MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN CONSOLIDACIÓN
CONSOLIDACIÓN DE LOS SUELOS ............................................................................................................. 4 CURVA DE CONSOLIDACIÓN Y CURVA DE COMPRESIBILIDAD .................................................................. 4 DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD E ÍNDICE DE EXPANSIÓN .................. ........................... ................... ............ .. 6 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD ........................................................................ 7 ASENTAMIENTO TOTAL PRIMARIO SUJETO A CONSOLIDACIÓN .............................................................. 7 CURVA DEFORMACION VS RAÍZ DE TIEMPO ..................................................................................9 TIEMPO ..................................................................................9 CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA ..................................... ........................................................ .... 10
PRUEBA DE CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL CON FLUJO VERTICAL................................................ 11 EQUIPO PARA LA PRUEBA ....................................................................................................................... 11 DESCRIPCION DEL MECANISMO DE TRANSMISION DE CARGA Y CALIBRACION DEL APARATO APAR ATO ............. ............. 12 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA .............................................................................................................. 13 MONTAJE DE LA PRUEBA ........................................................................................................................ 14 PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA ............................................................................................................ 14
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INTRODUCCIÓN Todos los materiales experimentan deformación cuando se les sujeta a un cambio en sus condiciones de esfuerzo. Las características de esfuerzo-deformación de los materiales estructurales tales como el acero y el concreto son hoy suficientemente bien comprendidas para la mayoría de las aplicaciones prácticas y pueden determinarse en el laboratorio con razonable grado de confianza. La deformación de los suelos, aun bajo cargas pequeñas, es mucho mayor que la de los materiales estructurales; además esa deformación no se produce usualmente, en forma simultánea a la aplicación de la carga, sino que se desarrolla en el transcurso del tiempo. Así, cuando un estrato de arcilla soporta un edificio, pueden ser necesarios muchos años para que la deformación del suelo se complete. Es cierto que los materiales estructurales también muestran una pequeña capacidad de seguirse deformando bajo carga constante; sin embargo, desde el punto de vista del ingeniero civil, estas deformaciones en los materiales estructurales son de menor importancia y, en general contribuyen a producir distribuciones de esfuerzos más favorables. En contraste a esto, el proceso de deformación de las arcillas tiene lugar casi completamente en un largo lapso posterior a la aplicación de la carga propiamente dicha; como resultado, es posible que el agrietamiento de una estructura pueda ocurrir años más tarde a su erección, sin que el proyectista pueda preverlo, a no ser que tenga presente en forma correcta el comportamiento de los suelos. Otra diferencia entre los materiales estructurales y los suelos estriba en el hecho de que en los primeros la deformación es principalmente resultado de un cambio de forma, sin variación de volumen, mientras que en los suelos ambos fenómenos son importantes; en algunos problemas, particularmente en el asentamiento de edificios construidos sobre arcilla, la deformación debida a cambio volumétrico en los estratos de suelo subyacente, es mucho más importante que la deformación debida a cambio de forma. La compresión o expansión es un fenómeno que genera deformaciones solo por cambio de volumen siendo un proceso por el que una masa de suelo cambia de volumen, manteniendo su forma; todo sucede como si estuviese cambiando la escala tridimensional. La distancia entre los puntos cambia, pero se mantiene su posición relativa. La distorsión o deformación deformación desviadora es el proceso proceso por el que una una masa de suelo cambia de de forma; variando la posición relativa de sus puntos, pero manteniéndose su volumen constante. Los procesos reales de deformación pueden siempre descomponerse en esas dos facetas; hay una componente volumétrica de la deformación y otra desviadora; el proceso real puede así considerarse siempre como una adición de ambas componentes.
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OBJETIVOS
Conocer las características del suelo mediante el ensayo de consolidación a llevar a cabo en el laboratorio.
Dibujar la curva de compresibilidad y determinar gráficamente el índice de compresibilidad y el índice de expansión con los datos dados de la muestra ensayada.
Determinar coeficientes de consolidación del suelo para cada carga aplicada en la etapa de carga, por el método de Taylor y por el método de Casagrande, comparando sus resultados.
Comprender la necesidad de la aplicación del ensayo de consolidación en la Mecánica de Suelos y su importancia para el posterior cálculo de asentamientos y diseño de edificaciones y/o estructuras.
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FUNDAMENTO TEÓRICO CONSOLIDACIÓN DE LOS SUELOS Al observar los depósitos de material muy suave situados en el fondo de una masa de agua, por ejemplo un lago, se nota que el suelo reduce su volumen conforme pasa el tiempo y aumentan las cargas por sedimentación sucesiva. A un proceso de disminución de volumen, que tenga lugar en un lapso, provocado por un aumento de las cargas sobre el suelo, se le llama proceso de consolidación. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente constante; así, el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir sólo en dirección vertical, esta es la consolidación unidireccional o unidimensional. En el caso citado en las primeras líneas, por ejemplo, la consolidación seria de este tipo, considerando que los estratos depositados tienen gran extensión horizontal, en comparación con su espesor. En la consolidación unidimensional, por lo tanto, el volumen de la masa de suelo disminuye, pero los desplazamientos horizontales de las partículas sólidas son nulos. Si eventualmente el material depositado llega a subyacer en el lugar donde se construya una estructura y se observa que el comportamiento ulterior del suelo, podrá notarse que los estratos se comprimen aún más, bajo las nuevas cargas que se les comunica. El que los desplazamientos horizontales de la arcilla sean o no esencialmente nulos, dependerá de varios factores. Si el estrato de arcilla es relativamente delgado y está confinado entre estratos de arena o grava o de materiales más rígidos, o si el estrato de arcilla, aun siendo grueso, contiene gran cantidad de capas delgadas de arena, ocurre que la deformación lateral de la arcilla se restringe tanto que puede despreciarse en comparación a los desplazamientos verticales. En estos casos, las características de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cuantitativamente con aproximación razonable, realizando la prueba de consolidación unidimensional sobre especímenes representativos del suelo, extraídos en forma tan inalterada como sea posible. Se puede así calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables debidos a las cargas aplicadas. Desde luego es cierto que en las pruebas de laboratorio hechas con muestras pequeñas se produce la consolidación en tiempos muy cortos en comparación con el tiempo en que el estrato real de arcilla se consolidará bajo la carga de la estructura. De hecho, en la aplicación de las teorías a la práctica de la Mecánica de Suelos, se supone que todas las constantes de consolidación son las mismas que el proceso rápido de laboratorio, que en el mucho más lento que tiene lugar en la naturaleza. Si este es el caso en la actualidad no se sabe a ciencia cierta pero es posible que lo anterior sea uno de los factores que influyen en el hecho observado de que los asentamientos predichos son mayores que los reales.
CURVA DE CONSOLIDACIÓN Y CURVA DE COMPRESIBILIDAD En cada incremento de carga se hacen lecturas en el extensómetro, para conocer la deformación correspondiente en diferentes tiempos. Los datos de estas lecturas se dibujan en una gráfica que tenga por abscisas los valores de los tiempos transcurridos (en escala logarítmica) y como ordenadas las
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN correspondientes lecturas del extensómetro (en escala natural). Estas curvas se llaman de consolidación y se obtiene una para cada incremento de carga aplicado.
FORMA TÍPICA DE UNA CURVA DE CONSOLIDACIÓN Una vez que el suelo alcanza su máxima deformación bajo un cierto incremento de carga aplicado, su relación de vacíos llega a un menor valor, evidentemente, que al inicial y que puede determinarse a partir de los datos iniciales de la muestra y las lecturas del extensómetro. Así, para cada incremento de carga aplicado se tiene finalmente un valor de la relación de vacíos y otro de la presión correspondiente actuante sobre el espécimen. En resumen, durante toda la prueba, una vez aplicados todos los incrementos o decrementos de carga; se puede construir una gráfica en cuyas abscisas se ponen los valores de la presión actuante (en escala logarítmica), y en cuyas ordenas se anota los correspondientes valores de la relación de vacíos (en escala natural). Estas curvas son llamadas de compresibilidad y se obtiene una por cada ensayo de consolidación completa.
EJEMPLO DE UNA CURVA DE COMPRESIBLIDAD En ella se definen tres tramos diferentes. El tramo A comienza casi en forma horizontal y su curvatura es progresiva, alcanzando su máximo en la proximidad de la unión con el tramo B. Este tramo es conocido como “tramo de recompresion”. Esto debido a que en esta parte de la curva se verifica que las cargas
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN que está soportando el espécimen ya las ha soportado en un tiempo anterior. El tramo B es generalmente recto muy aproximadamente y con él se llega al final de la etapa de carga de la prueba, al aplicar el máximo incremento sobre ella. Este tramo es conocido como “virgen” ya que las cargas
aplicadas sobre el espécimen las está soportando por primera vez. Y por último el tramo C o “tramo de descarga” es aquel en que se aplican decrementos sucesivos de carga sobre el espécimen para analizar cuál es la recuperación que pueda tener la muestra. Su relación de vacíos aumenta pero nunca llega ser igual a la relación de vacíos inicial.
TRAMOS DE LA CURVA DE COMPRESIBLIDAD
DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD E ÍNDICE DE EXPANSIÓN
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DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD El coeficiente de permeabilidad medio que gobierna el flujo del agua durante el intervalo de compresión con un cierto incremento de carga, representado por una curva de consolidación, puede calcularse a partir de la expresión para el factor de tiempo T:
() () Para este objeto puede escogerse cualquier punto de la curva de consolidación. Al punto escogido corresponde un cierto tiempo t, y un cierto valor del factor de tiempo T, correspondiente al grado de consolidación del punto considerado. Con estos datos y los demás que aparecen en la expresión (1), también conocidos, puede despejarse k . Es deseable sin embargo, escoger un punto suficientemente alejado de 0 y 100% de consolidación, por los errores en que pueda incurrirse, originados por los procedimientos con que se encontraron esos límites. Si se escoge el punto correspondiente al 50% de consolidación, además de estar igualmente alejado de ambas fuentes de error, se tiene la ventaja de que el valor de T se recuerda fácilmente siendo T50=0.2=1/5. Por lo tanto el coeficiente de permeabilidad puede calcularse de la fórmula siguiente, en donde todas las cantidades deben expresarse en el sistema C.G.S.:
⁄ () () ASENTAMIENTO TOTAL PRIMARIO SUJETO A CONSOLIDACIÓN El asentamiento total primario de un estrato de espesor H, debido a un proceso de consolidación unidimensional, con flujo vertical, inducido por una sobrecarga , actuante en la superficie del mismo puede determinarse a partir de los datos del ensayo de consolidación así:
Evidentemente, si representa la disminución de espesor de una muestra de suelo, de espesor (1 + e), podrá escribirse, para un estrato de espesor H, asimilado a esa muestra:
() ΔH es la disminución de espesor total del estrato de espesor H. Ahora H es siempre el espesor total del
estrato, independientemente de las condiciones de drenaje. La fórmula anterior puede presentarse de otra forma muy común; en efecto, se sabe que:
̅ () () Por lo tanto:
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̅ ̅ () Se admite entonces que las constantes de consolidación obtenidas en la prueba son las mismas que rigen el proceso en un estrato de suelo. Entonces el calculado en la expresión (4).
En el estrato real del suelo también se admite que las deformaciones son proporcionales al grado de consolidación de tal estrato. Así, si representa el asentamiento ocurrido en un tiempo t, podrá escribirse:
()()
Donde ΔH es el asent amiento primario total.
Concluimos:
()]() [() ] [ O sea, el asentamiento en cada tiempo es igual al total que ha de producirse, por el grado de consolidación que el estrato ha alcanzado en ese tiempo.
El cálculo de la evolución de con el tiempo, fundamentalmente en muchos problemas de la ingeniería práctica, requiere la determinación previa del Coeficiente de Consolidación del suelo ( , pues en la ecuación (7) U(%) es función del factor tiempo T, el que a su vez está dado por la expresión:
)
() A) Método de Taylor D.W. Taylor ha desarrollado un método alternativo para el cálculo de los coeficientes de consolidación que da buen resultado en muchos casos en que falla el anteriormente descrito. El método exige el trazado de la curva teórica en unos ejes en los que se usan como ordenadas los valores U(%) y como abscisas los valores de
√
.
La curva teórica resulta una recta hasta un punto cercano al 60% de consolidación, como debe suceder teniendo en cuenta que es aproximadamente parabólica en ese intervalo. De la tabla de valores U(%)-T, puede determinarse que la abscisa de la curva es 1.15 veces la correspondiente a la prolongación del tramo recto, para una ordenada de 90% de consolidación. Esta característica se usa en la curva de consolidación obtenida en el laboratorio, para encontrar el 90% de consolidación. Prolongando el tramo recto, puede tenerse una línea trazada con suficiente precisión. A continuación trácese otra recta con sus abscisas 1.15 veces corrida hacia la derecha, respecto a la anterior. Esta segunda línea corta a la curva de consolidación en un
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN punto al que corresponde el 90% de consolidación primaria. Nótese que la prolongación del tramo recto de la curva de laboratorio, corta el origen de ordenadas en un punto que debe considerarse como el 0% de consolidación primaria y de este punto debe partir de la segunda recta mencionada.
()
Usando esta construcción conviene calcular el
con la expresión:
CURVA DEFORMACION VS RAÍZ DE TIEMPO Determinación Gráfica según Taylor de t 90 B) Método de Casagrande En el gráfico deformación vs Log(t): 1. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parabólica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4) 2. Marcar t2 = 4t1. Definidos t 1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical Δ 3. Dibujar la distancia 2Δ , y encontrar D0 en el eje de las ordenadas. 4. Dibujar la proyección horizontal del final de la curva de deformación e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D 100. 5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las ordenadas. 6. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t50 en el eje de las abscisas. 7. Calcular como:
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Donde: es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0.197 H = ½ de la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)
CURVA DEFORMACION VS LOGARITMO TIEMPO Determinación Gráfica según Casagrande de t 50 CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA La consolidación secundaria tiene su efecto atribuido generalmente al deslizamiento progresivo diferido en el tiempo, entre las partículas de material que se reacomodan, tendiendo a estados más compactos, para adaptarse a la nueva condición de carga. Posiblemente puede contribuir también alguna clase de flujo plástico de las partículas laminares constitutivas de los suelos arcillosos. Cuando las deformaciones plásticas de las partículas aisladas o los deslizamientos relativos entre ellas se hacen comparables a la velocidad de expulsión del agua del volumen decreciente de los vacíos entre las partículas, es cuando el efecto se hace notable y esto se refleja en las curvas de consolidación, dando lugar al tramo final típico, sensiblemente recto en el trazado semilogarítmico. Los factores que afectan la velocidad de consolidación secundaria de los suelos, no están totalmente dilucidados a la fecha y no se han desarrollado aún ningún método de análisis del fenómeno
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN suficientemente correlacionado con la realidad, que sirva para predecir la magnitud de estos efectos en la práctica.
DESCRIPCIÓN DE LA PRUEBA PRUEBA DE CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL CON FLUJO VERTICAL El objetivo de la prueba de consolidación unidimensional es determinar el decremento de volumen y la velocidad con que este decremento se produce, en un espécimen de suelo, confinado lateralmente y sujeto a una carga axial. Durante la prueba se aplica una serie de incrementos crecientes de carga axial y, por efecto de estos, el agua tiende a salir del espécimen a través de piedras porosas colocadas en sus caras. El cambio de volumen se mide con un micrómetro montado en un puente fijo y conectado a la placa de carga sobre la piedra porosa superior. Para cada incremento de carga aplicada se miden los cambios volumétricos, usando intervalos apropiados para efectuar las mediciones. Los datos registrados conducen a la obtención de la curva de consolidación. Dibujando las lecturas del micrómetro como ordenadas, en escala natural y los tiempos, como abscisas, en escala logarítmica, se logra que la curva de consolidación obtenida en laboratorio sea fácilmente comparable con la curva teórica, lo cual permite establecer empíricamente, el grado de aplicabilidad de las teorías al problema específico tratado. Es común encontrar, en la mayoría de los suelos arcillosos de alta plasticidad, una concordancia excelente de hasta un 60% al 70% de consolidación; delante de esos límites la curva se vuelve asintótica a una recta inclinada respecto a la línea horizontal por el valor 100% de consolidación de la curva teórica. Esta desviación corresponde a la consolidación secundaria y esta deformación adicional se atribuye, por hipótesis, a un reajuste de las fuerzas de fricción dentro de la masa de suelo. Puesto que este cambio volumétrico secundario es generalmente muy pequeño (por lo menos para incrementos de carga relativamente importantes) en comparación con el que tiene lugar durante el efecto primario de expulsión de agua, su influencia se hace notoria solo después de que se ha producido la mayor parte de la deformación volumétrica primaria. Al realizar la prueba de consolidación unidimensional, cada incremento de carga se mantiene el tiempo suficiente para que el tramo recto de consolidación secundaria se defina claramente; después de lo cual, se podrá aplicar el siguiente incremento (generalmente se toma un t=24horas). En las curvas de consolidación obtenidas para cada incremento de carga se selecciona un tiempo arbitrario tal que las lecturas del micrómetro en las diferentes curvas caigan ya más allá del periodo de consolidación primaria. La presión y la lectura del micrómetro correspondientes a ese tiempo proporcionan los datos de partida para el trazado de las curvas de compresibilidad.
EQUIPO PARA LA PRUEBA Consiste en un consolidómetro incluyendo el anillo para la ubicación de la muestra, piedras porosas, un micrómetro de 0.001 cm y equipo adicional tal como cortadores para labrar especímenes, cronómetro, cápsulas, horno, balanza, termómetros y una cierta cantidad de algodón hidrófilo.
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CONSOLIDÓMETRO
DESCRIPCION DEL MECANISMO DE TRANSMISION DE CARGA Y CALIBRACION DEL APARATO La carga se aplica por medio de pesos colocados en una ménsula que cuelga el extremo de la viga de carga. La carga se transmite al marco por medio de un cable apoyado en una rótula fija de radio r1, ligada al pedestal del aparato. La viga de carga puede girar en torno a esa rótula. La relación del brazo de palanca de la ménsula de carga r2, y del radio r1, antes mencionado, suele ser del orden de 10 y ésta es la razón de la multiplicación de cargas del aparato. El peso de la viga y la ménsula de carga se balancean con el contrapeso A. El peso de marco de carga se balancea, a su vez, con el contrapeso B. La posición del marco de carga respecto a la cazuela puede ajustarse usando las tuercas de las barras laterales del marco. Para dejar el aparato listo para el uso es preciso obtener una curva de calibración; es decir, una curva que dé las deformaciones propias, sin muestra. Estas deformaciones deberán restarse de las obtenidas en una prueba, a fin de llegar a las deformaciones de la muestra sola. La curva se obtiene sujetando al conjunto de piedras porosas, placa de carga, etc., sin muestra, a una prueba de consolidación y dibujando las lecturas del micrómetro contra las correspondientes cargas, en escala aritmética, usualmente.
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PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Para preparar una muestra inalterada es esencial cortar un fragmento, cuyo volumen sea el del anillo de consolidación. Para una buena manipulación se recomienda el uso de un aparato cortador adecuado. Al fin de evitar la evaporación, es recomendable preparar el espécimen, en un cuarto húmedo. Al mismo tiempo que se prepara la muestra de consolidación es necesario formar una muestra representativa para determinación de su peso específico relativo y es conveniente obtener muestras para la realización de pruebas de límites de plasticidad. El procedimiento detallado para la obtención de una muestra para pruebas de consolidación deberá ajustarse a lo que sigue: 1) Determínese y anótese el peso propio del anillo para confinar la muestra y de dos placas de vidrio de aproximadamente 15cm*15cm. Hágase lo mismo con el área y la altura del anillo. 2) Colóquese una masa de arcilla inalterada del tamaño apropiado en el anillo de consolidación, y girando el anillo, córtese la muestra con un cortador hasta sus dimensiones correctas. En arcillas blandas resulta bien hacer girar el anillo manualmente, retirando el material sobrante con ligeros cortes de ajuste; en materiales duros puede hacerse necesario manipular la muestra mecánicamente, ajustándola al anillo, después de haber obtenido un cilindro de diámetro apropiado; en este caso debe tenerse cuidado de que la muestra no pierda agua por evaporación. Conforme el labrado de la muestra progresa, ésta se va presionando hacia dentro del anillo, usando para ello una placa de vidrio; durante toda la operación, el lado inferior de la muestra descansa en una base metálica, introducida en el anillo, de diámetro ligeramente menor que el interior de éste. Continúese con el labrado de la muestra hasta que su base sobresalga algo por la cara inferior del anillo. 3) Retírese la porción de la muestra que sobresalga por la cara superior del anillo, hasta lograr una superficie continua a nivel, para esto puede usarse una segueta de alambre, en muestras suaves, o un cuchillo para muestras más duras; afínense cuidadosamente usando una regla metálica recta. 4) Colóquese una placa de vidrio, ya pesada, sobre el anillo, inviértase éste y repítase la remoción del material en la cara inferior. Una vez realizada, colóquese en esa cara la otra placa de vidrio tarada. 5) Anótese una muy cuidadosa y detallada descripción de la muestra. 6) Usando una balanza, pésese el conjunto muestra, anillo y placas de vidrio. 7) Retírense con cuidado las placas de vidrio y, en su lugar, céntrese cuidadosamente las piedras porosas ligeramente humedecidas en sus bases, presionándolas muy suavemente contra la muestra, a fin de lograr que se adhieran. Colóquese ahora con cuidado el anillo ya no sufra ningún movimiento, una vez colocado. 8) Colóquese un anillo de algodón hidrófilo, húmedo, en torno a la piedra porosa superior, cubriendo la parte superior del espacio entre el anillo y la cazuela. Es esencial que el algodón permanezca húmedo durante la compresión de la muestra; para ello deberá rociársele algo de agua de tiempo en tiempo. Generalmente el algodón puede retirarse después de la consolidación bajo el segundo incremento de carga y, en tal caso, toda la cazuela deberá
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MONTAJE DE LA PRUEBA Se ajustará a lo que sigue: 1) Con gran cuidado, a fin de evitar movimientos del anillo y de las piedras porosas en la cazuela, colóquese esta sobre la plataforma del banco de consolidación y céntrese cuidadosamente la piedra porosa superior bajo el marco de carga. 2) Balancéese la palanca de carga y ajústese la elevación de la pieza transversal superior del marco de carga, hasta que el marco quede en contacto con la pequeña esfera metálica alojada en la muesca de la placa de carga (un pequeño peso que actúe sobre el marco de carga hará el contacto estable) previamente colocada sobre la piedra porosa superior. Compruébese la horizontalidad de la pieza superior del marco de carga. 3) Colóquese el micrómetro, atornillando el puente que lo sostiene y poniéndolo en contacto con el marco de carga; póngase el micrómetro en cero.
PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA El procedimiento de prueba se ajustará a lo que sigue: 1) Retirado el pequeño peso actuante sobre el marco de carga, colóquese en la ménsula el primer incremento de carga, evitando que el marco cause impacto sobre la muestra y usando los pesos apropiados. Anótese esa carga. La magnitud de la presión a que primeramente se sujete la muestra depende de varias consideraciones. Debe escogerse una carga bastante pequeña, tal vez de una presión que haga que la muestra no fluya a través del espacio libre entre la piedra porosa y el anillo; además, puesto que en la teoría se suponen constantes tanto la relación de vacíos como el coeficiente de permeabilidad durante el tiempo en que actúa el incremento de carga, no se tendría buena concordancia entre las curvas de laboratorio y la teoría si se escogieran incrementos son demasiado pequeños, la consolidación secundaria, que es independiente de la magnitud de ellos haría poco notorios los efectos primarios. Después de que la muestra haya sido consolidada bajo el primer incremento, cada incremento sucesivo será tal que la carga se vaya duplicando. En suelos muy blandos es conveniente dividir la colocación de la primera carga en cuatro etapas, con media hora de intervalo y colocando cada vez una cuarta parte de la carga. Al colocar las cargas en la ménsula deberá siempre evitarse el impacto. Las pesas ranuradas, de uso común, deben colocarse con sus ranuras cuatropeadas, para evitar su deslizamiento de la ménsula, por inclinación de esta. 2) Obsérvense y anótense las lecturas del micrómetro en intervalos de tiempo adecuados. Es útil la siguiente secuencia 6s, 15s, 30s, 1min, 2min, 4min, 8min, 15min, 30min, 1h, 2h, 4h, 8h, etc.
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3) 4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
No es fundamental ceñirse a una cierta secuela, pero si lo es medir correctamente el tiempo transcurrido desde el principio hasta el instante en que se hace cada lectura. Dibújese la curva de consolidación (trazo semilogarítmico). Una vez que en la curva de consolidación se define claramente el tramo recto de consolidación secundaria, se considera que se ha completado la primaria; procédase entonces a la colocación del segundo incremento de carga, repitiendo los pasos 2 y 3. Y así procédase sucesivamente hasta completar la prueba en lo referente al ciclo de carga. Observando todas las curvas de consolidación obtenidas, seleccione un tiempo correspondiente a un punto que caiga en el tramo de consolidación secundaria de todas ellas. Anótense las presiones y las lecturas del micrómetro, usando las curvas correspondientes a ese tiempo escogido, interpolando en las curvas. Estos datos pueden dibujarse en trazo semilogarítmico, con las presiones en escala logarítmica y las lecturas en escala natural. La forma de la curva así obtenida es similar a la de la curva de compresibilidad, que se dibujara posteriormente. Del análisis de la curva es posible ver si la prueba se ha desarrollado lo suficiente para los propósitos que se persiguen. Siempre que sea posible, es deseable continuar aplicando incrementos de carga hasta que la porción recta del trazado semilogarítmico recién dibujado, se defina netamente. Hay que tener en cuenta, sin embrago, que los consolidómetros normales tienen una capacidad máxima de en la ménsula de carga, de 100 a 150 kg. Una vez aplicados todos los incrementos de carga necesarios, según la información proporcionada por la curva presión-lecturas del micrómetro mencionada en el paso 5, quítense las cargas en decrementos; generalmente se quitan las tres cuartas partes de la presión total en el primer decremento y después, en cada uno de los restantes, se retira la mitad de la carga que reste. Háganse lecturas en diferentes tiempos para cada carga actuante en el ciclo de descarga, dibujando las curvas de expansión, análogas a las anteriores de consolidación. El criterio para fijar el tiempo en que se hagan las remociones de carga sucesivas es el mismo que el establecido para la aplicación de los incrementos en el ciclo de consolidación. Es conveniente invertir la escala de las lecturas del micrómetro al dibujar las curvas. Después de retirar toda la carga, permítase que la muestra se expanda descargada durante 48 horas o, preferiblemente, hasta que no se registre expansión en el micrómetro en un periodo de 24 horas. Si se deseara someter a la misma muestra a otros ciclos de recompresion, repetir los pasos del 1 al 8. Al terminar la prueba, retirar el micrómetro y desarmar el consolidómetro. Cuidadosamente secar el agua del anillo de consolidación y de la superficie de la muestra, colocar dos placas de vidrio, previamente taradas y cubriendo la muestra y el anillo pesar el conjunto (anotar como: peso de la tara más suelo húmedo). Secar la muestra en horno y obtener su peso seco.
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DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS ETAPA DE CARGA FECHA
HORA
4:00 AM
CARGA
0.00kg 0.50kg
7 8 9 1 / 6 0 / 5 2
4:00 AM
1.00kg
7 8 9 1 / 6 0 / 6 2
Lectura del Tiempo micrómetro transcurrido (mm)
0'' 15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h 15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h
0 0,500 0,505 0,510 0,512 0,520 0,530 0,536 0,548 0,560 0,606 0,755 0,760 0,770 0,790 0,808 0,810 0,815 0,820 0,836 0,860
4:00 AM
2.00kg
9:00 AM
4.00kg
7 8 9 1 / 6 0 / 0 3
7 8 9 1 / 7 0 / 2 0
15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 48h 15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h
1,150 1,150 1,152 1,166 1,174 1,190 1,204 1,230 1,260 1,330 2,782 2,784 2,790 2,800 2,810 2,860 2,890 2,930 2,945 3,044
15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h 0''
2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,826 2,824 2,814 2,350
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN ETAPA DE DESCARGA FECHA
HORA
CARGA
9:00 a.m
2.00 kg
7 8 9 1 / 7 0 / 3 0
9:00 a.m
7 8 9 1 / 7 0 / 6 0
1.00 kg
Lectura del Tiempo micrómetro transcurrido (mm)
15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 72h 15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60'
2,990 2,990 2,990 2,990 2,990 2,990 2,988 2,988 2,988 2,982 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890
8:00 a.m
0.50 kg
9:00 a.m
0.00 kg
7 8 9 1 / 7 0 / 7 0
7 8 9 1 / 7 0 / 8 0
uixihsaxoiusaIXSA
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN ETAPA DE DESCARGA FECHA
HORA
CARGA
9:00 a.m
2.00 kg
Lectura del Tiempo micrómetro transcurrido (mm)
7 8 9 1 / 7 0 / 3 0
9:00 a.m
1.00 kg
7 8 9 1 / 7 0 / 6 0
15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 72h 15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h
8:00 a.m
0.50 kg
9:00 a.m
0.00 kg
7 8 9 1 / 7 0 / 7 0
2,990 2,990 2,990 2,990 2,990 2,990 2,988 2,988 2,988 2,982 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890 2,890
15'' 30'' 1' 2' 4' 15' 30' 60' 120' 24h 0''
2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,830 2,826 2,824 2,814 2,350
7 8 9 1 / 7 0 / 8 0
uixihsaxoiusaIXSA
17
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN CONSOLIDACION: Humedades, relación de vacíos, grado de saturación.
PROYECTO
:
Villa FAP,Talara
FECHA :
151/6/87
Determinación de Humedad
PERFORACION: Antes
Después
184
184
2. Peso anillo + Suelo Húmedo
2.456,00
2.504,00
3. Peso de Anillo + Suelo Seco
2.380,00
2.380,00
76,00
124,00
1.731,00
1.731,00
649,00
649,00
11,71
19,11
1. Anillo Nº
4. Peso del agua (2-3) 5. Peso del Anillo 6. Peso de Suelo Seco, Ws (3-5) 7. Contenido de Humedad, W% (4/6)
C-1
H
H H
H
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN CONSOLIDACION: Humedades, relación de vacíos, grado de saturación.
PROYECTO
:
Villa FAP,Talara
FECHA :
151/6/87
PERFORACION:
Determinación de Humedad
C-1
Antes
Después
184
184
2. Peso anillo + Suelo Húmedo
2.456,00
2.504,00
3. Peso de Anillo + Suelo Seco
2.380,00
2.380,00
76,00
124,00
1.731,00
1.731,00
649,00
649,00
11,71
19,11
1. Anillo Nº
4. Peso del agua (2-3) 5. Peso del Anillo 6. Peso de Suelo Seco, Ws (3-5) 7. Contenido de Humedad, W% (4/6)
Anillo Nº:184
Diámetro del anillo : 11,28 cm.
H
H
Área de anillo =99,93
Altura del anillo: Altura de la muestra al principio de la prueba : Peso específico relativo de sólidos: Ss =2,68
Altura sólidos = Hs = 10Ws/ A*Ss = 24,23 mm.
Altura final de la muestra:
H2 =H1 - ΔH =38,00-0,00
Altura Inicial del Agua:
HW1 = W1*Hs*Ss =0,117*24,23*2,68
Altura Final del Agua :
HW2 = W2*Hs*Ss =0,19*24,23
:
e1
cm2.
H1 = 38,00 mm.
Variación en la altura de la muestra del principio al final de la prueba
Relación de vacíos Inicial
H
: ΔH =
0,000 mm.
=38,00 mm.
=7,605 mm.
*2,68= 12,408 mm.
= (H1 - Hs) /Hs = (38,00-24,23)/24,23=0,568
Relación de vacíos Final:
e2 = (H2 - Hs)/ Hs= (38,00-24,23)/24,23=0,568
Grado de Saturación Inicial :
GW1 =Hw1/( H1 - Hs)=7,605/(38,00-24,23)=55,24%
Grado de Saturación Final
GW2 =
:
Hw2/ (H2 - Hs)=12,408 /(38,00 -24,23 )= 90,13%
Para el cálculo de relaciones de vacíos usaremos los siguientes valores: Hs =
24,23
H1 =
38,00
18
H
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN SONDEO: Edómetro: Hs =24,23mm.
H1 =
38,00 mm.
e1 =
0,568
Tiempo transcurrido para cada incremento de carga. (Hr.)
F ech a e n q ue se aplicó el incremento de carga
P re si ón p kg/cm2
25/06/1987
Le ct ura micrómetro mm
De fo rmaci ón mm.
Co rre c. p or compresión. mm.
De fo rm. corregida. δ/mm.
δ/Hs.
Relación de vacíos e=e1δ/Hs.
Contenido de Humedad W= e/Ss (%)
0,000 0,50 1,00 2,00 4,00
0,606 0,860 1,330 3,044
0,6060 0,860 1,330 3,044
0,000 0,000 0,000 0,000
0,606 0,860 1,330 3,044
0,0250 0,0355 0,0549 0,1256
0,5430 0,5325 0,5131 0,4424
0,203 0,199 0,191 0,165
0,000 0,000 0,000 0,000
2,982 2,890 2,814 2,350
0,1231 0,1193 0,1161 0,0970
0,4449 0,4487 0,4519 0,4710
0,166 0,167 0,169 0,176
DESCARGA
2,00 1,00 0,50 0,00
2,982 2,890 2,814 2,350
2,982 2,890 2,814 2,350
Con los valores de la tabla mostrada se graficó la curva de compresibilidad.
19
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
De la Curva mostrada se tiene Pc= 2kg
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD Según nuestra gráfica de la curva de compresibilidad tenemos:
ÍNDICE DE EXPANSIÓN Según nuestra gráfica de la curva de compresibilidad tenemos:
MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD Según nuestra gráfica de la curva de compresibilidad tenemos:
ÍNDICE DE EXPANSIÓN Según nuestra gráfica de la curva de compresibilidad tenemos:
COEFICIENTES DE CONSOLIDACIÓN H1 = 0.038 m; H = 0.5H1 = 0.019 m; MÉTODO DE TAYLOR CARGA
0.50 kg/cm2
1 kg/cm2
2 kg/cm2
4 kg/cm2
( ) ( ) ( ) ()
MÉTODO DE CASAGRANDE
( ) ( ) ( ) ) (
NOTA: LAS UNIDADES DE LOS COEFICIENTES DE CONSOLIDACIÓN ESTAN DADOS EN m2/s
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN a) Por método de Taylor se determinó para cada carga: Carga 0.5 Kg
T90 =2.4 Para t90=2.4 Para las otras cargas se determina de la misma manera. b) Por método de Casagrande se determinó para cada carga: Carga: 2
T50 =4 Para t50=4; Para las otras cargas se determina de la misma manera.
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
CONCLUSIONES -
El esfuerzo de pre consolidación obtenido según la Curva de Compresibilidad de nuestra muestra es aproximadamente de 2 kg, lo que nos indica que es una ARCILLA PRECONSOLIDADA.
-
La consolidación de la muestra desde el inicio hasta el final de la prueba fue de 2.35 mm.
-
El índice de compresibilidad obtenido para nuestra muestra es 0.2724
-
El índice de expansión obtenido es de 0.011 lo cual indica que la muestra queda grandemente comprimida, mejor dicho sufre una consolidación considerable luego de someterlas a cargas.
-
Los coeficientes de consolidación varían para cada carga de manera decreciente, a mayor carga, menor coeficiente obtenido, esto es debido a que la consolidación es mucho más lenta a medida que sufre la consolidación la muestra de suelo.
-
Conforme crece la carga también nos damos cuenta que el valor de los coeficientes de consolidación determinados por ambos métodos cada vez difieren más (como en el caso de la carga de 4 kg); por lo que la confiabilidad de los métodos de Taylor y Casagrande solo está en un rango donde las cargas aplicadas sean relativamente pequeñas.
-
Para realizar el ensayo se requiere varios días, además para cada nueva carga se dejó que actuara en la muestra por 24 horas. Para efectos de demostración en el laboratorio efectuado las cargas sucesivas se colocaron cada 15 minutos pero en la aplicación esto no es factible, ya que se ha demostrado que son mínimo 24 horas las necesarias para que la muestra haya alcanzado su máxima compresión bajo efectos de la carga actuante so bre ella.
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
ANEXOS
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MECÁNICA DE SUELOS II EC 513-H ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
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