Consolidación de suelos

Consolidación del suelo se refiere al proceso mecánico mediante el cual el suelo cambia de volumen gradualmente en respuesta a un cambio de presión. Esto sucede porque el suelo es un material de tres fases, que comprende granos de suelo y fluido de los poros, generalmente agua subterránea. Cuando el suelo saturado con agua se somete a un aumento de presión, la alta rigidez volumétrica del agua en comparación con la matriz del suelo significa que el agua inicialmente absorbe todo el cambio de presión sin cambiar el volumen, creando un exceso de presión de agua en los poros. A medida que el agua se difunde lejos de las regiones de alta presión debido a la filtración, la matriz del suelo absorbe gradualmente el cambio de presión y reduce su volumen. Por tanto, el marco teórico de la consolidación está estrechamente relacionado con el concepto de tensión efectiva y conductividad hidráulica. Los primeros modelos teóricos modernos fueron propuestos hace un siglo, según dos enfoques diferentes, por Karl Terzaghi y Paul Fillunger. El modelo de Terzaghi es actualmente el más utilizado en la práctica de la ingeniería y se basa en la ecuación de difusión.

En sentido estricto, la "consolidación" se refiere estrictamente a esta respuesta volumétrica retardada al cambio de presión debido al movimiento gradual del agua. Algunas publicaciones también utilizan la función de "consolidación" en sentido amplio, para referirse a cualquier proceso por el cual el suelo cambia de volumen debido a un cambio en la presión aplicada. Esta definición más amplia abarca el concepto general de compactación, hundimiento y levantamiento del suelo. Algunos tipos de suelo, principalmente aquellos ricos en materia orgánica, muestran una fluencia significativa, por lo que el suelo cambia de volumen lentamente bajo tensión efectiva constante durante una escala de tiempo más larga que la consolidación debido a la difusión del agua. Para distinguir entre los dos mecanismos, la "consolidación primaria" se refiere a la consolidación debido a la disipación del exceso de presión del agua, mientras que la "consolidación secundaria" Se refiere al proceso de fluencia.

Los efectos de la consolidación son más notorios cuando un edificio se asienta sobre una capa de suelo con baja rigidez y baja permeabilidad, como arcilla marina, lo que lleva a un gran asentamiento durante muchos años. Los tipos de proyectos de construcción en los que la consolidación a menudo plantea riesgos técnicos incluyen la recuperación de tierras, la construcción de terraplenes y la excavación de túneles y sótanos en arcilla.

Los ingenieros geotécnicos utilizan odómetros para cuantificar los efectos de la consolidación. En una prueba de odómetro, se aplica una serie de presiones conocidas a un disco delgado de la muestra del suelo, y se registra el cambio de espesor de la muestra con el tiempo. Esto permite cuantificar las características de consolidación del suelo en términos del coeficiente de consolidación (${\displaystyle C_{v}$) y conductividad hidráulica (${\displaystyle K}$).

Las arcillas sufren asentamiento por consolidación no sólo por la acción de cargas externas (sobrecargas) sino también por su propio peso o por el peso de los suelos que existen por encima de la arcilla.

Las arcillas también sufren asentamiento cuando se deshidratan (bombeo de agua subterránea) porque aumenta la tensión efectiva sobre la arcilla.

Los suelos de grano grueso no sufren asentamiento por consolidación debido a una conductividad hidráulica relativamente alta en comparación con las arcillas. En cambio, los suelos de grano grueso sufren un asentamiento inmediato.

Los primeros modelos teóricos modernos para la consolidación de suelos fueron propuestos en la década de 1920 por Terzaghi y Fillunger, según dos enfoques sustancialmente diferentes. El primero se basó en ecuaciones de difusión en notación euleriana, mientras que el segundo consideró la ley local de Newton tanto para la fase líquida como para la sólida, en la que las principales variables, como la presión parcial, la porosidad, la velocidad local, etc., estaban involucradas a través de la mezcla. teoría. Terzaghi tuvo un enfoque ingenieril para el problema de la consolidación del suelo y proporcionó modelos simplificados que todavía se utilizan ampliamente en la práctica de la ingeniería hoy en día, mientras que, por otro lado, Fillunger tuvo un enfoque riguroso para los problemas anteriores y proporcionó modelos matemáticos rigurosos que prestaron especial atención. a los métodos de promediado local de las variables involucradas. El modelo de Fillunger era muy abstracto e involucraba variables difíciles de detectar experimentalmente, por lo que no era aplicable al estudio de casos reales por parte de ingenieros y/o diseñadores. Sin embargo, esto proporcionó la base para estudios teóricos avanzados de problemas particularmente complejos. Debido al diferente enfoque del problema de la consolidación por parte de los dos científicos, surgió entre ellos una amarga disputa científica que desafortunadamente llevó a un final trágico en 1937. Después del suicidio de Fillunger, sus resultados teóricos fueron olvidados durante décadas, mientras que los métodos propuestos de Terzaghi encontró amplia difusión entre científicos y profesionales. En las décadas siguientes, Biot desarrolló plenamente la teoría tridimensional de la consolidación del suelo, ampliando el modelo unidimensional previamente propuesto por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de poroelasticidad. Hoy en día, el modelo unidimensional de Terzaghis sigue siendo el más utilizado por los ingenieros por su sencillez conceptual y porque se basa en datos experimentales, como las pruebas de edómetro, que son relativamente simples, fiables y económicas y para las que se necesitan soluciones teóricas en forma cerrada. bien conocido. Según el "padre de la mecánica de suelos", Karl von Terzaghi, la consolidación es "cualquier proceso que implica una disminución del contenido de agua de un suelo saturado sin sustitución del agua por aire". De manera más general, la consolidación se refiere al proceso por el cual los suelos cambian de volumen en respuesta a un cambio de presión, abarcando tanto la compactación como el hinchamiento.

La consolidación es el proceso en el que se produce la reducción de volumen mediante la expulsión o absorción gradual de agua bajo cargas estáticas de largo plazo.

Cuando el estrés se aplica a un suelo, hace que las partículas del suelo se empaquen más estrechamente. Cuando esto ocurre en un suelo saturado con agua, el agua será exprimida del suelo. La magnitud de la consolidación se puede predecir por muchos métodos diferentes. En el método clásico desarrollado por Terzaghi, los suelos se prueban con una prueba de odómetro para determinar su compresibilidad. En la mayoría de las formulaciones teóricas, se asume una relación logarítmica entre el volumen de la muestra del suelo y el estrés efectivo llevado por las partículas del suelo. La constante de proporcionalidad (el cambio en la relación de vacío por orden de cambio de magnitud en el estrés efectivo) se conoce como el índice de compresión, dado el símbolo ${\displaystyle \lambda }$ cuando se calcula en logaritmo natural y ${\displaystyle C_{C}$ cuando se calcula en base-10 logarithm.

Esto se puede expresar en la siguiente ecuación, que se utiliza para estimar el cambio de volumen de una capa de suelo:

${\displaystyle \delta ¿Qué? {C_{c}{1+e_{0}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}}{\sigma _{z0}}}\derecha)\$

dónde

δ_c es el asentamiento debido a la consolidación.

C_c es el índice de compresión.

e₀ es la relación de vacío inicial.

H es la altura del suelo compresible.

σ_z es el estrés vertical final.

σ_z0 es el estrés vertical inicial.

Cuando se elimina el estrés de un suelo consolidado, el suelo reboteará, recuperando parte del volumen que había perdido en el proceso de consolidación. Si el estrés es reaplicado, el suelo se consolidará nuevamente a lo largo de una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. El gradiente de las líneas de hinchazón y recompresión en un diagrama de ratio de vacío contra el logaritmo de estrés eficaz a menudo idealizado para tomar el mismo valor, conocido como el "índice de hinchazón" (debido al símbolo ${\displaystyle \kappa }$ cuando se calcula en logaritmo natural y ${\displaystyle C_{S}$ cuando se calcula en base-10 logarithm).

C_c puede reemplazarse por C_r (el índice de recompresión) para su uso en suelos sobreconsolidados donde la tensión efectiva final es menor que la tensión de preconsolidación. Cuando la tensión efectiva final es mayor que la tensión previa a la consolidación, las dos ecuaciones deben usarse en combinación para modelar tanto la porción de recompresión como la porción de compresión virgen de los procesos de consolidación, de la siguiente manera:

${\displaystyle \delta ¿Qué? {C_{}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zc}}{\sigma _{z0}}}}}}\right)+{\frac} {\fnMicroc}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\justo}{\ {C_{c}{1+e_{0}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}}{\sigma _{zc}}}\derecha)\$

donde σ_zc es la tensión de preconsolidación del suelo.

Este método supone que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio se utilizan para construir una gráfica de la relación de deformación o vacíos versus la tensión efectiva donde el eje de la tensión efectiva está en una escala logarítmica. La pendiente del gráfico es el índice de compresión o el índice de recompresión. Entonces se puede determinar que la ecuación para el asentamiento por consolidación de un suelo normalmente consolidado es:

El suelo al que se le ha quitado la carga se considera "sobreconsolidado". Este es el caso de suelos que anteriormente han tenido glaciares o que han sido afectados por hundimientos del terreno. El estrés más alto al que ha sido sometido se denomina "estrés de preconsolidación". El "índice de sobreconsolidación" (OCR) se define como el estrés más alto experimentado dividido por el estrés actual. Se dice que un suelo que actualmente está experimentando su mayor estrés está "normalmente consolidado" y tiene un OCR de uno. Un suelo podría considerarse "subconsolidado" o "no consolidado" inmediatamente después de aplicar una nueva carga pero antes de que se haya disipado el exceso de presión de agua de poro. Ocasionalmente, los estratos del suelo formados por deposición natural en ríos y mares pueden existir en una densidad excepcionalmente baja que es imposible de lograr con un edómetro; este proceso se conoce como "consolidación intrínseca".

El proceso de consolidación a menudo se explica con un sistema idealizado compuesto por un manantial, un recipiente con un agujero en su tapa y agua. En este sistema, el manantial representa la compresibilidad o la estructura del suelo mismo, y el agua que llena el recipiente representa el agua de los poros del suelo.

1. El recipiente está completamente lleno de agua, y el agujero está cerrado. (Suelo totalmente saturado)
2. Una carga se aplica sobre la cubierta, mientras que el agujero sigue sin abrirse. En esta etapa, sólo el agua resiste la carga aplicada. (Development of excess pore water pressure)
3. Tan pronto como se abre el agujero, el agua comienza a drenar a través del agujero y el resorte se acorta. (Drainage of excess pore water pressure)
4. Después de algún tiempo, el drenaje del agua ya no ocurre. Ahora, sólo la primavera resiste la carga aplicada. (Disipación total de exceso de presión de agua poro. Fin de la consolidación)

Se puede predecir el momento en que se producirá la consolidación. A veces la consolidación puede llevar años. Esto es especialmente cierto en las arcillas saturadas porque su conductividad hidráulica es extremadamente baja y esto hace que el agua tarde un tiempo excepcionalmente largo en drenar del suelo. Mientras se produce el drenaje, la presión del agua de los poros es mayor de lo normal porque lleva parte de la tensión aplicada (a diferencia de las partículas del suelo).

${\displaystyle T_{v}={\frac {\fnK}} {\f}}}$

Donde T_v es el factor tiempo.

H_dr es el recorrido de drenaje promedio más largo durante la consolidación.

t es el tiempo en la medición

C_v se define como el coeficiente de consolidación encontrado utilizando el método logarítmico con

${\displaystyle C_{v}={\frac {T_{50}H_{dr} {2}{t_{50}} {}} {\c}} {\cH}}} {\c}}}}} {\c}}}}} {\cH}}}}} {\cH}}}}}}}}} {\c}}}}}}}}}}} {\c}} {}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

o el método raíz con

${\displaystyle C_{v}={\frac {T_{95}H_{dr} {2}{t_{95}} {}} {\c}} {\cH}}} {\c}}}} {\c}}}}} {\c}}}}}} {\c}}}}}} {\c}}}}}}}} {\c}}}}} {\c}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

t₅₀ tiempo para 50% de deformación (consolidación) y t₉₅ es 95%

Donde T₉₅=1,129 T₅₀=0,197

La formulación teórica anterior supone que el cambio de volumen dependiente del tiempo de una unidad de suelo sólo depende de los cambios en la tensión efectiva debido a la restauración gradual de la presión del agua intersticial en estado estacionario. Este es el caso de la mayoría de los tipos de arena y arcilla con bajas cantidades de materia orgánica. Sin embargo, en suelos con una gran cantidad de materia orgánica como la turba, también se produce el fenómeno de fluencia, por el cual el suelo cambia de volumen gradualmente bajo una tensión efectiva constante. La fluencia del suelo generalmente es causada por el comportamiento viscoso del sistema arcilla-agua y la compresión de la materia orgánica.

Este proceso de fluencia a veces se conoce como "consolidación secundaria" o "compresión secundaria" porque también implica un cambio gradual del volumen del suelo en respuesta a una aplicación de carga; la designación "secundaria" lo distingue de la "consolidación primaria", que se refiere al cambio de volumen debido a la disipación del exceso de presión del agua de los poros. La fluencia suele tener lugar en una escala de tiempo más larga que la consolidación (primaria), de modo que incluso después de la restauración de la presión hidrostática se produce cierta compresión del suelo a un ritmo lento.

Analíticamente, se supone que la tasa de fluencia disminuye exponencialmente con el tiempo desde la aplicación de la carga, lo que da la fórmula:

${\displaystyle S_{s}={\frac {H_{0}{1+e_{0}}}C_{a}\log \left({\frac} Bueno... }$

Donde H₀ es la altura del medio de consolidación
e₀ es la proporción de vacíos inicial
C_a es el índice de compresión secundario
t es el período de tiempo considerado después de la consolidación
t₉₅ es el tiempo necesario para lograr una consolidación del 95%

Coeficiente de compresión ${\displaystyle A_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma ♪♪$. La compresibilidad de los especímenes saturados de minerales de arcilla aumenta en el orden kaolinite. El índice de compresión Cc, que se define como el cambio de la relación de vacío por 10 veces aumento de la presión de consolidación, está en el rango de 0.19 a 0.28 para kaolinite, 0,50 a 1.10 para analista, y 1.0 a 2.6 para la monomorillonita, para diferentes formas iónicas. Cuanto más compresible la arcilla, más pronunciadas las influencias del tipo de cation y la concentración de electrolitos sobre la compresibilidad.

Coeficiente de compresión de volumen ${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta V/V}{\Delta \sigma ¿Qué? {a_{v}{\f} {\f} {\f}} {\f} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}}} {\f}}}} {\f} {\f}} {\f}}}}} {\\f}}} {\f}}}} {\\f}}}}}} {\\\\ Delta \sigma ♪♪$

• Compactación (geología)
• Solución (estructura)
• Metal mecánica
• Consolidación del vacío

• Coduto, Donald (2001), Foundation Design, Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
• Kim, Myung-mo (2000), Mecánica del suelo (en coreano) (4 ed.), Seúl: Munundang, ISBN 89-7393-053-2
• Terzaghi, Karl (1943), Mecánica de suelos teóricos, John Wiley acostumbraSons, Inc., págs. 265