Consolidación de los suelos.

Cuando un suelo pasa por una reducción de volumen se presenta lo que es la consolidación de un

suelo, específicamente en aquellos que son finos cohesivos, provocando cargas sobre su masa.

Esto se lleva a cabo en un tiempo largo. Cuando se visualizan materiales suaves en el fondo de

una masa de agua, es de notar la reducción del suelo y el aumento de las cargas sobre él.

Mientras se está llevando a cabo este proceso la posición de las partículas, permanecen

esencialmente igual sobre un mismo plano horizontal. De esta forma, sólo ocurre en dirección

vertical el movimiento de las partículas de suelo. Este proceso se caracteriza por ser lento y

asintótico, este último se refiere a que su comienzo es veloz, pero su desarrollo lento. Con todo

esto lo que se busca es el equilibrio del suelo. Todos los movimientos que puede proyectar el

suelo deben ser conocidos, debido a que de esta forma se evitan catástrofes al momento en que

este se proyecta sobre su estructura. Dentro de las consecuencias ubicamos la inclinación,

figuración y su colapso.

Suelos normalmente consolidados.

Son suelos que no han recibido cargas mayores a las geostáticas y su característica principal es

que son suelos blandos. Se dice que un suelo está normalmente consolidado cuando nunca ha

soportado a lo largo de su historia una presión efectiva superior a la que tiene actualmente.

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Suelos sobreconsolidados.

Los suelos sobre consolidados son aquéllos que han sido cargados y descargados, es decir, las

tensiones máximas históricas que han soportado han sido mayores que las actuales. Este

concepto se expresa a través del grado de sobre consolidación u OCR (Over Consolidation

Ratio).

Factores complementarios que influyen en la estructura y comportamiento del suelo.

Los principales factores que influyen en la estructura de los suelos son:

Factores Litológicos: Son aquellos que se refieren a la naturaleza física y química de la

roca madre, la cual puede ser de cualquier tipo.

Factores Biológicos: Son aquellos que están representados por los seres vivos (plantas,

animales, microorganismos), los cuales juegan un papel importantes en el desarrollo de

los suelos.

Factores Topográficos: Son aquellos que se derivan de la ubicación geográfica de los

suelos.

Factores Climáticos: Son los más importantes en la formación de los suelos ya que el

clima establece las condiciones de temperatura y humedad. El aumento de la temperatura

influye de manera decisiva en muchas de las reacciones químicas que se desarrollan en

los suelos, con lo cual se hace más intenso el proceso de desintegración de las rocas. El

aumento de la humedad o de las precipitaciones es favorable para el aumento de los

compuestos orgánicos y la disminución de las sales en los suelos. El exceso de

precipitaciones ocasiona un intenso lavado del suelo y por consiguiente lo deja estéril.

Factores Temporales: El tiempo es otro factor necesario para que el resto de los factores

que influyen en la formación de los suelos puedan actuar.

Factores que influyen en el comportamiento de los suelos son:

Naturaleza y composición mineralógica. Los silicatos son los minerales más abundantes y

forman los minerales de las arcillas. Éstas tienen una estructura laminar en capas y

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presentan un déficit de carga negativa en su superficie que es compensado por cationes

positivos adsorbidos que compensan el déficit creando una doble capa difusa. Entre un

mineral de arcilla y otro existe una fuerza de repulsión aunque también puede ser de

atracción (fuerzas de Van der Waals). Se pueden producir uniones borde-cara. Algunos

minerales de arcilla, por su estructura laminar, pueden absorber mucha cantidad de agua

y tienen un gran poder de retención de la misma. Este agua produce un incremento de

volumen en el mineral que disminuye drásticamente cuando se seca (retracción). Se trata,

por tanto, de suelos expansivos muy perjudiciales para la construcción porque los

incrementos de volumen no se producen de manera uniforme, es decir, se originan

empujes relativos de una zona a otra y los procesos de retracción producen importantes

asientos. De cualquier modo, no todos los minerales de arcilla son igual de expansivos.

Por otro lado cabe mencionar los sulfatos, que son muy solubles, pudiendo ser disueltos y

arrastrados por los flujos de agua subterránea, perdiéndose material y aumentando,

consecuentemente, la porosidad. A veces se llegan a formar oquedades pudiendo producir

el colapso de una estructura.

Textura. Se trata de la distribución por tamaños de las partículas de un suelo. Siguiendo

la clasificación propuesta por la American Association of State Highway and

Transportation Officials (AASHTO), éste se clasificará dependiendo de su textura en

arcilla, limo, arena, grava y cantos rodados. La textura afecta al comportamiento del

suelo porque al aumentar el tamaño de las partículas también aumenta la resistencia de

éste. La textura también influye en la conductividad hidráulica; los materiales finos

tienen baja conductividad hidráulica.

Estructura. Es la disposición relativa de unas partículas respecto a otras. En los suelos

granulares la estructura viene determinada por la forma de las partículas, mientras que en

los suelos de textura fina depende del tipo de fuerzas que predominan. Superficial

natural, que sostiene la vida vegetal. Cada suelo posee ciertas propiedades que son

determinadas por el clima y los organismos vivientes que operan por períodos de tiempo

sobre los materiales de la tierra y sobre el paisaje de relieve variable.

Consolidación en suelos gruesos.

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Cuando se aplican cargas a un suelo de grano grueso seco, parcial o completamente saturado, o

cuando las cargas se aplican simplemente a un suelo seco la deformación plástica con reducción

en la relación de vacíos tiene un periodo de tiempo muy corto que se podría considerar

instantáneo para este proceso. Esto se cumple ya que el aire encerrado en los poros es fácilmente

comprimido, por lo tanto los sólidos no presentan resistencia al flujo hacia a fuera del aire a

medida que los vacíos del suelo se reducen. Si nos encontráramos con un suelo total o

parcialmente saturado la permeabilidad de este es tan grande que permite salir al agua o que

permite que el agua salga casi inmediatamente.

Tensiones horizontales en el terreno.

En un terreno horizontal, las tensiones sobre los planos horizontales aumentan linealmente con la

profundidad. Las tensiones sobre los planos verticales aumentan también de una manera regular.

La relación entre ambas es el coeficiente K0 de “empuje al reposo”, que no tiene por qué ser

constante con la profundidad: Si se introduce una pantalla infinitamente rígida y se excava en

uno de sus lados, la acción de las tierras sobre la pantalla seguirá siendo el empuje al reposo. Si

la pantalla no fuese infinitamente rígida y cediese un poco, la pantalla se separa del terreno y el

empuje decrece. Si la pantalla se sigue moviendo el terreno acabará por romperse, formándose

una cuña de empuje. Se entra en un régimen plástico donde el empuje no varía más que un poco

y el movimiento se hace constante. Se habla entonces de un estado de empuje activo, definido

por el “coeficiente de empuje activo”, Ka. En el caso de que el movimiento sea comprimiendo el

terreno, entonces las tierras oponen un efecto “pasivo”. Se entra en un estado de “empuje

pasivo”, definido por el coeficiente Kp. En los muros de contención, debido al empuje del

terreno, el cuerpo del muro puede girar respecto al pie, de tal manera que el cuerpo se encuentra

en un estado de empuje activo, mientras que el pie está sometido a un estado de empuje pasivo.

Carga de preconsolidación.

Las primeras investigaciones del doctor Terzaghi sobre el fenómeno de la consolidación de

suelos finos, lo condujeron al importante descubrimiento de que el tramo virgen de una curva de

compresibilidad es usualmente recto en un trazado semilogaritmico. Una gran cantidad de

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pruebas realizadas sobre especímenes inalterados de arcilla han corroborado que tal relación es

prácticamente cierta para casi todas las arcillas, por lo menos hasta presiones del orden de 20 kg/

cm2, esto es, para todo el intervalo de cargas en el que está interesado el ingeniero civil.

Cualquier desviación importante de la curva de compresión virgen de una muestra de arcilla

inalterada, se atribuye generalmente a variaciones en la condición de carga del suelo a lo largo de

su historia geológica y al inevitable remoldeo de las muestras de suelo extraídas para efectuar las

pruebas. La razón de esto se comprende al estudiar la forma de las curvas de descarga y

recompresión, obtenidas al cargar la muestra con incrementos de carga que le den presiones

bastante mayores que la que la consolido en el suelo y después, haciendo disminuir la carga hasta

cero y aumentándola gradualmente de nuevo a una carga aún mayor. Es un hecho afortunado el

que la pendiente del tramo virgen de la curva de compresibilidad, en trazado semilogaritmico, no

se vea afectada de un modo muy notable por las expansiones u otras deformaciones menores de

la muestra. De ahí se sigue que si el suelo está totalmente consolidado bajo una presión actual (

p1 , usualmente el peso propio del material sobreyacente), la consolidación adicional bajo un

incremento de carga ∆ p cualquiera puede calcularse con la expresión sencilla:

Consolidación de estrato de arcilla bajo diversas condiciones.

Según la Teoría de Terzaghi para la consolidación de suelos finos contiene la hipótesis básica de

que el flujo de agua en el estrato sujeto al fenómeno ocurre únicamente en una dirección. Desde

luego, el doctor Terzaghi dio una interpretación fina del mecanismo de la consolidación que

contiene, en germen, su extensión a los casos en que el flujo del agua ocurre en dos o tres

direcciones, de manera que esa extensión requiere solamente una ampliación de la herramienta

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matemática, pero no del concepto físico del problema; es conveniente hacer notar que buena

parte de esa extensión matemática fue realizada por el propio doctor Terzaghi.

Si se imagina un suelo anisótropo en el cual:

Siendo estos los valores del coeficiente de permeabilidad en tres direcciones normales entre sí,

escogidas previamente y se considera tal suelo sujeto a un flujo en esas tres direcciones, el

cambio de volumen de un elemento de volumen d x,d y , dz en tiempo dt, será:

La ecuación es obtenida siguiendo los lineamientos, considerando un flujo tridimensional y

teniendo en cuenta que el área del elemento de suelo según el plano horizontal es dx dy ahora y

no unitaria.

Teoría de Terzaghi.

Terzaghi fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga de

cimentaciones superficiales, la cual dice que una cimentación es superficial si la profundidad Df

de la cimentación es menor que o igual al ancho de la misma. Sin embargo investigadores

posteriores han sugerido que cimentaciones con Df igual a 3 ó 4 veces el ancho de la

cimentación se definen como cimentaciones superficiales.

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Terzaghi sugirió que para una cimentación continua o de franja (es decir, la razón de ancho a

largo de la cimentación tiende a 0), la superficie de falla en un suelo bajo carga última se supone

similar a la mostrada en la figura, (Note que este es el caso de la falla cortante general. El efecto

del suelo arriba del fondo de la cimentación se supone reemplazado por el efecto de una

sobrecarga equivalente q = g Df (donde g = peso específico del suelo). La zona de falla bajo la

cimentación se separa en tres partes. En su planteamiento, Terzaghi, llega a la propuesta de una

ecuación para obtener la Capacidad de Carga Ultima (a la que llama: qc), para una zapata

alargada: Y para el caso de emplearse una zapata cuadrada, propone: Donde:

qu = capacidad de carga última del suelo en t/m2 .

γ1 γ2 = peso volumétrico del suelo bajo la zapata y sobre el nivel del desplante,

respectivamente en t/m2.

C = ordenada al origen de la envolvente de resistencia corte del suelo (cohesión) en t/m2

NC, Nγ, Nq = factores de capacidad de carga, que son función del ángulo de fricción

interna del suelo. B = ancho de la zapata en m. DF = profundidad de desplante m.

Consolidación secundaria.

Es un fenómeno de flujo viscoso cuyo efecto se atribuye hoy, generalmente, al deslizamiento

progresivo diferido e el tiempo, entre las partículas del material que se reacomodan, tendiendo a

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estados más compactos, para adaptarse a la nueva condición de carga. Posiblemente puede

contribuir también alguna clase de flujo plástico de las partículas laminares constitutivas de los

suelos arcillosos. Cuando las deformaciones plásticas de las partículas aisladas o los

deslizamientos relativos entre ellas se hacen comparables a la velocidad de expulsión del agua

del volumen decreciente de los vacíos entre las partículas, es cuando el efecto se hace notable y

esto se refleja en las curvas de consolidación, dando lugar al tramo final típico, sensiblemente

recto en trazado semiogaritmico.

Los factores que afectan la velocidad de consolidación secundaria de los suelo, no están

totalmente dilucidados a la fecha y no se ha desarrollado aun ningún método de análisis del

fenómeno suficientemente correlacionado con la realidad, que sirva para predecir la magnitud de

estos efectos en la práctica.

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