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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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
En cada incremento de carga se hacen lecturas en el extensmetro
para conocer las deformacin
correspondiente a diferentes tiempos.
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
4. ANALOGA MECNICA DE TERZAGHI
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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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MECNICA DE SUELOS II
Serie de cilindros:
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ESTRUCTURA DEL SUELO
AGUA INTERSTICIAL
CANALICULOS
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
5. ESTUDIO DE LAS PRESIONES EN EL SUELO
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
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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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN ESTRATO SUPERFICIAL DE SUELO
HOMOGNEO Y COMPRESIBLE, CON N.F. EN LA FRONTERA SUPERIOR.
b) Suelo con carga externa, en un tiempo t = 0.
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN ESTRATO SUPERFICIAL DE SUELO
HOMOGNEO Y COMPRESIBLE, CON N.F. EN LA FRONTERA SUPERIOR.
c) Suelo con carga externa, en un tiempo t = t.
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN ESTRATO SUPERFICIAL DE SUELO
HOMOGNEO Y COMPRESIBLE, CON N.F. EN LA FRONTERA SUPERIOR.
d) Suelo con carga externa, en un tiempo t = .
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Cap. II.- EL FENOMENO DE LA CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DE
SUELOS
MECNICA DE SUELOS II
Si p = o: normalmente consolidado Si p > o:
sobreconsolidado
METODO DE CASAGRANDE
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