S04 s1 - Consolidacion

Vista previa del material en texto

5/04/2021
1
CONSOLIDACIÓN DE LA 
MASA DE SUELO
Autor:
Ing. Salomé Chacón Arcaya
Al finalizar la unidad, el estudiante
determina los asentamientos producidos
por la consolidación y la resistencia de
los suelos.
LOGRO DE LA UNIDAD 2
Logro específico de aprendizaje:
Al término de la sesión, el estudiante
estará familiarizado con el concepto de
consolidación de la masa de suelo,
esfuerzo cortante y circulo de Mohr.
SABERES PREVIOS
D
IS
TR
IB
U
C
IÓ
N
 D
E
 E
S
F
U
E
R
ZO
S
 E
N
 
E
L 
S
U
E
LO
 D
E
B
ID
O
 A
 C
A
R
G
A
S
Carga Puntual
Carga Circular
Carga Rectangular
Carga Irregular
DESARROLLO DEL TEMA
5/04/2021
2
CONTENIDO
 Consolidación
 Compresibilidad
 ¿Para qué se estudia la Consolidación?
 Fases de la Consolidación
 Consolidación Unidimensional
 Ecuación de Consolidación
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Marzo 2014
CONSOLIDACIÓN
Concepto
Es un proceso de disminución de volumen del suelo en un
tiempo dado por la aplicación de una carga, produciéndose un
asentamiento por la disipación del exceso de la presión
intersticial debida a la expulsión del agua a través del suelo.
Suelo Saturado
Por lo tanto, cuando un suelo se consolida ante la aplicación de
una carga, se produce una disminución de la relación de vacíos
y un incremento del esfuerzo efectivo.
Vacíos
Sólido
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
P
COMPRESIBILIDAD
Es que la propiedad que tiene el suelo para de
reducir su tamaño ante la aplicación de una fuerza
de compresión. Cuando a un suelo se le aplica una
fuerza de compresión, con la finalidad de reducir su
tamaño, lo que en realidad se reduce son los
espacios vacíos por reacomodo de sus partículas,
por lo que si se trata de un suelo saturado, la
compresión producida es debida a la expulsión del
agua de los vacíos, y como el agua fluye
lentamente, es un proceso diferido con el tiempo.
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
COMPRESIBILIDAD
Si por el contrario se trata de un suelo parcialmente
saturado, la compresión producida es debida a la
expulsión del aire, por lo que el fenómeno ocurre de
forma casi instantánea, es decir que toma poco
tiempo.
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
COMPRESIBILIDAD
 Suelos no cohesivos como las gravas y arenas, se
comprimen en un tiempo relativamente corto debido
a que su permeabilidad es relativamente alta, por lo
que los asentamiento en este tipo de suelos ocurre
durante la fase de construcción de la estructura (horas
o días).
 Suelos cohesivos, como las arcillas, presentan alta
compresibilidad, pero como tienen baja
permeabilidad, se comprimen en un tiempo más largo
que los no cohesivos, por lo que el fenómeno puede
durar años, e incluso siglos.
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
¿PARA QUÉ SE ESTUDIA LA CONSOLIDACIÓN?
Objetivo
El desarrollo de la consolidación de un suelo es para
dar respuesta a dos preguntas:
1. ¿Cuánto se deforma el suelo?
2. ¿En cuánto tiempo ocurre la deformación total?
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
5/04/2021
3
FASES DE LA CONSOLIDACIÓN
 Compresión inicial: Deformación inmediata producto de la
aplicación de una carga, sin ningún cambio en el contenido de
agua del suelo.
 Consolidación primaria: Resultado de un cambio de volumen en
suelos saturados cohesivos debido a la expulsión del agua que
ocupa los espacios vacíos.
 Consolidación secundaria: Resultado del ajuste plástico de la
estructura de suelo. Deformación plástica de las partículas que
componen el suelo.
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
FASES DE LA CONSOLIDACIÓN
El estudio de las relaciones esfuerzo – deformación de los
suelos ha dado como resultado un comportamiento elasto –
plasto – viscoso, muy alejado de las hipótesis de ser un
material linealmente elástico o linealmente plástico, y debido
a esa naturaleza se ha determinado que cuando a un suelo
se le aplica una fuerza, la deformación que se produce es
función del tiempo.
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
• Suelo está totalmente saturado y es homogéneo.
• Tanto el agua como las partículas de suelo son incompresibles.
• La Ley de Darcy aplica para el flujo de agua.
• La variación de volumen es unidimensional en la dirección del 
esfuerzo aplicado.
• El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece 
constante.
• La variación de volumen corresponde al cambio en la relación 
de vacíos.
Hipótesis de la 
Teoría de 
Consolidación 
Unidimensional
CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
El movimiento de las partículas de suelos ocurre sólo en 
dirección vertical. 
Analogía de Terzaghi (Transmisión de los esfuerzos 
externos a esfuerzos efectivos)
Orificio
Pistón sin fricción
Cilindro de sección A
Resorte
ECUACIÓN DE CONSOLIDACIÓN
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Define que la variación de la presión de poro en el tiempo va a ser una
función de un valor constante (Cv) afectado de la variación de segundo
orden de la presión de poro con respecto a la posición dentro del estrato
compresible.
𝐶𝑣 = Coeficiente de Consolidación
𝐶𝑣 =
𝑘(1 + 𝑒)
𝑎𝑣𝛾𝑤
k = Permeabilidad
e = relación de vacíos
𝑎𝑣= Coeficiente de compresibilidad (mide la razón de variación de la 
relación de vacíos con la presión)
𝑎𝑣 =
𝑑𝑒
𝑑𝑝
𝛾𝑤= Peso específico del agua destilada a 4 ºC
𝑢 = 𝑓 𝑧, 𝑡 Presión neutra y es función de la profundidad z y el tiempo t
ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Ensayo de Consolidación
Carga
Anillo de 
confinamiento
Agua
FINALIDAD DEL ENSAYO: 
1. ¿Cuánto se deforma? Curva de compresibilidad
2. ¿En cuánto tiempo? Curva de consolidación
Muestra de suelo
http://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=sf5a2Pdud0RqDM&tbnid=z8GEusSYS4DFYM:&ved=0CAUQjRw&url=http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/nuestro_laboratorio.htm&ei=qfozU6KpLeehsQSH-oGYAw&bvm=bv.63808443,d.dmQ&psig=AFQjCNGGCQ2kgk5kwqHqPgGSWr6hwTV0jA&ust=1396001710255495
5/04/2021
4
CURVA DE CONSOLIDACIÓN
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Una curva para cada carga aplicada y se obtiene el parámetro de Cv
U (%)
CURVA DE CONSOLIDACIÓN
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Es una gráfica que relaciona el grado de consolidación
U(%) con el tiempo(t). En las ordenas en escala aritmética
y en las abscisas en escala aritmética o semilogarítimica,
respectivamente.
U(%) es la relación entre la consolidación que ya ha tenido
lugar a esa profundidad y la consolidación total que ha
de producirse bajo el incremento de carga impuesto.
La curva es asintótica debido a que llega un punto en que
a medida que pasa el tiempo, el grado de consolidación
permanece constante.
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Tramo de Recompresión
Tramo Virgen
Tramo de Descarga
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Es una curva que establece la relación de presión – relación de vacíos. En las
abscisas en escala natural o logarítmica y en las ordenadas en escala
natural. Se obtiene una de cada prueba de consolidación completa.
Generalmente una curva de compresibilidad tiene 3 tramos, el A es un tramo
curvo que comienza en forma casi horizontal y cuya curvatura es progresiva,
alcanzado su máximo en la proximidad de su unión con el tramo B. El tramo
B es generalmente un tramo recto y con él se llega a la etapa final de carga
de la prueba de consolidación, al aplicar el máximo incremento de carga,
que corresponde a la máxima presión sobre la muestra. A partir de ese
punto es común someter a la muestra a una segunda etapa, ahora de
descarga, en la que se sujeta al espécimen a cargas decrecientes, dejando
un tiempo prudencial hasta que la velocidad de deformación se reduzca
prácticamente a cero; en esta etapa se tiene una recuperación del
espécimen, sabiendo que este nunca llega nuevamente a su relación de
vacíos inicial; el tramo c corresponde a la segunda etapa, con el espécimen
llevadoa carga nula.
El tramo A se llama tramo de recompresión, el tramo B tramo virgen y el c
tramo de descarga.
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
El tramo A recibe ese nombre porque en experimentos realizados a
muestras a las que se les ha aplicado ciclos de carga y descarga
consecutivos, una vez que culmina la descarga del primer ciclo y
empieza la carga del segundo, a una presión mayor que la máxima
alcanzada en el primer ciclo, el tramo A del segundo ciclo se extiende
hasta la máxima presión a la que se cargó el suelo en el primer ciclo,
mientras que el tramo B se define como una prolongación del tramo
virgen del ciclo anterior y el tramo c resulta similar al del primer ciclo.
De esto se concluye que el tramo A se produce cuando a una muestra
de suelo se le aplican presiones que ya ha soportado en épocas
anteriores, mientras que el tramo B resulta de aplicar presiones que la
muestra nunca antes ha soportado, de manera que los nombres
asignados para cada tramo es lógico.
SUELOS PRE CONSOLIDADOS Y NORMALMENTE 
CONSOLIDADOS
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Suelos Pre consolidados
• Suelos que están sometidos a presiones
menores que las soportadas a lo largo de
su historia geológica.
Suelos Normalmente consolidados
• Suelos que están sometidos a la máxima
presión que han soportado.
5/04/2021
5
CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
∆𝐻 =
∆𝑒
1 + 𝑒1
𝐻
CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Ejercicio: En una prueba de consolidación de una muestra
de arcilla inalterada se obtuvieron los siguientes
resultados:
𝑝1 = 1,65
𝐾𝑔
𝑐𝑚2
; 𝑒1 = 0,895
𝑝2 = 3,10
𝐾𝑔
𝑐𝑚2
; 𝑒2 = 0,732
Determine el asentamiento total de un estrato de esta
arcilla de 10 m de espesor.
∆𝐻 =
∆𝑒
1 + 𝑒1
𝐻
∆𝐻 =
0,163
1,895
10 𝑚
∆𝐻 = 0,86 𝑚
CÁLCULO DE ASENTAMIENTOS
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Existe otro método para el cálculo de asentamiento 𝛿
basado en el parámetro de compresibilidad 𝑚𝑣 obtenido
del ensayo de consolidación, 𝛿 se define mediante la
ecuación
𝛿 = 𝑚𝑣∆𝜎
MÓDULO DE REACCIÓN DEL SUELO
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
Es la relación entre la tensión capaz de generar una
penetración de una placa rígida (cuadrada de 30,5 cm
de lado o circular de 30,5 cm de diámetro) en el terreno
de 0,05” (0,127 cm). Generalmente se identifica con la
letra k.
k = q/y
Donde,
k = módulo de reacción del suelo
q = tensión aplicada por la placa.
y = penetración o asentamiento de la placa
CONTENIDO
ESFUERZO CORTANTE
 Qué es la resistencia cortante
 Por qué es importante conocer la resistencia al 
esfuerzo cortante
 Implicaciones de conocer la resistencia del suelo 
al esfuerzo cortante
 Para qué se usa la resistencia al esfuerzo cortante
 Cuál es la respuesta típica del suelo ante fuerzas 
cortantes
 En qué momento el suelo está sujeto a esfuerzo 
cortante
 Circulo de Mohr
5/04/2021
6
QUÉ ES LA RESISTENCIA CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
Es la resistencia interna por área unitaria
que la masa de suelo ofrece para resistir la
falla y el deslizamiento a lo largo de
cualquier plano de él. Los ingenieros deben
entender la naturaleza de la resistencia
cortante para analizar los problemas de la
estabilidad del suelo, tales como
capacidad de carga, estabilidad de
taludes y la presión lateral sobre estructuras
de retención de tierras.
POR QUÉ ES IMPORTANTE CONOCER LA 
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
Todas las obras civiles se cimientan sobre el
suelo y el comportamiento de éste
repercutiría en la estructura. Por lo que si el
suelo falla, la estructura puede fallar.
Imaginemos una masa de suelo y veamos
qué ocurre internamente entre 2 granos
muy pequeños confinados en la masa del
suelo que están sometidos a una presión de
contacto σn
POR QUÉ ES IMPORTANTE CONOCER LA 
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
Cuando una estructura falla,
hay un deslizamiento del
suelo y la posición inicial de
las partículas cambia y se
desarrolla un esfuerzo
cortante τ . Si las 2 partículas
nunca se deslizan una sobre
la otra es porque NUNCA es
sobrepasado el esfuerzo
cortante τ .
σn
σn
Esfuerzo 
Cortante
POR QUÉ ES IMPORTANTE CONOCER LA 
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
El esfuerzo cortante τ
depende de la presión de
contacto σn. Solamente
cuando una partícula se
desliza sobre la otra, se
sobrepasa el esfuerzo
cortante τ. La importancia
de su estudio, es porque los
suelos fallan por esfuerzo
cortante τ.
σn
σn
Esfuerzo 
Cortante
IMPLICACIONES DE CONOCER LA RESISTENCIA 
DEL SUELO AL ESFUERZO CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
La seguridad de la estructura: edificio, túnel,
terraplén, presa, entre otras, depende de la
resistencia al esfuerzo cortante, ya que a mayor
esfuerzo cortante, más segura es la estructura.
Si la conocemos bien, podemos:
 Mitigar el riesgo de pérdida de vidas humanas
ante el colapso de una estructura.
 Conocer las implicaciones económicas, si una
estructura no colapsa por completo al
sobrepasar la resistencia al esfuerzo cortante,
sino que tenga importantes daños estructurales.
PARA QUÉ SE USA LA RESISTENCIA AL ESFUERZO 
CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
 Determinar la capacidad de carga del
suelo, ya que podemos conocer las
dimensiones de las fundaciones que
vamos a utilizar (zapatas, pilotes)
 Se puede evitar que ocurran
deslizamientos o asentamientos
importante, si en una estructura aún no
ha sido sobrepasada la capacidad de
carga pero ya la estructura se ha vuelto
inestable.
5/04/2021
7
PARA QUÉ SE USA LA RESISTENCIA AL ESFUERZO 
CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
 Determinar la capacidad de carga del
suelo, ya que podemos conocer las
dimensiones de las fundaciones que
vamos a utilizar (zapatas, pilotes)
 Se puede evitar que ocurran
deslizamientos o asentamientos
importante, si en una estructura aún no
ha sido sobrepasada la capacidad de
carga pero ya la estructura se ha vuelto
inestable.
PARA QUÉ SE USA LA RESISTENCIA AL ESFUERZO 
CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
• Túneles
• Muros de retención
• Excavaciones
• Terraplenes
• Presas
• Suelos Marinos
PARA QUÉ SE USA LA RESISTENCIA AL ESFUERZO 
CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
A diferente 
esfuerzo 
cortante, 
dimensiones 
diferentes 
Edificio desplantado en superficie irregular, una 
parte sobre terreno plano y otra sobre ladera. 
Cada una será diferente. No hay falla por 
capacidad de carga, pero se desarrolla una 
superficie de falla. Es inestable.
PARA QUÉ SE USA LA RESISTENCIA AL ESFUERZO 
CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
Muro de retención con depósito de tierra empujando al muro. Las 
cargas generan una carga al suelo por lo que hay que revisar que 
no se sobrepase la capacidad de carga. Puede que se genere 
una superficie de falla que produzca el deslizamiento por lo que se 
vuelve inestable y hay que verificar la fricción entre la base del 
muro y el suelo, para que no haya deslizamiento de la base.
CUÁL ES LA RESPUESTA TÍPICA DEL SUELO ANTE 
FUERZAS CORTANTES
ESFUERZO CORTANTE
EN QUÉ MOMENTO EL SUELO ESTÁ SUJETO A 
ESFUERZO CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
En todo momento. Al aplicar una fuerza vertical Fn
se produce el esfuerzo de contacto y al aplicar la
carga F se produce un esfuerzo cortante dentro de
ese plano. Imaginemos un pedacito de suelo. Al
aplicar un esfuerzo cortante, resulta una
deformación cortante que produce un cambio de
volumen. Por ejemplo al aplicar esfuerzo cortante a
un suelo suelto, las partículas se acomodan y
disminuye su volumen. Si por el contrario el suelo
está compacto, al aplicar esfuerzo cortante, las
partículas se superpondrán una sobre la otra por lo
que el volumen aumenta. Esto se puede apreciar
con las gráficas esfuerzo deformación.
5/04/2021
8
CUÁL ES LA RESPUESTA TÍPICA DEL SUELO ANTE 
FUERZAS CORTANTES
ESFUERZO CORTANTE
CIRCULO DE MOHR
ESFUERZO CORTANTE
 Es el espacio geométrico en el que se
representan los estados tensionales que
generan la falla del suelo de modo que
para valores que estén contenidosen él,
el suelo será inestable.
La envolvente de falla se determina con la
siguiente expresión (criterio de falla Mohr-
Coulomb):
CIRCULO DE MOHR
ESFUERZO CORTANTE
CIRCULO DE MOHR
ESFUERZO CORTANTE
CIRCULO DE MOHR
ESFUERZO CORTANTE
SABERES APRENDIDOS
RESUMEN
5/04/2021
9
CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL
CONSOLIDACIÓN DE LA MASA DE SUELO
• Suelo está totalmente saturado y es homogéneo.
• Tanto el agua como las partículas de suelo son incompresibles.
• La Ley de Darcy aplica para el flujo de agua.
• La variación de volumen es unidimensional en la dirección del 
esfuerzo aplicado.
• El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece 
constante.
• La variación de volumen corresponde al cambio en la relación 
de vacíos.
Hipótesis de la 
Teoría de 
Consolidación 
Unidimensional
QUÉ ES LA RESISTENCIA CORTANTE
ESFUERZO CORTANTE
Es la resistencia interna por área unitaria
que la masa de suelo ofrece para resistir la
falla y el deslizamiento a lo largo de
cualquier plano de él. Los ingenieros deben
entender la naturaleza de la resistencia
cortante para analizar los problemas de la
estabilidad del suelo, tales como
capacidad de carga, estabilidad de
taludes y la presión lateral sobre estructuras
de retención de tierras.
CIRCULO DE MOHR
ESFUERZO CORTANTE
 Es el espacio geométrico en el que se
representan los estados tensionales que
generan la falla del suelo de modo que
para valores que estén contenidos en él,
el suelo será inestable.
La envolvente de falla se determina con la
siguiente expresión (criterio de falla Mohr-
Coulomb):