Para las fundaciones en suelos cohesivos rígidos el asentamiento elástico se puede determinar usando la Ecuación 10.6.2.2.3b-1.
Para las fundaciones en suelos cohesivos se deberán investigar tanto los asentamientos inmediatos como los
asentamientos por consolidación. En las arcillas altamente plásticas y orgánicas los asentamientos secundarios pueden ser significativos y por lo tanto se deberán incluir en el análisis.
Cuando los resultados de los ensayos realizados en laboratorio se expresan en términos de la relación de vacíos (e), el asentamiento por consolidación de las zapatas en suelos cohesivos saturados o prácticamente saturados se puede considerar como:
• Para suelos inicialmente sobreconsolidados (es decir, σ'p > σ'o):
• Para suelos inicialmente normalmente consolidados (es decir, σ'p = σ'o):
• Para suelos inicialmente subconsolidados (es decir, σ'p < σ'o):
Cuando los resultados de los ensayos realizados en laboratorio se expresan en términos de la deformación unitaria vertical, εv, el asentamiento por consolidación se puede considerar como:
• Para suelos inicialmente sobreconsolidados (es decir, σ'p > σ'o):
• Para suelos inicialmente normalmente consolidados (es decir, σ'p = σ'o):
• Para suelos inicialmente subconsolidados (es decir, σ'p < σ'o)
En la práctica la mayoría de las zapatas en suelos cohesivos están más fundadas en arcillas sobre-consolidadas, y los asentamientos se pueden estimar usando la teoría de la elasticidad (Baguelin et al. 1978) o el método del módulo tangente (Janbu 1963, 1967). Los asentamientos de las zapatas en arcilla sobreconsolidada generalmente ocurren aproximadamente un orden de magnitud más rápido que en los suelos sin preconsolidación, y es razonable asumir que ocurren tan pronto como se aplican las cargas.
En raras ocasiones un estrato de suelo cohesivo puede exhibir una presión de preconsolidación menor que el valor calculado de la presión debida a la sobrecarga de suelo existente. En estos casos se dice que el suelo está subconsolidado, ya que aún no ha alcanzado un estado de equilibrio bajo la tensión debida a la sobrecarga aplicada.
Esta condición puede haber sido provocada por una reciente disminución del nivel freático. En este caso ocurrirá asentamiento por consolidación debido a la carga adicional de la estructura y el asentamiento que está ocurriendo para llegar a un estado de equilibrio. El asentamiento por consolidación total debido a estas dos componentes se puede estimar utilizando las Ecuaciones 3 ó 6.
Para tomar en cuenta la disminución de la tensión a medida que aumenta la profundidad debajo de una zapata y las variaciones de la compresibilidad del suelo en función de la profundidad, el estrato compresible se debería dividir en incrementos verticales (típicamente de 1500 a 3000 mm para la mayoría de las zapatas de ancho normal utilizadas en aplicaciones viales) y se debería analizar separadamente el asentamiento por consolidación de cada incremento. El valor total de Sc es la sumatoria de los Sc para cada incremento.
La magnitud del asentamiento por consolidación depende de las propiedades de consolidación del suelo (es decir, Cc [o bien CcE] y Ccr [o bien CrE], la presión de preconsolidación (σ'p), la tensión efectiva vertical actual (σ'o) y la tensión efectiva vertical final después de la aplicación de cargas adicionales (σ'f). La condición del suelo ilustrada en las Figuras 1 y 2 corresponde a un suelo sobreconsolidado (σ'o < σ'p), es decir un suelo que estuvo cargado previamente por los estratos que yacían sobre él, la disecación, la disminución del nivel freático, glaciaciones o algún otro proceso geológico. Si σ'o = σ'p el suelo se denomina normalmente consolidado. Debido a que Ccr típicamente es igual a 0,05Cc a 0,10Cc, para poder estimar el asentamiento por consolidación de manera confiable es necesario comprender plenamente el historial de las presiones a las cuales ha estado sometido el depósito de suelo.
La confiabilidad de las estimaciones del asentamiento por consolidación también depende de la calidad de la
muestra utilizada para el ensayo de consolidación y de la exactitud con la cual se conocen o estiman los cambios de σ'p en función de la profundidad. Como se ilustra en la Figura C1, la pendiente de la curva e versus log σ'p y la ubicación de σ'p se pueden ver fuertemente afectadas por la calidad de las muestras utilizadas para los ensayos de consolidación en laboratorio. En general, el uso de muestras de baja calidad dará por resultado una sobreestimación del asentamiento por consolidación. Típicamente el valor de σ'p variará con la profundidad como se ilustra en la Figura C2.
Si no se conoce la variación de σ'p en función de la profundidad (por ejemplo, si para el perfil del suelo se
realizó solamente un ensayo de consolidación), es posible que los asentamientos reales sean mayores o menores que el valor calculado en base a un único valor de σ'p.
Figura C10.6.2.2.3c-1 − Influencia de la calidad de lamuestra sobre la consolidación (Holtz y Kovacs 1981)
Figura 10.6.2.2.3c-1 − Típica curva de compresión por consolidación para suelo sobreconsolidado - Relación de vacíos en función de la tensión efectiva vertical (EPRI 1983)
Si el ancho de la zapata es pequeño con relación al espesor del suelo compresible se deberá considerar el efecto de la carga tridimensional, el cual se puede tomar como:
donde:
µc = factor de reducción tomado como se especifica en la Figura 3 (adimensional)
Sc (1-D) = asentamiento por consolidación unidimensional (mm)
La altura del recorrido de drenaje es la mayor distancia entre cualquier punto de un estrato compresible y un estrato con drenaje en la parte superior y/o inferior de la unidad de suelo compresible. Cuando un estrato compresible está ubicado entre dos estratos de drenaje, Hd es igual a la mitad de la altura real del estrato. Cuando un estrato compresible está adyacente a un único estrato de drenaje, Hd es igual a la altura real del estrato.
Los cálculos para predecir la velocidad de consolidación en base a resultados de ensayos en laboratorio generalmente tienden a sobreestimar el tiempo real requerido para que la consolidación ocurra in situ. Esta sobreestimación se debe principalmente a:
• La presencia de estratos de drenaje de poco espesor dentro del estrato compresible que no fueron observados durante la exploración del suelo o no se consideraron en el cálculo del asentamiento;
• Los efectos de la disipación tridimensional de las presiones del agua intersticial in situ, antes que la disipación unidimensional que imponen los ensayos de consolidación en laboratorio y que se suponen en los análisis; y
• Los efectos de la alteración de las muestras, que tiende a reducir la permeabilidad de las muestras ensayadas en laboratorio.
El tiempo (t) necesario para alcanzar un porcentaje determinado del asentamiento por consolidación unidimensional estimado se puede tomar como:
donde:
T = factor de tiempo que se toma como se especifica en la Figura 4 (adimensional)
Hd = altura del recorrido de drenaje más largo en un estrato de suelo compresible (mm)
cv = coeficiente que se toma de los resultados de ensayos de consolidación realizados en laboratorio sobre muestras de suelo inalterado o de mediciones in situ utilizando dispositivos tales como una sonda o un cono piezométrico (mm2/año)
El asentamiento secundario de las zapatas en suelos cohesivos se puede tomar como:
donde:
t1 = tiempo en el cual comienza el asentamiento secundario, típicamente en un tiempo equivalente al 90 por ciento del grado de consolidación promedio (años)
Winterkorn y Fang (1975) presentan valores de T para otras distribuciones de las presiones en exceso.
El asentamiento secundario se produce como resultado del reajuste continuo del esqueleto del suelo bajo cargas sostenidas. El asentamiento secundario es más importante para las arcillas altamente plásticas y los suelos orgánicos y micáceos. Aún no se comprende totalmente el mecanismo de los asentamientos secundarios, particularmente en el caso de las arcillas altamente plásticas y orgánicas. En consecuencia, los asentamientos secundarios calculados se deben considerar exclusivamente como estimaciones aproximadas.
t2 = tiempo arbitrario que podría representar la vida de servicio de la estructura (años)
Cae = coeficiente estimado a partir de los resultados de ensayos de consolidación realizados en laboratorio sobre muestras de suelo inalteradas (adimensional).
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