Su construcción consiste en ir rellenando la zanja con piedras de diferentes tamaños al tiempo que se vierte la mezcla de concreto, procurando mezclarlo perfectamente, de tal forma que se evite la continuidad en sus juntas. b) Zapatas:  Zapatas aisladas: son un tipo de cimentación superficial que sirve de base de elementos estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la carga que le transmite. El término zapata aislada se debe a que se usa para asentar un único pilar, de ahí el nombre de aislada. Es el tipo de zapata más simple, aunque cuando el momento flector en la base del pilar es excesivo no son adecuadas y en su lugar deben emplearse zapatas combinadas o zapatas corridas en las que se asienten más de un pilar

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Zapatas corridas: Las zapatas corridas se emplean para cimentar muros portantes, o hileras de pilares. Estructuralmente funcionan como viga flotante que recibe cargas lineales o puntuales separadas. Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección transversal. Están indicadas como cimentación de un elemento estructural longitudinalmente continuo, como un muro, en el que pretendemos los asientos en el terreno.

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Zapatas combinadas: es un elemento que sirve de cimentación para dos o más pilares. En principio las zapatas aisladas sacan provecho de que diferentes pilares tienen diferentes momentos flectores. Si estos se combinan en un único elemento de cimentación, el resultado puede ser un elemento más estabilizado y sometido a un menor momento resultante.

c) Losas de cimentación: es una placa flotante apoyada directamente sobre el terreno. Como losa está sometida principalmente a esfuerzos de flexión. El espesor de la losa será proporcional a los momentos flectores actuantes sobre la misma.

CIMENTACIONES PROFUNDAS Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el terreno. Deben ubicarse más profundamente, para poder distribuir sobre una gran área, un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos utilizados en cimentaciones profundas son: a) Pilotes. b) Pantallas.  Pantallas isostáticas.  Pantallas hiperestáticas. a) Pilotes: es un elemento constructivo utilizado para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una

profundidad tal que hace inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante zapatas o losas. Tiene forma de columna colocada en vertical en el interior del terreno sobre la que se apoya el elemento que le trasmite las cargas. b) Pantallas: Son muros verticales profundos que soportan las presiones del terreno; por tanto, es necesario anclar el muro a dicho terreno. Tipos de pantallas:  Pantallas isostáticas: con una línea de anclajes  Pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.

ESTABILIDAD DE TALUDES El principal problema que se plantea a la hora de proyectar cualquier tipo de explanación es asegurar la estabilidad de sus taludes, ya que las características resistentes de ese suelo de nada servirán si se producen continuos deslizamientos que pongan en peligro la funcionalidad de la carretera a la que sirven de soporte. Parece claro que la estabilidad de un talud depende tanto de su geometría - pendiente y altura- como de las características intrínsecas del propio suelo que lo forma - ángulo de rozamiento interno y cohesión - y que definen su resistencia a cizalla. En este sentido, un suelo sin cohesión -por ejemplo, una arena limpia y seca - será estable siempre y cuando su ángulo de rozamiento interno (𝜑) sea superior al ángulo que forma el talud con la horizontal (𝛽). En suelos cohesivos este valor aumenta, dado que a la fuerza de rozamiento interno que se opone al movimiento se suma la producida por la cohesión entre las partículas del suelo. MODELOS DE DESLIZAMIENTO: El deslizamiento de un talud se produce por la rotura y posterior desplazamiento de una cuna de suelo a lo largo de un piano de debilidad, lo que ocasiona un desmoronamiento total o parcial de dicho talud. Las causas que producen este deslizamiento son muy diversas filtraciones de agua, vibraciones, socavaciones...- lo que hace difícil su encuadre analítico. El ingeniero sueco Pettersson, tras estudiar con detenimiento este problema, concluyo que el deslizamiento de un suelo se produce a lo largo de una superficie de curvatura variable, que posteriormente asimilo a un arco de circunferencia dada su mayor simplicidad de cálculo. En honor a la nacionalidad de su descubridor, estas superficies de rotura reciben el nombre de círculos suecos. Este modelo general de rotura presenta diversos matices en función del tipo de suelo y de la geometría del talud, pudiéndose distinguir los siguientes casos: a) Círculo superficial de pie: La superficie de deslizamiento pasa por el pie del talud, siendo este el punto más bajo de la misma. Este tipo de rotura se produce en suelos con alto ángulo de rozamiento interno -gravas y arenas fundamentalmente- o en taludes muy inclinados (valores de 𝛽 altos).

b) Círculo profundo: En este caso, la superficie de rotura pasa por debajo del pie del talud. Se da con asiduidad en taludes tendidos -valores de p bajos- o formados por suelos de bajo rozamiento interno, como arcillas y limos.

c) Círculo profundo de pie: Al igual que ocurría en el primer caso, la superficie de deslizamiento intersecta con el pie del talud, aunque en esta ocasión no se trata de su punto más bajo. Se plantea como una situación intermedia entre las dos anteriores.

d) Círculo condicionado: La presencia de estratos más duros o de diversos elementos resistentes -muros, pilotes, edificaciones, rellenos, etc.- en las proximidades del talud condiciona la magnitud y profundidad de la superficie de rotura.

Los anteriores supuestos tienen aplicación únicamente en el caso de que el terreno sea homogéneo. En el caso de que presente heterogeneidades en su seno, será preciso recurrir a otros modelos más complejos, que emplean métodos discretos de cálculo basados en elementos finitos. MÉTODOS DE CÁLCULO: Una vez analizado el proceso de rotura de un talud, el siguiente paso es cuantificarlo, de forma que podamos hacernos una idea de cómo deberán diseñarse los taludes de desmonte y terraplén para que estos sean estables. Para efectuar este análisis cuantitativo existen diversos métodos de cálculo -la mayoría de ellos de origen semiempírico- que tratan de relacionar las características del suelo con las solicitaciones a las que este se ve sometido. De entre ellos, destaca por su simplicidad, racionalidad y validez didáctica el método de Fellenius, posteriormente tabulado por Taylor. MÉTODO DE FELLENIUS: Este método de cálculo se basa en la aplicación directa de los fundamentos de la Mecánica Racional clásica. Para ello, Fellenius divide la supuesta cuna de deslizamiento en

rebanadas, estudiando el estado de fuerzas en cada una de ellas. La condición de equilibrio de cada rebanada vendrá dada por la superioridad de las fuerzas estabilizadoras sobre las desestabilizadoras en la superficie de deslizamiento: Fuerzas estabilizadoras (S) > Fuerzas desestabilizadoras (T) Las fuerzas estabilizadoras (S) están compuestas por las fuerzas de cohesión y rozamiento interno del terreno: 𝑆 = 𝐹𝑅 + 𝐹𝐶 ∆𝑥 𝑆 = 𝑃 ∗ cos 𝛼 ∗ tan 𝜑 + 𝑐 ∗ cos 𝛼 Donde: P: es la carga sobre la superficie de rotura (𝑃 = 𝑊 + 𝑞 ∗ ∆𝑥, siendo W el peso de la cuña de tierra y q la sobrecarga de uso) 𝜶: es el ángulo que forma la superficie de rotura con la horizontal 𝝋: es el ángulo de rozamiento interno del terreno c: es la cohesión del mismo ∆𝒙: es el grosor de la rebanada Las fuerzas desestabilizadoras (T) se identifican con la componente tangencial de las cargas sobre la superficie de rotura: 𝑇 = 𝑃 ∗ sin 𝛼 𝑇 = (𝑊 + 𝑞 ∗ ∆𝑥) ∗ sin 𝛼 𝑇 = (𝛾 ∗ 𝐴 + 𝑞 ∗ ∆𝑥) ∗ sin 𝛼 Donde: 𝜸: es el peso específico del suelo A: es la superficie de la cuna de terreno que forma la rebanada

Estado de fuerzas actuantes en una rebanada de terreno. Este método supone que las fuerzas de interacción entre rebanadas (Xi, Yi) no influyen de manera significativa en la sección de cálculo, ya que o bien son de pequeña magnitud o bien se anulan casi totalmente entre ellas; este hecho no es del todo cierto en determinados casos donde existen cargas no uniformes sobre el terreno. Aunque es muy recomendable, no siempre es posible conocer directamente las características físicas y mecánicas del suelo (𝛾, c, 𝜑) para comprobar su estabilidad.

La siguiente tabla recoge estos valores para cada tipo genérico de suelo:

La evaluación del grado de estabilidad de cada rebanada se realiza aplicando el concepto de coeficiente de seguridad al deslizamiento (F), definido como el cociente entre las fuerzas a favor y en contra del deslizamiento: 𝑆 𝐹= 𝑇 ∆𝑥 𝑃 ∗ cos 𝛼 ∗ tan 𝜑 + 𝑐 ∗ cos 𝛼 𝐹= 𝑃 ∗ sin 𝛼 Un factor que puede afectar negativamente a la estabilidad de un talud es la presión intersticial (u) producida por la presencia de agua infiltrada en el terreno. La influencia se hace patente en la disminución de las fuerzas estabilizadoras, con lo que la ecuación de estabilidad de Fellenius queda del siguiente modo: ∆𝑥 (𝑃 ∗ cos 𝛼 + 𝑢 ∗ ∆𝑥) ∗ tan 𝜑 + 𝑐 ∗ cos 𝛼 𝐹= 𝑃 ∗ sin 𝛼

De la anterior expresión, se deduce que la presión intersticial es una fuerza que afecta a la superficie de deslizamiento, disminuyendo el efecto de fricción entre la cuna de terreno suprayacente y dicha superficie de contacto. Uno de los mayores problemas que encuentra el proyectista es dar una estimación fiable del valor de esta supresión. El método de Fellenius radica en hallar el coeficiente de seguridad global, correspondiente a la totalidad del terreno supuestamente movilizado. La superficie de deslizamiento más aproximada a la realidad -denominada círculo crítico- será aquella que presente un menor valor de dicho coeficiente:

𝐹 = ∑ 𝐹𝑖 ∑(𝑃𝑖 ∗ cos 𝛼𝑖 + 𝑢𝑖 ∗ ∆𝑥𝑖 ) ∗ tan 𝜑 + 𝑐 ∗ 𝐹=

∆𝑥𝑖 cos 𝛼𝑖

𝑃 ∗ sin 𝛼𝑖

Dada la incertidumbre del método, es normal adoptar valores mínimos de F de entre 1.25 y 1.80, siendo 1.50 el valor más habitual. De este modo, cualquier talud cuyo círculo crítico presente un valor de F inferior al mínimo exigido será considerado inestable. Ábaco de Taylor: El anterior método de cálculo tiene el gran inconveniente de ser largo y tedioso de calcular manualmente, corriendo el riesgo de cometer equivocaciones dado el gran número de cálculos iterativos necesarios.

Basándose en dicho método, Taylor se armó de paciencia y confeccionó un ábaco que permite determinar la máxima inclinación posible del talud (𝜶) en función de su altura (H), cohesión (c), ángulo de rozamiento interno (𝝋), peso específico (𝜸) y del coeficiente de seguridad (F) exigido. Para dotar de una mayor sencillez y funcionalidad a esta herramienta de cálculo, ideó el llamado número de estabilidad (N), definido por la siguiente expresión adimensional: 𝑁=

𝑐 𝛾∗𝐻∗𝐹

Donde: c: es la cohesión en T/m2 𝜸: es el peso específico del terreno en T/m3 H: es la altura del talud en m. F: es el coeficiente de seguridad al deslizamiento Si fijamos ciertos valores en la anterior expresión -lo normal es conocer el peso específico, el ángulo de rozamiento interno, la cohesión y el coeficiente de seguridad- podemos hallar la altura máxima que puede alcanzar el talud para distintos valores de su pendiente. Debe recalcarse que esta altura crítica está directamente relacionada la carga vertical, compuesta no solo por con el volumen de tierras, sino también por las sobrecargas muertas y de uso que posea dicho talud.