LAS ARCILLAS Y SUS COMPLICACIONES. PARTE I: COMPRENDIENDO EL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL #EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS

in StemSocial12 days ago

PRESENTACIÓN

Es muy grato “EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA” sobre temas que me apasionan y que representan mis áreas principales de formación, tocándole el turno en esta oportunidad al área de la GEOTECNIA, abordando para la prestigiosa subcomunidad de StemSocial como lo es STEM-ESPANOL a través del acostumbrado conversatorio que se realiza cada semana, un tema súper importante en la Mecánica de Suelos Saturados como lo representa el fenómeno de Consolidación Unidimensional, para así dar inicio a una serie temática que tiene como lema principal “LAS ARCILLAS Y SUS COMPLICACIONES”.

Imagen N°01: temática abordada en el conversatorio

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

Quiero acotar que el estudio del fenómeno de consolidación es bastante amplio, muestra de ello lo pueden apreciar en la sección de lecturas recomendadas donde se materializa mi esfuerzo en buscar presentar las ideas del tema de una forma didáctica, tema del cual me queda mucho camino por recorrer en su abordaje, constituyendo los diferentes tópicos abordados en el conversatorio una sinopsis didáctica que a través del recurso audiovisual presentado y esta publicación, orienta a estudiantes, profesionales de la ingeniería civil y curiosos del saber de una forma práctica y sencilla a internarse en el fascinante estudio de la consolidación unidimensional de las arcillas.

Video N°01: desarrollo del conversatorio


Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

A continuación vamos a extraer las principales ideas abordadas en los diferentes tópicos tratados en el conversatorio, el cual viene a ser el séptimo que lidero en la comunidad, hecho que sin lugar a dudas es todo un honor. Disfrutemos de la lectura:

IMPORTANCIA DEL TEMA A ESTUDIAR TOMANDO COMO REFERENCIA UNA CONSECUENCIA GENERAL: HUNDIMIENTOS DEL SUELO

Al proyectar una edificación, un aspecto trascendental es conocer las condiciones del suelo donde será fundada, puesto que este será el soporte de la misma. En la imagen N°02 se aprecian dos monumentos culturales ubicados en Italia y México, como lo son la Torre de Pisa y el Palacio de Bellas Artes respectivamente. El primer caso experimenta un asentamiento diferencial y el segundo un asentamiento uniforme.

Imagen N°02: un enfoque práctico del problema

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas son de uso libre, y las mismas fueron descargadas del portal web de pixabay .

A través de estos casos de estudio real, se buscó despertar la curiosidad en la audiencia en cuanto al hecho de encontrar respuestas que expliquen lo que está pasando a nivel de suelo, cuyo hundimiento provoca consecuencias visibles. Mientras más pesada sea la estructura los asentamientos cobran una importancia notoria. De los diferentes tipos de suelos, nos vamos a centrar en los suelos arcillosos, cuyos asentamientos son fascinantes porque ocurren diferidos en el tiempo. Y uno de los aspectos que contribuyen a la comprensión de este fenómeno, está en el entendimiento del principio de esfuerzos efectivos.

ESTUDIO DEL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS

Este punto fue abordado haciendo un contraste de un suelo seco con un suelo saturado, en este último la presencia de agua disminuye el contacto efectivo entre las partículas. En términos rigurosos esta presencia de agua se expresa en términos de presión hidrostática “uh.

@eliaschess333 pero ¿qué significa la “u” solita”?

Analicemos la siguiente imagen:

Imagen N°03: presión hidrostática “uh” vs. “u”

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imagen presentada fue capturada por mi Redmi Note 7A.

Al fundar una edificación esta transmite cargas al suelo, el cual para los fines de la temática estudiada vamos a estar considerando que se trata de una arcilla que en condición saturada al ser sometida a cargas experimenta un exceso de presión a la hidrostática “u” cuya disipación en el tiempo va a contribuir al aumento del contacto efectivo entre partículas, y por ende de los valores de esfuerzo efectivo “ σ’ ”. Si deseas expandir tus ideas en torno a este tema, te recomiendo la lectura de la referencia N°08 . Por lo que ahora concierne me parece oportuno el planteamiento de la siguiente interrogante:

¿Por qué pasa ese exceso de presión a la hidrostática?

La respuesta la podemos encontrar en el desarrollo del siguiente tópico:

ABORDAJE DE LAS ARCILLAS DESDE UN ENFOQUE GRANULOMÉTRICO E HIDRÁULICO

Desde el punto de vista granulométrico las arcillas son aquellos suelos con granos de partículas de diámetro menor a 0.002 mm, lo cual asociado a la plasticidad que las caracteriza, tenemos entonces desde un punto de vista hidráulico un comportamiento marcado por una baja permeabilidad. En el esquema conceptual que se muestra a continuación se intenta saturar con agua un frasco lleno de arena y otro de arcilla. En el desarrollo del conversatorio se hizo la pregunta: ¿cuál se satura primero?

Imagen N°04: un contraste de valores de “k”

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas por mi redmi note 7A y tablet VIT - T4000.

Se aprecia en la imagen que la arena claramente se satura primero, mientras que el caso de la arcilla del vaso de la derecha, el agua tarda mucho más para saturarla en su totalidad, lo cual no es de extrañar, dado que la conductividad hidráulica de este suelo, gira en torno a:

En comparación de una arena, que para el caso de ser fina su conductividad hidráulica es mucho mayor, tendiendo a:

En este orden de ideas, para el caso del suelo que nos ocupa como lo representa la arcilla, su composición granulométrica y permeabilidad (en el orden de “10E-6 cm/seg”) nos dan ciertas señales del porqué los asentamientos que experimenta el suelo en cuestión ante la aplicación de cargas ocurren diferidos en el tiempo; no obstante, todo lo estudiado hasta el momento es una preparación conceptual para comprender la analogía mecánica de Terzagui y finalmente lograr un concepto claro de lo que es la consolidación de las arcillas. En la referencia N°09 puedes estudiar la contraparte de este fenómeno, es decir, la expansión.

EL PORQUÉ DE LOS ASENTAMIENTOS DIFERIDOS EN EL TIEMPO: ANALOGÍA MECÁNICA DE TERZAGHI

Terzagui es considerado como el padre de la mecánica de suelos moderna, porque sus aportes le dieron un basamento científico, y sus ideas en torno al fenómeno de la consolidación prevalecen en el tiempo; dichas ideas se materializan de forma súper práctica en lo que fue denominado la Analogía Mecánica de Terzagui, la cual permite explicar fácilmente la ecuación diferencial que rige el fenómeno de consolidación:

Imagen N°05: variación de “u” en el tiempo

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas por mi tablet VIT - T4000.

Este fenómeno está íntimamente vinculado al tiempo “t” requerido para que la presión en exceso a la hidrostática “u” sea disipada completamente, lo que a su vez va a depender de la profundidad del estrato “z”. Dado que se depende de dos variables, es decir, “t” y “z”, se trabaja con derivadas parciales. En la referencia N°04 te puede deleitar con la solución analítica y matemática de la ecuación N°03, así como también de un recurso audiovisual donde explico a través de un experimento casero esta analogía, que permite afianzar la idea de que la consolidación son asentamientos que ocurren diferidos en el tiempo.

EXPERIENCIA EN LABORATORIO

Una vez comprendidos los principios que rigen el fenómeno de consolidación, se invitó a la audiencia a viajar al laboratorio de Mecánica de Suelos, presentando el consolidómetro; algunas capturas del mismo podemos apreciar en la imagen N°06.

Imagen N°06: información de relevancia obtenida en laboratorio

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas por mi tablet VIT - T4000. Los gráficos de compresibilidad y consolidación son capturas de pantalla realizadas al programa Microsoft Excel.

Se aprecia que hay unas partes del consolidómetro que sirven para la aplicación de los incrementos de cargas, los cuales han de realizarse en función de las cargas que la estructura va a transmitir al suelo, para que el ensayo sea representativo en el diseño de la cimentación desde el punto de vista geotécnico. En la referencia N°07 puedes ahondar un poco más en la experiencia de laboratorio, cuya información obtenida de mayor relevancia está representada por la curva de consolidación y la de compresibilidad.

EXTRAPOLACIÓN DE RESULTADOS AL CAMPO: IDEAS SOBRE LA DISTORSIÓN ANGULAR

En el desarrollo de esta importante actividad educativa, consideré oportuno asociar la información que se obtiene en el laboratorio con el campo, y retomo los dos casos típicos de edificaciones que presenté al principio, representados por el Palacio de Bellas Artes en México y la Torre de Pisa en Italia. Son casos bastantes didácticos de abordar, ya que el primero presenta un asentamiento uniforme y el segundo un asentamiento diferencial, siendo el segundo mucho más perjudicial, por esos esfuerzos extras que van afectar a elementos estructurales y no estructurales (paredes) que se pueden visualizar en grietas, y por poner en peligro la estabilidad de la construcción como ocurrió en la Torre de Pisa en los primeros años de construcción.

Imagen N°07: interacción de la estructura con el suelo

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas son de uso libre, y las mismas fueron descargadas del portal web de pixabay .

Es interesante el surgimiento del concepto de la distorsión angular, porque es una forma práctica de cuantificar los asentamientos diferenciales, para asociarlos con aspectos de carácter cualitativo como los desarrollados por Bjerrum, 1963, una referencia que se mantiene plenamente en vigencia. Uno de los datos fundamentales para estimar la distorsión angular son los asentamientos diferenciales, los cuales en el tópico que sigue vamos a ver como se obtienen. Una vez conocidos, estos se dividen por la distancia que separa los apoyos (ver ecuación en el esquema conceptual de la imagen N°07).

ABORDAJE PRÁCTICO DE LA DISTORSIÓN ANGULAR

En el esquema conceptual de la imagen N°08 se aprecia un algoritmo que permite hacernos una idea del procedimiento a seguir para calcular los asentamientos diferenciales señalados anteriormente. Se aprecia lo importante que es conocer la curva de compresibilidad del suelo; al mismo tiempo lo relevante de la continua comunicación entre el ingeniero encargado de esta parte y el calculista de la estructura, quien facilita la información de las cargas que la estructura va a transmitir al suelo.

Imagen N°08: ideas prácticas para el cálculo de la distorsión angular

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. La imagen presentada es de uso libre, y la misma fue descargada del portal web de pixabay .

Espero muy pronto estar desarrollando una publicación donde profundice en este interesante tema de la distorsión angular, y también en el fenómeno de consolidación en cuestión, en cuanto a la información que se puede obtener del mismo, entre la que destaca la permeabilidad de las arcillas.

CONSIDERACIONES FINALES

Las consideraciones finales se materializan en las conclusiones del esquema conceptual de la imagen N°09:

Imagen N°09: principales conclusiones del conversatorio

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. La imagen presentada es de uso libre, y la misma fue descargada del portal web de pixabay .

Espero hayan disfrutado del conversatorio tanto en directo como en diferido y de esta lectura. Todo un honor escribir para la prestigiosa comunidad de StemSocial. Nos leemos en una próxima oportunidad.

@eliaschess333

FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS

01.- BADILLO J. Y RODRÍGUEZ R. 2007. MECÁNICA DE SUELOS TOMO I. FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE SUELOS. EDITORIAL LIMUSA S.A. GRUPO NORIEGA EDITORES

02.- BADILLO J. Y RODRÍGUEZ R. 1995. MECÁNICA DE SUELOS TOMO III. FLUJO DE AGUA EN LOS SUELOS. EDITORIAL LIMUSA S.A. GRUPO NORIEGA EDITORES

03.- LIU CHENG Y EVETT JACK. SOILS AND FOUNDATIONS. PRENTICE HALL INC

LECTURAS RECOMENDADAS

04.- @eliaschess333, 2018. ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO CON BASAMENTO EN EL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS Y LA LEY DE PERMEABILIDAD DE DARCY. PARTE I. DISPONIBLE EN: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/ozrzfpbw

05.- @eliaschess333, 2018. ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO CON BASAMENTO EN EL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS Y LA LEY DE PERMEABILIDAD DE DARCY. PARTE II. DISPONIBLE EN: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/abordaje-didactico-del-fenomeno-de-consolidacion-unidimensional-de-los-suelos-desde-un-enfoque-matematico-con-basamento-en-el

06.- @eliaschess333, 2018. ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO CON BASAMENTO EN EL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS Y LA LEY DE PERMEABILIDAD DE DARCY. PARTE III. DISPONIBLE EN: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/4fvu3r-abordaje-didactico-del-fenomeno-de-consolidacion-unidimensional-de-los-suelos-desde-un-enfoque-matematico-con-basamento-en-el

07.- @eliaschess333, 2020. ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE EXPERIMENTAL. PARTE I #EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/arbodaje-did-ctico-del-fen-meno-de-consolidaci-n-u-1591702845

08.- @eliaschess333, 2018. ESTUDIO DEL FENÓMENO DE LICUEFACCIÓN DE SUELOS CON UN ENFOQUE CREATIVO AMPARADO EN EL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/estudio-del-fenomeno-de-licuefaccion-de-suelos-con-un-enfoque-creativo-amparado-en-el-principio-de-esfuerzos-efectivos

09.-@eliaschess333, 2020. EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS: ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE LAS ARCILLAS PARA PREDECIR NIVELES DE EXPANSIÓN. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/el-suelo-es-algo-m-s-de-lo-que-pisamos-estudio-de--1592350669

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Saludos @eliaschess333, excelente conversatorio muy didáctico, dónde pudiste realizar un abordaje completo sobre las arcillas, te felicito todo quedo bien explicito !

Que tengas una gran semana 🤝

Saludos amigo @amestyj gracias por todos tus reconocimientos! Igual para ti, que esta semana sea de muchos éxitos y bendiciones!

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Saludos estimado amigo @eliaschess333 de verdad fue todo un placer poder escuchar tan nutrido conversatorio en donde pudimos aprender importantes cosas sobre el comportamiento de las arcillas, gracias por eso amigo. bendiciones para ti y tu familia. Éxitos.

Amigo @rbalzan79 agradecido por la receptividad y el apoyo. Muchas bendiciones para ti y los tuyos también. Saludos!