Propiedades y Comportamiento de Suelos: Consolidación, Compactación y Diseño de Filtros

Consolidación y Compactación

• Consolidación: Se denomina a la reducción gradual de volumen de una masa de suelo resultante del aumento en el esfuerzo compresivo debido a cargas estáticas.
• Compactación: Se denomina a la densificación de un suelo logrado por medios mecánicos, con el fin de darle mejores propiedades como material, al volverlo más resistente y menos compresible.

Deformaciones de un Suelo por Cargas Compresivas

• Deformación elástica: Es aquella en la que se recobran la forma y dimensiones originales del material al cesar la fuerza deformadora. Durante el tiempo que dura la acción, hay un cambio de volumen.
• Deformación plástica: Es aquella en la que el cuerpo es deformado hasta más allá del límite de recuperación, sin agrietamiento ni cambio apreciable de volumen. La nueva forma adquirida por el cuerpo por acción de la carga se conserva después de que se ha cesado dicha acción.
• Deformación compresiva: En esta hay cambio o reducción de volumen como efecto de las cargas, que se conserva después de que estas han dejado de actuar.

Teoría de Consolidación de Karl Terzaghi (1925)

La teoría de consolidación, propuesta por Karl Terzaghi en 1925, describe la tasa de asentamiento de un suelo bajo una carga determinada, con base en los resultados de ensayos de consolidación en el laboratorio.

Clases de Consolidación

• Consolidación instantánea: Se llama así a una reducción inicial, rapidísima, del volumen de una masa de suelo bajo una carga aplicada, debida principalmente a la expulsión y compresión del gas que llena los vacíos del suelo.
• Consolidación primaria: Es la reducción en volumen de una masa de suelo causada por la aplicación de una carga, debida principalmente a la expulsión del agua de los poros de la masa y acompañada por una transferencia de la carga.
• Consolidación secundaria: Se llama a la reducción en volumen de una masa de suelo, causada por la aplicación de una carga, debida principalmente al reajuste de la estructura interna de la masa de este, después de que la mayor parte de la carga ha sido transferida del agua intersticial al esqueleto sólido del suelo.

Diseño de Filtros Críticos

Propiedades:

• Ser permeables, más que los suelos a los que protegen.
• Ser estables, deben impedir la migración a su través de las partículas del suelo base.
• Ser autoestables, es decir, que sus partículas propias no puedan emigrar hacia fuera de él.

La permeabilidad de un filtro debe ser por lo menos 20 veces superior a la del suelo base.

El criterio empírico más extendido para proyectar capas de filtro es el de Terzaghi, el cual tiene en cuenta la granulometría de los suelos en contacto. Entre dos capas consecutivas se han de cumplir las condiciones:

kd15 <= D15 <= Kd85

Donde:

• K = un coeficiente comprendido entre 4 y 5
• d15 = diámetro que deja pasar el 15% del material a proteger
• d85 = diámetro que deja pasar el 85% del material a proteger
• D15 = diámetro que deja pasar el 15% del material de filtro

Ley de Darcy

Q = K * i * F

Donde:

• K = coeficiente de permeabilidad del filtro
• i = pendiente de la línea de saturación de la red de flujo en el filtro
• F = sección normal del dren (espesor por metro de la longitud de la presa)

Una estimación inicial del valor del coeficiente de permeabilidad se puede obtener con la fórmula de Hazen:

K[cm/s] = 100 * (D10)^2; D10 en cm

En el caso de un filtro inclinado, se asume que todo el caudal que atraviesa el dispositivo de estanqueidad drena por la sección del pie del mismo que tiene un ancho B1, de modo que se tiene por unidad de largo de la presa un caudal:

Q1 = K1 * i * B1, si se hace i = H * sen(B) / H queda:

B1 = Q1 / (k1 * sen(B))

Para el filtro horizontal se tiene una captación de caudal (Q2), proveniente de la fundación, se recurre a la fórmula de Dupuit:

Q = Q1 + Q2 = k2 * (H^2 - h^2) / (2L)

Donde:

• k2 = coeficiente de permeabilidad del filtro horizontal de longitud L
• H = carga hidráulica al inicio del filtro
• h = carga hidráulica al final del filtro