Consolidación de los suelos

En el campo cuando el esfuerzo sobre una capa de arcilla saturada se incrementa, por ejemplo, por la construcción de una cimentación, la presión de poro del agua en la arcilla aumentará. Dado que la permeabilidad hidráulica de las arcillas es muy pequeña, se requerirá de determinado tiempo para que se disipe el exceso de presión de poro del agua y que el aumento en el esfuerzo se transfiera al armazón sólido. De acuerdo con la Figura 1, si △σ es una sobrecarga en la superficie del terreno sobre un área muy grande, el incremento en el esfuerzo total a cualquier profundidad de la capa de arcilla será igual a △σ.

Figura N° 1: Principios de consolidación

Fuente: Braja M. Das (2012)

Sin embargo, en el tiempo t = 0 (es decir, inmediatamente después de aplicar el esfuerzo), el exceso de presión de poro del agua a cualquier profundidad △u será igual a △σ, o

De aquí que el incremento en el esfuerzo efectivo en el tiempo t = 0 será:

△σ' = △σ - △u = 0

En teoría, en el tiempo t = ∞, cuando todo el exceso de presión de poro del agua exceso en la capa de arcilla se ha disipado como resultado del drenaje hacia las capas de arena, 

 △u = 0 (en el tiempo t = ∞)

Entonces, el incremento en el esfuerzo efectivo en la capa de arcilla es:

△σ' = △σ - △u = △σ - 0 = △σ

Este incremento gradual en el esfuerzo efectivo en la capa de arcilla ocasionará un asentamiento durante un periodo y se le refiere como consolidación.

Se pueden efectuar pruebas de laboratorio en muestras de arcilla saturada sin alterar (ASTM D-2435) para determinar el asentamiento por consolidación ocasionado por varias cargas incrementales. las muestras de prueba suelen ser de 63.5 mm de diámetro y 25.4 mm de altura. Las muestras se colocan dentro de un anillo, con una piedra porosa en la parte superior y otra en la parte inferior de la muestra (Figura N° 2). luego se aplica una carga a la muestra de manera que el esfuerzo vertical total es igual a σ. Durante 24 horas o más se toman periódicamente lecturas del asentamiento de la muestra. Después, la carga sobre la muestra se duplica y se toman más lecturas del asentamiento. En todo momento durante la prueba, la muestra se mantiene bajo agua. El procedimiento continúa hasta que se alcance el límite deseado del esfuerzo en la muestra de arcilla.

Figura N° 2: Diagrama esquemático de la configuración de la prueba de consolidación

Fuente: Braja M. Das (2012)

Con base en las pruebas de laboratorio,se elabora una gráfica que muestre la variación de la relación de vacíos e al final de la consolidación contra el esfuerzo vertical efectivo correspondiente σ'. (En papel semilogarítmico, e se traza en la escala aritmética y σ' en la escala logarítmica) En la Figura N° 3 se muestra la naturaleza de la variación de e contra log σ' para una muestra de arcilla. Después de que se ha alcanzado la presión de consolidación deseada, la muestra puede descargarse gradualmente, lo que resultará en la expansión de la muestra. En la figura también se muestra la variación de la relación de vacíos durante el periodo de descarga.

A partir de la curva e-log σ' que se muestra en la Figura N° 3, se pueden determinar tres parámetros necesarios para calcular el asentamiento en el campo. Éstos son la presión de preconsolidación σ'c , el índice de compresión (Cc) y el índice de expansión (Cs). Las siguientes son descripciones más detalladas de cada uno de los parámetros.

Figura N° 3: Curva e-log σ' para una arcilla suave del este de San Louis, Illinois (Nota: Al final de la consolidación σ = σ')

Fuente: Braja M. Das (2012)

Bibliografía

Braja M. Das. (2012). Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones. México D.F.: CENGAGE Learning.