Consolidación de Suelos: Conceptos Clave y Métodos de Cálculo

Tipos de Inestabilidades en los Suelos

• Colapso: Suelos como los loess pueden sufrir un colapso repentino cuando se saturan de agua, perdiendo volumen y causando asentamientos diferenciales significativos.
• Expansión y contracción: Suelos arcillosos pueden expandirse al absorber agua y contraerse al secarse, causando movimientos diferenciales en la superficie que pueden dañar estructuras.
• Licuefacción: Es un fenómeno en el que el suelo saturado pierde su rigidez y resistencia debido a una carga cíclica, como un terremoto, causando que se comporte como un líquido.
• Deslizamientos: Ocurren cuando la resistencia al corte del suelo es superada por las fuerzas actuantes, provocando el movimiento del suelo. Pueden ser causados por lluvias intensas, sismos o actividades humanas.

Ensayo Pin-Hole: Descripción y Utilidad

El ensayo Pin-Hole se utiliza para clasificar las características dispersivas del suelo mediante el diámetro final resultante del ensayo, el grado de turbidez del agua y la carga hidráulica aplicada. Se perfora un pequeño agujero en una muestra de suelo y se somete a un flujo de agua a través de él. Se observa y mide la cantidad de erosión producida alrededor del agujero.

Cálculo del Asentamiento del Suelo por Consolidación

a) Utilidad y Preferencia de las Expresiones

Estas expresiones se utilizan para calcular el asentamiento s de un suelo debido a la consolidación. La primera expresión es preferible cuando se tiene información detallada del módulo de compresibilidad volumétrica m_v y la presión efectiva Δp. La segunda expresión es preferible cuando se tiene información del índice de huecos e.

b) Signo Negativo en la Segunda Expresión

La segunda expresión lleva signo negativo porque la disminución del índice de huecos (Δe) resulta en una reducción del volumen del suelo, lo cual se traduce en un asentamiento positivo.

c) Identificación de Términos

• s: Asentamiento del suelo.
• m_v: Módulo de compresibilidad volumétrica.
• Δp: Cambio en la presión efectiva.
• H_o: Espesor inicial de la capa de suelo.
• Δe: Cambio en el índice de huecos.
• e_o: Índice de huecos inicial.

d) Obtención de Parámetros para el Cálculo de "s"

Primera expresión: m_v se obtiene de ensayos de laboratorio como el ensayo edométrico. Δp se determina a partir de los incrementos de carga aplicados. H_o es la medida inicial del espesor de la capa de suelo. Segunda expresión: Δe se determina a partir de la diferencia entre el índice de huecos inicial y final. e_o se mide inicialmente. H_o es la medida inicial del espesor de la capa de suelo.

Presión de Preconsolidación y Cuasipreconsolidación

a) Presión de Preconsolidación

La presión de preconsolidación es la máxima presión efectiva que un suelo ha soportado en el pasado. Es un valor crítico en la evaluación del comportamiento de suelos arcillosos, ya que determina el grado de sobreconsolidación del suelo y su capacidad para soportar nuevas cargas sin sufrir grandes deformaciones.

b) Presión de Cuasipreconsolidación

La presión de cuasipreconsolidación se refiere a la presión efectiva aparente en un suelo que no ha sido totalmente consolidado debido a cambios recientes en su estado de esfuerzo o condiciones hidráulicas. Es una estimación de la presión máxima soportada, considerando que el suelo aún no ha alcanzado completamente la consolidación primaria.

c) Métodos para Determinar la Presión de Preconsolidación

• Método de Casagrande
• Método del trabajo
• Método Log-Log
• Método de Pacheco Silva

El método de Casagrande es el más utilizado habitualmente para determinar la presión de preconsolidación debido a su simplicidad y precisión relativa para suelos arcillosos.

Diferencia entre Grado de Consolidación y Grado de Consolidación Medio

Se define el grado de consolidación medio como la relación entre la deformación en el instante t y la deformación final, mientras que el grado de consolidación se refiere a la proporción de la sobrepresión de poro que ha sido disipada en un punto específico del suelo en un instante dado.

Método de Asaoka: Predicción del Asentamiento Final

El Método de Asaoka se utiliza para predecir el valor final del asentamiento y estimar el coeficiente de consolidación de un suelo sometido a consolidación. Este método se basa en los datos de asentamientos medidos durante un periodo de tiempo y ajusta una recta a los puntos obtenidos para determinar el asentamiento final.

1. Se mide una serie de asentamientos en intervalos de tiempo iguales.
2. Se representa el asentamiento S_j frente al asentamiento anterior S_j-1.
3. Se ajusta una recta a estos puntos.
4. La intersección de esta recta con la bisectriz proporciona una estimación del asentamiento final.
5. El coeficiente de consolidación c_v se puede determinar a partir de la pendiente de la recta ajustada o la ordenada en el origen de dicha recta.

El Método de Asaoka es especialmente útil en la práctica geotécnica porque permite realizar predicciones confiables sobre el comportamiento de los asentamientos en el suelo, lo cual es crucial para el diseño y evaluación de estructuras y cimentaciones.

Cálculo del Asentamiento por Consolidación Secundaria

Esta expresión se utiliza para calcular el asentamiento por consolidación secundaria de un suelo a lo largo del tiempo. La consolidación secundaria es el asentamiento adicional que ocurre después de que la consolidación primaria ha finalizado y las presiones efectivas permanecen constantes. Este tipo de asentamiento es importante en suelos arcillosos y orgánicos donde los efectos de consolidación secundaria pueden ser significativos.

• ΔH_s(t): Cambio en el espesor del suelo debido a la consolidación secundaria en el tiempo t.
• H_f: Espesor final del estrato de suelo después de la consolidación primaria.
• C_α: Coeficiente de consolidación secundaria, que es una medida de la tasa de consolidación secundaria.
• t: Tiempo en el cual se está calculando el asentamiento.
• t_f: Tiempo al final de la consolidación primaria, generalmente tomado como t₉₀, es decir, el tiempo en el que el 90% de la consolidación primaria ha ocurrido.

Ventajas y Desventajas de la Precarga con Sobrecarga

La ventaja que presenta la precarga con sobrecarga es que el tiempo hasta alcanzar el asiento deseado es mucho menor. La desventaja es que si la sobrecarga se deja aplicada más del tiempo necesario, el asiento en el lecho será muy grande y se puede dar una sobreconsolidación.

Consolidación Secundaria: Causas y Consecuencias

No, la consolidación secundaria no se produce por disipación de sobrepresiones intersticiales. Se produce para valores de la presión efectiva constantes y se asume que se manifiesta principalmente cuando se han disipado todas las sobrepresiones intersticiales. Es mayor cuanto menor es el espesor de la probeta, por ello, in situ suele tener menos importancia de la que manifiesta el ensayo en laboratorio.

Método de las Isócronas Parabólicas

El método de las isócronas parabólicas se basa en asumir que las isócronas pueden asimilarse a parábolas. Se puede utilizar en condiciones edométricas, con distribución de sobrepresiones rectangulares. El tiempo crítico es aquel para el cual se han disipado ya parte de las sobrepresiones intersticiales en toda la capa de suelo menos en un punto (el punto central o el punto inferior o superior, según se trate de capas abiertas o capas semiabiertas). El asiento para el tiempo crítico es de 1/3 del asiento final.