Consolidación de suelos. Parámetros de laboratorio.

El proceso de consolidación de suelos blandos (arcillas) es sin duda uno de los temas más apasionantes a los que nos enfrentamos los especialistas en geotecnia. Es muy probable que ninguno de los que nos dedicamos a esto tengamos una opinión exactamente igual a la de otro colega. Creedme, no nos ponemos de acuerdo ni en cómo llamarles a los parámetros del suelo.

El objetivo de este post es tan sólo clarificar al lector cuáles son los parámetros del suelo que el laboratorio nos puede proporcionar para enfrentarnos con ciertas garantías a esta problemática.

¿Qué es la consolidación unidimensional de un suelo?

Se conoce como proceso de consolidación a la reducción de volumen de un suelo saturado al aumentar de manera instantánea (geológicamente hablando) las cargas sobre él (un edificio, un terraplén, etc.), ocurriendo normalmente en la vertical. Es un proceso que al comienzo es rápido pero que se va haciendo cada vez más lento, hasta que se llega a una nueva situación de equilibrio en la que el suelo ya no se mueve. Puede durar meses y hasta años.

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Es importante aclarar que:

  • El proceso de consolidación se da en suelos saturados. También se da en los subsaturados, en la que primero escapa el aire y luego migra el agua.
  • El modelo general contempla que el terreno siempre estará confinado por dos capas porosas.

En el momento que se produce el aumento de carga vertical sobre el terreno, esta se transfiere directamente al agua, aumentando súbitamente la presión de agua en los poros del suelo (presión de poro) Con el paso del tiempo, este “exceso de presión de poro” se va disipando y la sobrecarga ejercida se transfiere a las partículas del suelo, disminuyendo el tamaño de los poros y, por tanto, el volumen total del suelo. Esta reducción de volumen implica un acortamiento vertical que podemos llamar “asentamiento” (∆s) y que se correlaciona directamente índice de poros (e).

Etapas de consolidación de suelos.

Si enfrentamos el asentamiento (o el “índice de poros”) vs al logaritmo del tiempo, para una determinada carga vertical, tendremos la siguiente gráfica (“curva de compresibilidad o de consolidación”) en la que podemos diferenciar tres etapas.Consolidacion-arcillas-coeficiente-asientos-indice-de-poros-presion-preconsolidacion-modulo-edometrico-modulo-de-compresibilidad-Sobreconsolidados

Historia geológica del suelo.

Después de definir el concepto y los tipos de consolidación, nos quedaría una cosa pendiente antes de meternos en el laboratorio y ver los parámetros que nos interesan. Este último aspecto tiene que ver con la historia tensional del suelo objeto de estudio.

Podemos tener dos tipos de suelos:

  • Normalmente consolidados: La tensión efectiva actual es la máxima que ha tenido en su historia geológica. Es decir, nuestro suelo nunca ha soportado más presión que la debida a su propio peso.
  • Sobreconsolidados o preconsolidados: Han soportado en el pasado una tensión superior a la actual (presión de preconsolidación, σ’p). Nos va a interesar:
    • OCR (Over Consolidate Ratio, por sus siglas en inglés), que se define como el cociente entre la presión de preconsolidación y la tensión efectiva actual (σ’0v). Ni que decir tiene que en suelos normalmente consolidados OCR tiene un valor de uno.
    • De este tipo de suelos calcularemos si el incremento neto de presiones efectivas (∆σ’v) supera o no el valor de presión de preconsolidación obtenido en los ensayos de laboratorio.

El técnico que interpreta los ensayos de laboratorio podrá estar en disposición de saber qué tipo de suelo es según su historia tensional, así como la presión de preconsolidación y el OCR, si aplica.

Parámetros de laboratorio.

Tenemos un terreno conformado por arcillas blandas con alto índice de poros y el nivel freático superficial; y ahí le quieren poner una estructura que puede ser una nave industrial, una pista de aterrizaje, un edificio o cualquier cosa que se nos pase por la cabeza. Es el caso típico en el que calcularemos los asientos por el método de consolidación de Casagrande y Terzaghi (AASHTO T2166-66 y ASTM D2435-70), aunque también podremos modelizarlo con software de elementos finitos.

Bueno pues para conseguir los datos necesarios tendremos que realizar ensayos de consolidación o edométricos sobre muestras inalteradas del terreno.

¿Qué es el ensayo de consolidación en edómetro?

Un edómetro consiste en un anillo rígido de acero en cuyo interior se coloca una muestra de suelo.

En la parte inferior y superior de la muestra se colocan unas piedras porosas que permiten el drenaje del agua contenida en el suelo. El conjunto se introduce en una célula, que se llena de agua para mantener en todo instante las condiciones de saturación completa.

Sobre la piedra porosa superior se coloca una placa rígida y en su centro se aplica una carga vertical.Consolidación, arcillas, coeficiente, asientos, índice de poros, presión, preconsolidación, módulo edométrico, módulo de compresibilidad, Sobreconsolidados

La carga se va aumentando en escalones, que se definirán según el régimen de esfuerzos reales al que va a estar sometido el terreno objeto de estudio. Tras llegar a la máxima carga, se hace una descarga.

Para cada escalón, se mide lo que se comprime (o descomprime, para el ramal de descarga) la probeta de suelo a lo largo del tiempo. La carga se mantiene durante el tiempo que sea necesario para alcanzar la etapa de consolidación secundaria. Para las primeras cargas puede ser menos de 24h, pero para los escalones finales pueden ser varios días. Es complicado que un laboratorio asuma tener 3 o 4 días una muestra en el mismo escalón, pero en sentido estricto, así debería ser.

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Para cada escalón de carga tendremos graficas de consolidación como estas que vamos a ver a continuación.

Primer (os) escalón (es) de carga

Es posible que tengamos al principio un proceso de hinchamiento de la muestra si la arcilla tiene propiedades expansivas. Al saturarla de agua y aplicar una carga insuficiente para contrarrestar, la muestra de suelo se expande.

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Escalones intermedios y final

Tendremos la típica gráfica de un proceso de consolidación que veíamos antes.

En esta gráfica se aprecia que a los 100min empieza la consolidación secundaria (se inicia un tramo recto), pero se puede dar el caso que no se aprecie. Si esto sucede es porque no se le ha dejado consolidar el tiempo suficiente.

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Escalones del ramal de descarga

Al ir retirando progresivamente la carga, veremos como la muestra se recupera a lo largo del tiempo. En cualquier caso, nunca recuperará su volumen inicial.arcillas, coeficiente, asientos, índice de poros, presión, preconsolidación, módulo edométrico, módulo de compresibilidad, Sobreconsolidados

Para cada escalón, cuando han pasado las 24 horas, podremos calcular el índice de poros (e). Aquí tenemos el primer parámetro.

Con los escalones de carga y los correspondientes índices de poro, podremos construir la curva edométrica que será muy parecida a esta. Se podría construir una exactamente igual pero con el asentamiento en lugar de con el índice de poros.

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Coeficiente de recompresión (Cr)

Es la pendiente del tramo de recompresión. No se suele usar en los cálculos, pero es importante determinar el cambio de curvatura de la curva edométrica para aislar este ramal.

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Coeficiente de compresión (Cc)

En realidad, debido a la toma de muestras y manipulación, se producen diferencias entre la curva real del suelo y la obtenida en laboratorio.

La construcción de esta recta es algo compleja y no vamos a entrar, pero quedaos con esta simplificación: al 42% del índice de poros inicial, la pendiente curva real (azul) y la del laboratorio (negro) deben de confluir.

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Coeficiente de entumecimiento (Cs)

Es la pendiente del tramo de descarga.

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Presión de preconsolidación (σ’p)

La curva edométrica también nos ofrece información sobre este importante parámetro. Para ello se necesita realizar unos pasos muy sencillos:

1° Trazar una recta tangente y otra horizontal en el punto de máxima curvatura edométrica que marca el paso del ramal de recompresión al de compresión.

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2° Trazamos la bisectriz del ángulo que definen ambas rectas.

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3° La intersección entre la bisectriz y la prolongación del ramal recto de curva de compresión nos dará la presión de preconsolidación.

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Con este último dato podremos definir el suelo como “normalmente consolidado” o “sobreconsolidado” (y evaluar su OCR). Una vez sepamos si estamos en un tipo de suelo u otro, deberemos hacer algunas correcciones sobre la curva de compresión que modificarán el Cc y/o el Cs inicialmente calculado.

Otros parámetros de interés

Son parámetros de rigidez o deformabilidad, de uso más “ingenieril”.

Módulo edométrico (Em)

Se define para cada escalón de carga como la relación entre la variación de presiones efectivas verticales (∆σ’v, kg/cm2) y la variación de deformación vertical unitaria (∆ԑ, %). Hay que tener en cuenta que no es equivalente al módulo de elasticidad convencional, a pesar de tener las mismas unidades, ya que para su estimación no se permite la deformación lateral y el cálculo se realiza para un escalón de presiones determinado.arcillas, coeficiente, asientos, índice de poros, presión, preconsolidación, módulo edométrico, módulo de compresibilidad, Sobreconsolidados

Módulo de compresibilidad volumétrico o coeficiente de compresibilidad (mv)

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Por otra parte, siempre será interesante tener valores de permeabilidad, compresión simple, módulo de elasticidad, etc., pero nos hemos centrado en los parámetros que podemos obtener del ensayo de consolidación en el edómetro.

Conclusiones

Es importante destacar que para su obtención es necesario contar con datos de calidad ya que, si los ensayos no se realizan de manera cuidadosa, el análisis posterior y las conclusiones de nuestro estudio no representarán la realidad del suelo.

Por último, recordad que lo hemos intentado plantear de un modo didáctico, sin errores, pero con simplificaciones. Si os ha gustado este tema, os animo a que busquéis información sobre la construcción de las rectas y los diferentes ajustes que se pueden hacer. De verdad, es un ejercicio realmente interesante. En el futuro seguiremos hablando de este apasionante tema.

Gracias por vuestro tiempo.

Desdeelmuretehttp://www.desdeelmurete.com
Blog de Geotecnia, cimentaciones y Tratamientos del terreno

2 COMENTARIOS

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