GEOTECNIA I Año Académico 2016-2017 Dr. Lorenzo Borselli Instituto de Geología Fac. De Ingeniería, UASLP [email protected] www.lorenzo-borselli.eu

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Geotecnia I (2016/2017) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli

Parte V teoría y practica de la consolidación

Objetivo: fundamentos de la teoría de la consolidación de Terzaghi(1943) con las aplicaciones para el cálculo de las cargas aplicadas al suelo. Las pruebas de laboratorio y su interpretación. Ámbito de aplicación : diseño de la cimentación , calculo de hundimiento y fenómenos de subsidencia. Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Uno de los problemas mas difíciles en ingeniería geotécnica es seguramente las predicción de los asentamientos de una cimentación cargada. El problema tienes dos elementos: 1) La evaluación de la cantidad de asentamientos 2) La velocidad y el tiempo para llegar esto valor de asentamientos Cuando el suelo es sujeto a un stress debido a una cimentación cargada hay tres tipos de asentamientos : Elástico; consolidación primaria; consolidación secundaria .

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Fases de asentamientos de una área (cimentación) cargada. Cuando el suelo es sujeto a un stress debido a una cimentación cargada hay tres tipos de asentamientos : Elástico; consolidación primaria; consolidación secundaria .

Fases: 1 Asentamiento elástico

2 Asentamiento por consolidación primaria

3

Asentamiento pro consolidación secundaria

Tiempo

Inmediato (horas o días) En cualquier tipo de terreno (gruesos y finos) Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

Años En suelos a media y baja permeabilidad Generalmente en suelos Finos

Siglos En suelos a media y baja permeabilidad Generalmente en suelos Finos

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Asentamientos: definiciones. Asentamiento elástico o inmediato

La compresión ocurre de inmediato después la aplicación de la carga. Movimiento vertical debido a la deformación (vertical) elástica del medio poroso. En esto tipo de asentamiento La deformación elástica vertical es preeminente A otra deformación (ej. Horizontal)

Asentamiento por consolidación primaria (en suelos saturos) El incremento de carga , debido a la compresión y deformación elástica, crea un incremento de presión hidrostática en el medio poroso. Esto exceso de presión de poro puede reducirse en el tiempo debido a una expulsión gradual de agua. La expulsión de agua produce un cambio de volumen que es dependiente del tiempo (teoría de Terzaghi 1943 .. Ver mas adelante) Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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asentamiento inmediato o elástico

L

Asentamiento elástico Debajo de cimentación Arriba de estrato Semi-infinito

B

centro

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esquina

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P=240 kPa 2m

2m L=32m

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B=18m

q=240-20x2=200 kPa

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D H

B Non compresible

Calculo de asentamiento elástico debajo de una cimentación elástica Arriba de uno estrato finido elástico. Método Janbu 1956

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D H

Ejemplo de calculo con metod Janbu B

Non compresible

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Metodo steibrenner

F1 F2

D

B Non compresible

Calculo de asentamiento elástico debajo de una cimentación elástica arriba de uno estrato finido elástico. Método Steinbrenner 1934 Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Asentamiento per consolidación primaria (en suelos finos , saturos ) El incremento de carga , con las compresión y deformación elástica, crea un incremento de presión hidrostática en el medio poroso. Esto exceso de presión de poro puede ser reducido en el tiempo Con una expulsión gradual de agua . La expulsión de agua produce un cambio de volumen que es dependiente del tiempo. Esto proceso requiere a veces años para ser completado… (teoría de Terzaghi 1943)

Incremento de presión de poros Tras la aplicación del la carga Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Modelo analógico de Terzaghi del proceso de consolidación La válvula regla la tasa de expulsión del agua y el Transferencia de la carga a un sistema de resortes che se comprime. Si no hay expulsión de agua el sistema es Incompresible.

Evolución en le tiempo de la Presión de poros y transferencia de la carga adicional como Incremento neto de la presión eficaz

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Modelo analógico de consolidación de Terzaghi … mas en detalle..

• Material en la muestra es uniforme • Partículas solida y moléculas de agua son incompresible • Flujo e deformación uni-dimensional • Espacio poroso todo saturado • Es valida la ley de Darcy • Permeabilidad constante en todas la direcciones • Compresibilidad linear del suelo Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

En el modelo analógico la Válvula equivale al coeficiente de permeabilidad K de la ley de Darcy Supuestos básicos del modelo de consolidación de Terzaghi

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Evolución en el tiempo de la presión intersticial

arena

arcilla arena

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Evolución en el tiempo de la presión intersticial

http://nptel.ac.in/courses/105103097/41

t=0

t=>0

t=infinito

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Ensayo de consolidación en laboratorio uso y interpretaciones. 1) La muestra de suelo se coloca entre dos piedras porosas y dentro de un recipiente lleno de agua 2) se aplica una carga constante 3) Se mide la deformación vertical de la muestra

4) Se mide la deformación bajo del tiempo 5) Se tabulan los resultados 6) Se interpreta la prueba 7) Se calculan los parámetros De consolidación Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Equipo de laboratorio para ensayo de consolidacion

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Equipo de laboratorio para ensayo de consolidacion

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Determinación de índice e durante la prueba

Y donde hay que:

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Consolidacion en 3D

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Interpretación y parámetros prueba de consolidacion edometrica

Calculo de indice de vacios

Curva indice de vacios vs. Stress efectivo: • Se usan pasos de carga a partir da el stress efectivo en la profundidad donde se tomó la muestra . • Incremento de carga cada cada 24-48 hrs Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Ejemplo de calculo de mv Coeficiente de compresibilidad volumétrica

Calculo directo de asentamiento :

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En un estrato homogéneo el proceso de consolidación natural Produce un incremento de rigidez con la profundidad que corresponde a valores mas bajos de mv y de e0

m v > mv A

B

Y

e >e 0A

0B

Porqué en le punto B actúa una presión de consolidación mas alta que en punto A .

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efecto resultante non linear del valore de mv con la presión de consolidación aplicada

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(m2/kN)

< 0.00005

0.0001-0.0003

0.0003-0.0015

Compresibilidad creciente

0.00005-0.0001

>0.0015

intervalos de valores de mv por varios tipo de suelos Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Uso de mv Cs calculo asentamientos para consolidación primaria

Método mv:

DH = mv DsH (m) Ds

mv (m2/kN) Ds (kN/m2) H (m) DH (m) = asientamento total Ds

DH H1

H

Condición inicial

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Condición final

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Sobra-consolidación: definiciones y significado geológico Fase 1 – deposición sedimentos Y consolidación natural bajo carga de espesor h1

h1

Fase 2 – erosión sedimentos y carga actual de espesor h2< h1 h2

Hay caso frecuente de sedimento y suelos que fueron expuestos a una carga de consolidación natural mayor de la que se encuentra hoy mismo.. Entonces estsos fueron sobraconsolidados Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Sobra-consolidación: definiciones y significado geológico

OCR =

s 'c = Grado de sobra-consolidación s 'V o

s 'c = Presión de sobra-consolidación historica s 'V = Presión actual natural

sedimentación

o

[1]

[2]

Fase 1 Sedimentación y e consolidación natural de los sedimentos

dzA A

s 'c

dzB Dz A

B

s 'c

s 'c  s 'V ; OCR = o

B

s 'c  [1.0,10.0] s 'V o

[1]

dzA A

[2]

dzB

s 'V

0A

B

s 'V

0B

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Erosión Fase 2 Erosión Y presencia de terrenos en profundidad que se consolidaron a presión mayor de la actual

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El OCR no es constante con la profundidad y los valores mas alto se encuentran acerca de la superficie

Proceso de consolidación y evolución del Índice de vacíos Hay un ramo de carga (sedimentación) (puntos 1-2-3-4) y uno de descarga (erosión) (puntos 3’ y 2’) Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

e.

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Determinación del grado de sobra-consolidacion

Ensayo de consolidación Representación de los resultados en forma semilogaritmica

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Como calcular

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s 'p

Metodo de Casagrande 1) Identificar el punto con máxima curvatura (punto a) 2) Trazar la tangente en punto a Recta a-c 3) Trazar la recta horizontal por a Recta a-b 4) Trazar la recta bisector a-d entre recta a-b y a-c 5)Dibujar la recta h-g como aproximación de parte final de la curva de compresión 6) La abscisa en el punto f de intersección de la rectas a-d y la prolongación de g-h es la presión de sobraconsolidación

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Otros parámetros da ensayo de consolidacion

Cc = coeficiente de compresión (se usa para OCR 1.5) Versión 1.7 Last update 08 -10-2016

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Cc : Correlacion empíricas por suelos arcillosos Skempton (1944)

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Uso de mv y Cc y Cs calculo asentamientos para consolidación primaria Método mv

DH = mv DsH (m) mv (in m2/kN) Ds (in kN/m2) H (in m)

Ds

DH H

Método Cc , Cs 1) Evaluar OCR 2) Por suelos normalmente consolidados (OCR