Consolidación de suelos

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La consolidación del suelo se refiere al proceso mecánico por el cual el suelo cambia de volumen gradualmente en respuesta a un cambio en la presión . Esto sucede porque el suelo es un material trifásico, que comprende granos de suelo y fluido intersticial, 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 absorbe inicialmente todo el cambio de presión sin cambiar el volumen, creando un exceso de presión de agua intersticial . 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 se contrae en volumen. Por lo 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 . ^[1]

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 "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 del suelo , hundimiento y elevación. Algunos tipos de suelo, principalmente aquellos ricos en materia orgánica , muestran un deslizamiento significativo , por el cual el suelo cambia de volumen lentamente a una 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 deslizamiento.

Los efectos de la consolidación son más evidentes cuando un edificio se asienta sobre una capa de suelo con poca rigidez y permeabilidad, como la arcilla marina , lo que provoca un gran asentamiento a lo largo de muchos años. Los tipos de proyectos de construcción en los que la consolidación suele plantear un riesgo técnico incluyen la recuperación de tierras , la construcción de terraplenes y la excavación de túneles y sótanos en arcilla.

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

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

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

Los suelos de grano grueso no sufren asentamientos de consolidación debido a su 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. ^[1] El primero se basaba en ecuaciones de difusión en notación euleriana , mientras que el segundo consideraba la ley local de Newton tanto para fases líquidas como sólidas, en la que se involucraban variables principales, como presión parcial, porosidad, velocidad local, etc., mediante la teoría de mezclas . Terzaghi tenía un enfoque ingenieril para el problema de la consolidación de suelos y proporcionó modelos simplificados que todavía se utilizan ampliamente en la práctica de la ingeniería en la actualidad, mientras que, por otro lado, Fillunger tenía un enfoque riguroso para los problemas anteriores y proporcionó modelos matemáticos rigurosos que prestaban especial atención a los métodos de promedio local de las variables involucradas. El modelo de Fillunger era muy abstracto e involucraba variables que eran difíciles de detectar experimentalmente y, por lo tanto, no era aplicable al estudio de casos reales por ingenieros y/o diseñadores. Sin embargo, esto proporcionó la base para estudios teóricos avanzados de problemas particularmente complejos. Debido al diferente enfoque que ambos científicos dieron al problema de la consolidación, surgió entre ellos una amarga disputa científica que, lamentablemente, tuvo un final trágico en 1937. Tras el suicidio de Fillunger, sus resultados teóricos fueron olvidados durante décadas, mientras que los métodos propuestos por Terzaghi encontraron una amplia difusión entre los científicos y profesionales. En las décadas siguientes, Biot desarrolló plenamente la teoría tridimensional de la consolidación del suelo, extendiendo el modelo unidimensional propuesto anteriormente por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de la poroelasticidad . Hoy en día, el modelo unidimensional de Terzaghi sigue siendo el más utilizado por los ingenieros por su simplicidad conceptual y porque se basa en datos experimentales, como los ensayos con edómetro , que son relativamente simples, fiables y económicos y para los que se conocen bien las soluciones teóricas en forma cerrada. Según el "padre de la mecánica de suelos ", Karl von Terzaghi , la consolidación es "todo proceso que implica una disminución del contenido de agua del 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 la hinchazón. ^[2]

La consolidación es el proceso en el cual se produce una reducción de volumen por expulsión o absorción gradual de agua bajo cargas estáticas a largo plazo. ^[3]

Cuando se aplica tensión a un suelo, las partículas del mismo se compactan más estrechamente. Cuando esto ocurre en un suelo saturado de agua, el agua se expulsa del suelo. La magnitud de la consolidación se puede predecir mediante muchos métodos diferentes. En el método clásico desarrollado por Terzaghi, los suelos se prueban con una prueba de edómetro para determinar su compresibilidad. En la mayoría de las formulaciones teóricas, se supone una relación logarítmica entre el volumen de la muestra de suelo y la tensión efectiva soportada por las partículas del suelo. La constante de proporcionalidad (cambio en la relación de vacíos por orden de magnitud de cambio en la tensión efectiva) se conoce como índice de compresión, que recibe el símbolo cuando se calcula en logaritmo natural y cuando se calcula en logaritmo de base 10. ^{[3] [4]}${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle C_{C}}$

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

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{z0}'}}\right)\ }$

dónde

δ _c es el asentamiento por consolidación.

C _c es el índice de compresión.

e ₀ es la relación de vacío inicial .

H es la altura del suelo compresible.

σ _zf es la tensión vertical final.

σ _z0 es la tensión vertical inicial.

Cuando se elimina la tensión de un suelo consolidado, este se recuperará y recuperará parte del volumen que había perdido en el proceso de consolidación. Si se vuelve a aplicar la tensión, el suelo se consolidará de nuevo a lo largo de una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. El gradiente de las líneas de hinchamiento y recompresión en un gráfico de la relación de vacíos frente al logaritmo de la tensión efectiva suele idealizarse para que adopte el mismo valor, conocido como "índice de hinchamiento" (se le da el símbolo cuando se calcula en logaritmo natural y cuando se calcula en logaritmo de base 10).${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle C_{S}}$

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 de preconsolidación, las dos ecuaciones deben usarse en combinación para modelar tanto la parte de recompresión como la parte de compresión virgen de los procesos de consolidación, de la siguiente manera:

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{r}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zc}'}{\sigma _{z0}'}}\right)+{\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{zc}'}}\right)\ }$

donde σ _zc es la tensión de preconsolidación del suelo.

Este método supone que la consolidación se produce en una sola dimensión. Se utilizan datos de laboratorio para construir un gráfico de la deformación o la relación de vacíos en función de 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. La ecuación para el asentamiento por consolidación de un suelo normalmente consolidado se puede determinar como:

El suelo al que se le ha retirado la carga se considera "sobreconsolidado". Este es el caso de los suelos que han tenido glaciares sobre ellos previamente o que han sido afectados por hundimientos del terreno . ^[5] La tensión más alta a la que ha sido sometido se denomina " tensión de preconsolidación ". El "índice de sobreconsolidación" (OCR) se define como la tensión más alta experimentada dividida por la tensión actual. Un suelo que actualmente está experimentando su tensión más alta se dice que está "normalmente consolidado" y tiene un OCR de uno. Un suelo podría considerarse "subconsolidado" o "no consolidado" inmediatamente después de que se aplique una nueva carga pero antes de que se haya disipado el exceso de presión de agua intersticial . Ocasionalmente, los estratos de suelo formados por deposición natural en ríos y mares pueden existir en una densidad excepcionalmente baja que es imposible de lograr en un edómetro; este proceso se conoce como "consolidación intrínseca". ^[6]

El proceso de consolidación se suele explicar 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 en sí, 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 completamente saturado)
2. Se aplica una carga sobre la tapa, mientras el orificio aún está cerrado. En esta etapa, sólo el agua resiste la carga aplicada. (Desarrollo de exceso de presión de agua intersticial)
3. Tan pronto como se abre el agujero, el agua comienza a salir por el agujero y el manantial se acorta. (Drenaje del exceso de presión de agua intersticial)
4. Después de un tiempo, el drenaje de agua ya no se produce. Ahora, el manantial resiste solo la carga aplicada. (Disipación total del exceso de presión de agua intersticial. Fin de la consolidación)

El tiempo que tarda en producirse la consolidación se puede predecir. A veces, la consolidación puede tardar años. Esto es especialmente cierto en el caso de las arcillas saturadas, ya que 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 intersticial es mayor de lo normal porque soporta parte de la tensión aplicada (a diferencia de las partículas del suelo).

${\displaystyle T_{v}={\frac {c_{v}*t}{(H_{dr})^{2}}}\ }$

Donde T _v es el factor tiempo.

H _dr es la ruta de drenaje promedio más larga durante la consolidación.

t es el tiempo en la medición

C _v se define como el coeficiente de consolidación obtenido mediante el método logarítmico con

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

o el método raíz con

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

t ₅₀ tiempo hasta el 50% de deformación (consolidación) y t ₉₅ es 95%

Donde T ₉₅ = 1,129 T ₅₀ = 0,197

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

Este proceso de fluencia se conoce a veces como "consolidación secundaria" o "compresión secundaria" porque también implica un cambio gradual del volumen del suelo en respuesta a la aplicación de una 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 de agua intersticial. 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 decae exponencialmente con el tiempo desde la aplicación de la carga, lo que da la fórmula:

${\displaystyle S_{s}={\frac {H_{0}}{1+e_{0}}}C_{a}\log \left({\frac {t}{t_{95}}}\right)\ }$

Donde H ₀ es la altura del medio de consolidación
e ₀ es la relación de vacío inicial
C _a es el índice de compresión secundaria
t es el tiempo considerado después de la consolidación
t ₉₅ es el tiempo necesario para lograr una consolidación del 95 %

Coeficiente de compresibilidad . La compresibilidad de muestras saturadas de minerales arcillosos aumenta en el orden caolinita <ilita <esmectita. El índice de compresión Cc, que se define como el cambio en la relación de huecos por cada aumento de 10 veces en la presión de consolidación, está en el rango de 0,19 a 0,28 para caolinita, 0,50 a 1,10 para ilita y 1,0 a 2,6 para montmorillonita, para diferentes formas iónicas. ^[7] Cuanto más compresible sea la arcilla, más pronunciadas serán las influencias del tipo de catión y la concentración de electrolitos en la compresibilidad.${\displaystyle a_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma _{'}}}}$

Coeficiente de compresibilidad del volumen${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta V/V}{\Delta \sigma _{'}}}={\frac {a_{v}}{\Delta \sigma _{'}}}}$

• Compactación (geología)
• Asentamiento (estructural)
• Mecánica de suelos
• Consolidación por vacío

• Coduto, Donald (2001), Diseño de cimientos , Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
• Kim, Myung-mo (2000), Mecánica de suelos (en coreano) (4.ª ed.), Seúl : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
• Terzaghi, Karl (1943), Mecánica teórica de suelos , John Wiley&Sons, Inc., pág. 265

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