Consolidación del suelo

La consolidación del suelo se refiere al proceso mecánico por el cual el suelo cambia gradualmente de volumen en respuesta a un cambio de presión . Esto ocurre porque el suelo es un material trifásico. La primera fase consiste en granos de suelo, y una combinación de vacío (aire) u otro fluido (típicamente agua subterránea) comprende la segunda y la tercera fase. Cuando un suelo saturado de agua se somete a un aumento de presión, la alta rigidez volumétrica del agua en comparación con la matriz del suelo significa que el agua absorbe inicialmente todo el cambio de presión sin cambiar de volumen, creando un exceso de presión de agua intersticial . A medida que el agua se difunde lejos de las regiones de alta presión debido a la filtración , la matriz del suelo absorbe gradualmente el cambio de presión y se contrae en volumen. El marco teórico de la consolidación está, por lo tanto, estrechamente relacionado con el concepto de esfuerzo efectivo y conductividad hidráulica . Los primeros modelos teóricos modernos fueron propuestos hace un siglo, según dos enfoques diferentes, por Karl Terzaghi y Paul Fillunger . El modelo de Terzaghi es actualmente el más utilizado en la práctica de la ingeniería y se basa en la ecuación de difusión . ^{[ 1 ]}

En sentido estricto, la «consolidación» se refiere estrictamente a esta respuesta volumétrica retardada al cambio de presión debido al movimiento gradual del agua. Algunas publicaciones también utilizan el término «consolidación» en sentido amplio, para referirse a cualquier proceso por el cual el suelo cambia de volumen debido a un cambio en la presión aplicada. Esta definición más amplia abarca el concepto general de compactación , subsidencia y levantamiento del suelo . Algunos tipos de suelo, principalmente aquellos ricos en materia orgánica , presentan una fluencia significativa , por la cual el suelo cambia de volumen lentamente a una tensión efectiva constante durante un período de tiempo mayor que la consolidación debida a la difusión del agua. Para distinguir entre ambos mecanismos, la «consolidación primaria» se refiere a la consolidación debida a la disipación del exceso de presión del agua, mientras que la «consolidación secundaria» se refiere al proceso de fluencia.

Los efectos de la consolidación son más evidentes cuando un edificio se asienta sobre una capa de suelo de baja rigidez y permeabilidad, como la arcilla marina , lo que provoca grandes asentamientos a lo largo de los años. Entre los tipos de proyectos de construcción donde la consolidación suele suponer un riesgo técnico se incluyen la recuperación de terrenos , la construcción de terraplenes y la excavación de túneles y sótanos en arcilla.

Los ingenieros geotécnicos utilizan edómetros para cuantificar los efectos de la consolidación. En una prueba de edómetro, se aplica una serie de presiones conocidas a un disco delgado de muestra de suelo y se registra el cambio de espesor de la muestra con el tiempo. Esto permite cuantificar las características de consolidación del suelo en términos del coeficiente de consolidación (${\displaystyle C_{v}}$) y conductividad hidráulica (${\displaystyle K}$).

Las arcillas experimentan asentamientos por consolidación no solo por la acción de cargas externas (sobrecargas), sino también bajo su propio peso o el peso de los suelos que se encuentran sobre la arcilla.

Las arcillas también sufren asentamientos cuando se deshidratan (bombeo de agua subterránea) debido a que aumenta la tensión efectiva sobre la arcilla.

Los suelos de grano grueso no experimentan asentamiento por consolidación debido a su conductividad hidráulica relativamente alta en comparación con las arcillas. En cambio, los suelos de grano grueso experimentan un asentamiento inmediato.

Los primeros modelos teóricos modernos para la consolidación del suelo fueron propuestos en la década de 1920 por Terzaghi y Fillunger , según dos enfoques sustancialmente diferentes. ^{[ 1 ]} El primero se basaba en ecuaciones de difusión en notación euleriana , mientras que el segundo consideraba la ley de Newton local para las fases líquida y sólida, en la que las variables principales, como la presión parcial, la porosidad, la velocidad local, etc., se incorporaban mediante la teoría de mezclas . Terzaghi adoptó un enfoque de ingeniería para el problema de la consolidación del suelo y proporcionó modelos simplificados que aún se utilizan ampliamente en la práctica de la ingeniería actual, mientras que, por otro lado, Fillunger adoptó un enfoque riguroso para los problemas mencionados y proporcionó modelos matemáticos rigurosos que prestaban especial atención a los métodos de promediado local de las variables involucradas. El modelo de Fillunger era muy abstracto e incluía variables difíciles de detectar experimentalmente y, por lo tanto, no era aplicable al estudio de casos reales por parte de ingenieros y/o diseñadores. Sin embargo, sentó las bases para estudios teóricos avanzados de problemas particularmente complejos. Debido a las diferentes aproximaciones de ambos científicos al problema de la consolidación, surgió una amarga disputa científica entre ellos, que lamentablemente tuvo un trágico final en 1937. Tras el suicidio de Fillunger, sus resultados teóricos cayeron en el olvido durante décadas, mientras que los métodos propuestos por Terzaghi se difundieron ampliamente entre científicos y profesionales. En las décadas siguientes, Biot desarrolló por completo la teoría tridimensional de la consolidación del suelo, extendiendo el modelo unidimensional propuesto previamente por Terzaghi a hipótesis más generales e introduciendo el conjunto de ecuaciones básicas de la poroelasticidad . Hoy en día, el modelo unidimensional de los Terzaghi sigue siendo el más utilizado por los ingenieros por su simplicidad conceptual y porque se basa en datos experimentales, como los ensayos de edómetro , que son relativamente sencillos, fiables y económicos, y para los que se conocen bien las soluciones teóricas en forma cerrada. Según el "padre de la mecánica de suelos ", Karl von Terzaghi , la consolidación es "cualquier proceso que implique una disminución del contenido de agua en un suelo saturado sin que el agua sea reemplazada por aire". En términos más generales, la consolidación se refiere al proceso por el cual los suelos cambian de volumen en respuesta a un cambio de presión , abarcando tanto la compactación como la hinchazón. ^{[ 2 ]}

La consolidación es el proceso en el que se produce una reducción de volumen por la expulsión o absorción gradual de agua bajo cargas estáticas a largo plazo. ^{[ 3 ]}

Cuando se aplica tensión a un suelo, las partículas se compactan más. En suelos saturados de agua, esto provoca que el agua se comprima y se expulse. La magnitud de la consolidación se puede predecir mediante diversos métodos. En el método clásico desarrollado por Terzaghi, se analizan los suelos con un edómetro para determinar su compresibilidad. En la mayoría de las formulaciones teóricas, se asume una relación logarítmica entre el volumen de la muestra de suelo y la tensión efectiva soportada por las partículas. La constante de proporcionalidad (cambio en la relación de vacíos por orden de magnitud de cambio en la tensión efectiva) se conoce como índice de compresión y se representa con el símbolo γ.${\displaystyle \lambda }$cuando se calcula en logaritmo natural y${\displaystyle C_{C}}$cuando se calcula en logaritmo de base 10. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Esto se puede expresar mediante la siguiente ecuación, que se utiliza para estimar el cambio de volumen de una capa de suelo:

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{z0}'}}\right)\ }$

dónde

δ _c es el asentamiento debido a la consolidación.

C _c es el índice de compresión.

e ₀ es la relación de vacíos inicial .

H es la altura del suelo compresible.

σ _zf es la tensión vertical final.

σ _z0 es la tensión vertical inicial.

Cuando se elimina la tensión de un suelo consolidado, este se recupera, obteniendo parte del volumen perdido durante el proceso de consolidación. Si se vuelve a aplicar la tensión, el suelo se consolidará nuevamente siguiendo una curva de recompresión, definida por el índice de recompresión. La pendiente de las líneas de hinchamiento y recompresión en un gráfico de la relación de vacíos frente al logaritmo de la tensión efectiva, a menudo idealizada para tomar el mismo valor, se conoce como el "índice de hinchamiento" (representado por el símbolo ΔH).${\displaystyle \kappa }$cuando se calcula en logaritmo natural y${\displaystyle C_{S}}$cuando se calcula en logaritmo de base 10) .

C _c puede ser reemplazado por C _r (el índice de recompresión) para su uso en suelos sobreconsolidados donde la tensión efectiva final es menor que la tensión de preconsolidación. Cuando la tensión efectiva final es mayor que la tensión de preconsolidación, las dos ecuaciones deben usarse en combinación para modelar tanto la porción de recompresión como la porción de compresión virgen de los procesos de consolidación, como sigue:

${\displaystyle \delta _{c}={\frac {C_{r}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zc}'}{\sigma _{z0}'}}\right)+{\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{zc}'}}\right)\ }$

donde σ _zc es la tensión de preconsolidación del suelo.

Este método supone que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Se utilizan datos de laboratorio para construir una gráfica de deformación o relación de vacíos frente a la tensión efectiva, donde el eje de tensión efectiva se encuentra en una escala logarítmica . La pendiente de la gráfica es el índice de compresión o índice de recompresión. La ecuación para el asentamiento por consolidación de un suelo normalmente consolidado se puede determinar como:

Un suelo al que se le ha retirado la carga se considera "sobreconsolidado". Este es el caso de los suelos que previamente estuvieron cubiertos por glaciares o que se han visto afectados por la subsidencia del terreno . ^{[ 5 ]} La tensión máxima a la que ha estado sometido se denomina " tensión de preconsolidación ". El "índice de sobreconsolidación" (OCR) se define como la tensión máxima experimentada dividida por la tensión actual. Un suelo que actualmente experimenta su tensión máxima se considera "normalmente consolidado" y tiene un OCR de uno. Un suelo podría considerarse "subconsolidado" o "no consolidado" inmediatamente después de aplicar una nueva carga, pero antes de que se haya disipado el exceso de presión del agua intersticial . Ocasionalmente, los estratos de suelo formados por deposición natural en ríos y mares pueden existir con una densidad excepcionalmente baja, imposible de alcanzar en un edómetro ; este proceso se conoce como "consolidación intrínseca". ^{[ 6 ]}

La formulación teórica anterior supone que el cambio de volumen de una unidad de suelo, dependiente del tiempo, solo depende de las variaciones en la tensión efectiva debidas al restablecimiento gradual de la presión de poro en estado estacionario. Esto se cumple para la mayoría de los tipos de arena y arcilla con bajo contenido de materia orgánica. Sin embargo, en suelos con alto contenido de materia orgánica, como la turba , también se produce el fenómeno de fluencia , en el que el suelo cambia de volumen gradualmente a una tensión efectiva constante. La fluencia del suelo suele deberse al comportamiento viscoso del sistema arcilla-agua y a la compresión de la materia orgánica.

Este proceso de fluencia se conoce a veces como «consolidación secundaria» o «compresión secundaria» porque también implica un cambio gradual del volumen del suelo en respuesta a la aplicación de una carga; la denominación «secundaria» lo distingue de la «consolidación primaria», que se refiere al cambio de volumen debido a la disipación del exceso de presión del agua intersticial. La fluencia suele producirse en una escala temporal mayor que la consolidación (primaria), de modo que incluso después de restablecerse la presión hidrostática, se produce cierta compresión del suelo a un ritmo lento.

Analíticamente, se supone que la tasa de fluencia disminuye exponencialmente con el tiempo transcurrido desde la aplicación de la carga, lo que da como resultado la fórmula:

${\displaystyle S_{s}={\frac {H_{0}}{1+e_{0}}}C_{a}\log \left({\frac {t}{t_{95}}}\right)\ }$

donde H ₀ es la altura del medio consolidante; e ₀ es la relación de vacíos inicial; C _a es el índice de compresión secundaria; t es el tiempo transcurrido después de la consolidación considerada; y t ₉₅ es el tiempo necesario para alcanzar el 95% de consolidación.

Coeficiente de compresibilidad${\displaystyle a_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma _{'}}}}$ La compresibilidad de las muestras saturadas de minerales arcillosos aumenta en el orden caolinita < illita < esmectita . El índice de compresión C _c , que se define como el cambio en la relación de vacíos por cada aumento de 10 veces en la presión de consolidación, está en el rango de 0,19 a 0,28 para la caolinita, de 0,50 a 1,10 para la illita y de 1,0 a 2,6 para la montmorillonita, para diferentes formas iónicas. ^{[ 7 ]} Cuanto más compresible es la arcilla, más pronunciadas son las influencias del tipo de catión y la concentración de electrolitos sobre la compresibilidad.

Coeficiente de compresibilidad volumétrica${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta V/V}{\Delta \sigma _{'}}}={\frac {a_{v}}{\Delta \sigma _{'}}}}$

• Compactación (geología)
• Asentamiento (estructural)
• Mecánica de suelos
• consolidación al vacío

• Coduto, Donald (2001), Diseño de cimientos , Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
• Kim, Myung-mo (2000), Mecánica de suelos (en coreano) (4.ª  ed.), Seúl : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
• Terzaghi, Karl (1943), Mecánica teórica de suelos , John Wiley & Sons, Inc., pág.  265