ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

Transcripción

1 ÍNDICE Página 1. INTRODUCCIÓN 2 2. RELACIÓN TENSIÓN-DEFORMACIÓN CON DRENAJE 3 3. SUELOS NORMALMENTE CONSOLIDADOS Y SOBRECONSOLIDADOS 4 4. COMPRESIBILIDAD DE LAS ARCILLAS NORMALMENTE CONSOLIDADAS 5 5. MÓDULO EDOMÉTRICO COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA ASIENTOS COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN RELACIÓN TIEMPO-GRADO DE CONSOLIDACIÓN 9 6. CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA ENSAYO EDOMÉTRICO 12 AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 1 de 13

2 1. INTRODUCCIÓN Es conocido que algunas cimentaciones superficiales apoyadas sobre terrenos blandos sufren grandes asientos e incluso hundimiento. Desde antiguamente se vio la necesidad de cimentar salvando esas capas superficiales de terreno blando, con pilotes o pozos. Si la capa de terreno blando (generalmente arcillas blandas) se encuentra debajo de otra capa de terreno granular las consecuencias no son tan fáciles de prever. A estos terrenos se los llama confinados, en los que se el rozamiento y adherencia en los bordes impide el desplazamiento lateral. Por eso en los ensayos se limita el desplazamiento lateral, para asemejarse al comportamiento real. La compresibilidad se basa en el estudio de las variaciones de dimensión del suelo (generalmente de altura) en función de las cargas o esfuerzos aplicados en el suelo. Este estudio se realiza principalmente para arcillas o suelos arcillosos, y en un estado de saturación. Cuando el incremento de carga es asumido por el conjunto agua-suelo, la presión intersticial varía obligando al agua a moverse a través del suelo hasta disipar esta presión intersticial, por lo que se producen variaciones dependiendo del tiempo. La expulsión del agua de los poros, que permite el reajuste de las partículas sólidas en los huecos que han quedado vacíos, es la base del fenómeno de la consolidación. Si estas sobrepresiones intersticiales son positivas, y en consecuencia el suelo disminuye de volumen, el proceso se denomina consolidación. Si las sobrepresiones intersticiales son negativas, el suelo aumenta de volumen, el proceso se llama expansión. El estudio de la consolidación es similar al de la compresibilidad pero con una variable adicional en su estudio, el tiempo. AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 2 de 13

3 2. RELACIÓN TENSIÓN-DEFORMACIÓN CON DRENAJE El comportamiento de los suelos, especialmente los suelos blandos, y en concreto los arcillosos que pueden contener más agua, en relación al esfuerzo y la deformación que en ellos produce, es lo que se va a estudiar a continuación. Los suelos arcillosos son generalmente de origen sedimentario, partículas muy pequeñas que se han ido depositando y uniendo dejando huecos entre ellas, pudiendo calcular el índice de poros de equilibrio inicial (e1). Más tarde, con más peso propio por nuevas deposiciones, ese índice de poros disminuye (e2) al aumentar las tensiones efectivas ( σ ). Incluso sin existir un incremento de la tensión, el índice de huecos disminuye con el tiempo. En la siguiente gráfica se representa la relación entre el índice de huecos y el aumento de tensión. El aumento de tensión debido por ejemplo a la construcción de un edifico se representa en la línea 0-a. Continuando la carga constante a partir de ese punto, se observa una disminución de huecos a-b. Si existe una posterior descarga, en la gráfica se observa una curva de descarga b-c, también llamada den hinchamiento o entumecimiento. Podría incluso llegar a los valores de la tensión inicial, pero recorriendo otro camino en la gráfica. Se puede observar como la curva se encaja dentro de las llamadas curvas del tiempo, y se concluye que mantener una carga constante corresponde a envejecer el suelo. AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 3 de 13

4 3. SUELOS NORMALMENTE CONSOLIDADOS Y SOBRECONSOLIDADOS Los suelos sobre los que únicamente han actuado las tensiones debidas al peso del propio material, y que es la máxima que han soportado en su historia, se dice que están normalmente consolidados. Los suelos que han sido sometidos a uno o varios ciclos de carga, como en la figura anterior, se dice que son preconsolidados. En ellos la carga actual no es la máxima tensión a la que han sido sometidos. Líneas de consolidación Línea Ku: representa el proceso de comportamiento del suelo no remoldeado ni alterado. Línea Kr: representa el proceso de comportamiento de un suelo con una muestra reamasada. Estas líneas K sirven como base para el cálculo de asentamientos en las estructuras sobre estratos confinados de arcillas normalmente consolidadas. Además en las curvas edométricas, considerando las líneas Kr y los puntos representativos del estado de tensión de un suelo arcilloso, se puede, comparando su posición relativa, determinar si ese suelo es o no preconsolidado. AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 4 de 13

5 4. COMPRESIBILIDAD DE LAS ARCILLAS NORMALMENTE CONSOLIDADAS Las deformaciones que se producen en un estrato de arcilla al variar el estado de tensiones son de tres tipos: Primera deformación: se produce al instante de la aplicación de la carga, sin expulsión de agua (aún no ha habido tiempo para el escape), por lo tanto sin drenaje. Esto implica que la deformación se produce a volumen constante. Las deformaciones se producen en el interior de la masa. También conocida como asiento instantáneo, inicial o elástico. Segunda fase del proceso de asiento: varía el volumen por la expulsión de agua debido al incremento de la presión intersticial habiendo transcurrido un tiempo. Es diferida en el tiempo. También conocida como asiento de consolidación o diferido. Tercera fase de la deformación: debida a los esfuerzos cortantes. Se diferencian dos tipos, con y sin cambio de volumen, es función del tiempo, con fenómenos de reptación o flujo plástico (deformación del tipo viscoso). También conocida como asiento de consolidación secundaria. Suponiendo la ley de Hooke dentro de un intervalo [p 0, p 0+ p ], σ = E. ɛ Donde E= módulo de Young (módulo de deformación del suelo considerando este como elástico, y por lo tanto siendo aplicable para asientos instantáneos o a corto plazo). E = σ/ɛ AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 5 de 13

6 5. MÓDULO EDOMÉTRICO El módulo edométrico Em (E ) es un módulo de deformación del suelo confinado, hallado en el ensayo edométrico. En el ensayo edométrico la muestra se confina lateralmente, por lo que el suelo asienta menos que si se le somete a un ensayo de compresión simple. En por ello que el módulo edométrico Em será menor que el E elástico deducible de los ensayos de compresión simple o no confinado. La relación entre los módulos será: Es muy frecuente que los materiales tengan un coeficiente de Poisson de 0.33, por lo que la fórmula anterior queda reducida a: E = 2 3. Em Los valores del módulo edométrico Em oscilan entre: kn/m 2 para arenas muy densas. 100 kn/m 2 para fangos y limos muy blandos. Valores usuales del módulo de deformación E de distintos materiales: Acero: kg/cm 2 Hormigón: 2, kg/cm 2 Madera: kg/cm 2 Arena: kg/cm 2 Arcilla dura: kg/cm 2 Arcilla floja: 2 kg/cm 2 AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 6 de 13

7 5.1. COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA Siendo: Cc: Índice de compresibilidad e o: Índice de poros inicial σ o: presiones efectivas en el terreno antes de la sobrecarga. σ : incremento de carga (en efectiva) a la que se somete el suelo. Los valores estándar del índice de compresibilidad son: Para determinar el índice de compresibilidad de muestras alteradas, cuyo comportamiento se representa por la línea Kr. Diferentes autores han intentado obtener expresiones generales para las arcillas: Fórmula general: Cc = (w L 10%) Suelos españoles: Cc = (w L 16.4%) Siendo w L el límite líquido. En relación con el módulo edométrico, el coeficiente de compresibilidad volumétrica es la inversa. Em = 1 m v La relación entre el índice de compresibilidad y la disminución en el índice de huecos es la siguente, 5.2. ASIENTOS Sustituyendo en la ecuación de la línea K, tendremos una nueva forma de expresar el asiento de consolidación: AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 7 de 13

8 O directamente: Siendo Hi la altura del estrato de material estudiado. Cuando estudiamos una arcilla sobreconsolidada, debemos estudiar el grado de sobreconsolidación y en consecuencia usar diferentes fórmulas. Grado de sobreconsolidación. OCR = σ p σ o (preconsolidación) (actual) Si OCR <1 No está preconsolidada, la presión actual es la mayor a la que se ha sometido. Si OCR <1.5 La consideramos normalmente consolidada Si OCT >1.5 Arcilla preconsolidada Cuando está preconsolidada, debemos emplear otra formilación: Si σ o + σ σ p (preconsolidación) Cs. H s = log 1 + e 10 ( σ o + σ ) o Si σ o + σ > σ p (preconsolidación) Cs. H s = log 1 + e 10 ( σ P Cc. H o σ ) + log o 1 + e 10 ( σ o + σ o σ ) o σ o Siendo Cs el coeficiente de recompresión o hinchamiento. Cs = e logσ Cs 1 5 Cc AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 8 de 13

9 5.3. COEFICIENTE DE CONSOLIDADCIÓN Para cualquier arcilla es necesario un tiempo para alcanzar un grado de consolidación determinado. Este tiempo dependerá proporcionalmente del llamado coeficiente de consolidación. También expresable en función del módulo edométrico: 5.4. RELACIÓN TIEMPO-GRADO DE CONSOLIDACIÓN Se puede calcular el tiempo que tarda en producirse un porcentaje del asiento total según la siguiente fórmula: Siendo: T: factor de tiempo calculado en función del grado de consolidación. Tabla. Hd: espesor del terreno que drena hacia superficies permeables Cv: coeficiente de consolidación, ensayo edométricos (curva asiento-tiempo). Obteniendo T de la siguiente relación: AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 9 de 13

10 O bien mirando la siguiente tabla: AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 10 de 13

11 6. CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA La divergencia mayor entre teoría y realidad existe en la llamada deformación secundaria. Según la teoría, la curva, función del asiento y el tiempo, debería tender a una asíntota horizontal, pero la realidad no es así. 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 después de la consolidación primaria. Cα = e log(t) log (t0) Siendo normalmente del orden de: Cα = 0.05 Cc Los valores típicos de este índice son: Para el cálculo del asiento: La experiencia nos indica que en las arcillas normalmente consolidadas, el asentamiento secundario varía en las primeras décadas ente 3 y 12 mm/año. AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 11 de 13

12 7. ENSAYO EDOMÉTRICO El edómetro es un aparato que sirve para el estudio experimental de la compresibilidad de la arcilla. El primero fue ideado por Terzaghi, y medía el entumecimiento o hinchamiento, (la raíz de edómetro es griega oedos, la misma que edema, y significa hinchazón). Básicamente el ensayo de consolidación o edométrico consiste en experimentar con el edómetro del siguiente modo: en un recipiente metálico cilíndrico (célula) se coloca una muestra de suelo comprimida entre placas o membranas porosas, como caliza porosa, carborundo, o incluso bronce poroso. A continuación se va cargando en sentido vertical y, con unos comparadores, se miden las deformaciones. El ir cargando quiere decir que se van aplicando determinados escalones de carga, por ejemplo según la siguiente serie: 0, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 1, 4, 8 kg/cm2 (figura 3.14), y se van midiendo, para cada uno de ellos, las deformaciones verticales, o asientos, a diferentes tiempos: 10s, 15s, 30s, 1min., 2min., 5min., 1h, 2h,..., 24h. Excepcionalmente, para poder precisar los valores de las presiones de preconsolidación, es necesario cargar hasta presiones del orden de 20 kg/cm2. El motivo de estas medidas es lograr valores uniformemente repartidos de la escala logarítmica de t. Del ensayo se consiguen dos tipos de curvas: Curva edométrica, que relaciona e y logσ. Curva de consolidación, que relaciona e y t (o logt). AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 12 de 13

13 Con estas tablas se pueden calcular todos los parámetros necesarios para el cálculo de los asientos diferidos y de consolidación. AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 13 de 13