PRÁCTICO 3
Introducción a la Mecánica de Suelos
Consolidación y Expansión
Curso 2010
PRÁCTICO 3 - CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL Y EXPANSIÓN Consolidación Unidimensional Unidimensional
Ejercicio 1 Un ensayo edométrico se realiza sobre una muestra, extraída del plano medio de una capa de arcilla saturada homogénea de peso específico 16 kN/m 3 (el nivel freático está a nivel del terreno natural) y potencia de 4 m. La relación de vacíos inicial de la arcilla eo es de 1,5 y la altura inicial de la muestra es de 20 mm. La tabla siguiente presenta los asentamientos finales medidos para los escalones de carga aplicados a la muestra: σv (kPa) (mm) ∆h (mm)
5 0,08
15 0,32
30 0,52
45 0,68
60 0,92
80 1,36
150 2,52
300 3,68
500 4,64
100 4,56
10 4,40
Determin minar ar la pres presión ión de sobr sobreco econso nsolid lidac ación ión σ’p. ¿El ¿El estra strato to arcil rcillo losso es a) Deter sobreconsolidado? Justifique su respuesta. Determinar el Índice de entumecimiento c e y el Índice de compresión c c de la arcilla. b) Determinar c) Deter Determin minar ar el asen asentam tamien iento to del del estra estrato to arcil arcillos loso o si se aplic aplica a una una sobrec sobrecarg arga a de 200 kPa, suponiendo que la muestra analizada es representativa de la masa de suelo arcilloso. Ejercicio 2 Una muestra de arcilla saturada de 20 mm de espesor inicial es sometida en un edómetro a una carga constante de 100 kPa. La curva de consolidación resultante se repr repres esen enta ta en la figu figura ra.. La mues muestr tra a de arci arcilllla a está está dren drenad ada a por por amba ambass cara caras. s. Determinar Determinar el coeficiente de consolidación consolidación c v de la arcilla. 19,0 18,8 18,6 ) 18,4 m m ( h 18,2
18,0 17,8 17,6 0,1
1
10 100 Tiempo (min)
1000
10000
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200 kPa NF 2m
3m
Arcilla sobreconsolidada
Turba
5m
Arcilla normalmente consolidada
4m
Arcilla blanda
γ = 19 kN/m3 γ = 12 kN/m3
eo = 1 cc = 0,5 ce = 0,05 σ´p = 50 kPa eo = 5 cc = 2,5 σ´p = σ´vo
γ = 16 kN/m3
eo = 1,6 cc = 0,6 σ´p = σ´vo
γ = 17 kN/m3
eo = 1,3 cc = 0,5 σ´p = σ´vo
Ejercicio 3 El terraplenado de una extensa zona de suelos compresibles se traduce en la aplicación en la superficie del suelo de una sobrecarga uniforme de 200 kPa. La estratificación del suelo compresible está representada en la figura, con los valores de los parámetros necesarios para el cálculo de los asentamientos. El nivel freático está al nivel del terreno natural. Calcular el asentamiento final del terreno compresible.
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Ejercicio 4 kPa sobre la superficie del suelo una carga Un depósito de grandes dimensiones 150 aplica vertical uniforme de 150 kPa. El suelo está constituido por una capa de arena densa NF intercalada por dos niveles de arcilla compresible, de 5 m de espesor cada una, ubicadas a 12,5 m y 27,5 m de profundidad. El nivel freático se encuentra a nivel del Arena 12,5 m γ = 20 kN/m3 terreno natural. Los pesos específicos de las diferentes capas y las características edométricas de la arcilla están indicados en la figura; se supondrá que luego de γ = 18 kN/m3 eo = 1,5 cc = 0,25 cv =globalmente. 10-8 m2/seg aplicada la carga, las capas de arena asientan instantáneamente 4 cm, Arcilla 5m
a) Calcular el asentamiento final de la superficie del suelo. b) En cuánto tiempo después de la aplicación de la carga se alcanza el 50% y el 90% del asentamiento final. Arena γ = 20 kN/m3 c) Trazar10 la m curva de asentamiento de la superficie del suelo en función del tiempo. Ejercicio 55 m
Arcilla
γ = 19 kN/m3
eo = 1,2 cc = 0,25
cv = 10-8 m2/seg
A partir de los datos del ejercicio 10 del Práctico de Tensiones en la masa del suelo ya visto; calcular los asentamientos teóricos de la capa de arcilla, supuesta normalmente Roca fisurada consolidada, en el eje del terraplén (vertical 1) y en la vertical que pasa por la cresta del talud (vertical 2). La arcilla saturada tiene una relación de vacíos inicial e o = 0,7 y un índice de compresión c c = 0,17. Ejercicio 6 Una estructura se apoya en un terreno con el perfil de subsuelo indicado en la figura mediante cuatro zapatas circulares iguales de 2,25 m de diámetro. Sobre cada una de ellas se produce una descarga de 500 kN. El proyecto suponía un perfil de subsuelo semejante bajo las cuatro zapatas, pero al realizarse la construcción se observa que bajo una de ellas la arcilla normalmente consolidada tiene 1 m de espesor, en vez de 0,50 m. La estructura no admite asentamientos diferenciales mayores a 1/450. a) Verificar si se cumple la referida condición en el lapso de vida útil de la estructura, que se ha establecido en cincuenta años. b) ¿En algún momento de ese lapso el asentamiento diferencial puede ser nulo? Justifique su respuesta. 2,25 m
2,25 m
1,30 m 4m
1,00 m
2,00 m
4m
0,50 m
γ h = 18 kN/m3
Arcilla Orgánica Arcilla Compacta
Arena Densa
Arcilla Normalmente Consolidada Roca
γ h = 19 kN/m3
γ sat = 17 kN/m3 γ sat = 17 kN/m3
eo = 1,3 c = 0,35
NF
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Ejercicio 7 El pliego de condiciones para el diseño de reconstrucción de un tramo de la Ruta 30 exige que la expansión del suelo de fundación (subrasante) del pavimento no sea mayor al 2%. Se realizan ensayos de expansión en edómetros de anillos fijos sobre muestras extraídas de la Cantera Yucutujá con iguales condiciones de peso específico y humedad inicial pero sometidas a diferentes cargas; cuyos resultados se presentan en la figura. Ensayos granulométricos y de Límites de Atterberg dan los resultados presentados en las tablas. Análisis Granulométrico Vía Seca Análisis Granulométrico Vía Húmeda Tamaño Pasa Tamiz Pasa Tamíz Partícula Tamiz (%) (%) (μm) 1” 100,0 48,6 52,0 3/4” 98,6 34,8 48,7 ½” 94,4 3/8” 91,6 28,8 45,4 #4 87,5 22,6 42,0 #10 83,4 16,3 37,9 #40 63,9 13,4 35,4 #200 54,5 9,7 29,6 Límites de Atterberg Límite Límite 6,9 27,1 Líquido Plástico 3,6 13,8 Nº golpes 27 1,5 9,2 Peso húmedo + Tara (g) 73,3 51,8 Peso seco + Tara (g) 60,9 47,4 Tara (g) 32,7 31,6 a) Clasificar el material según el Sistema Único de Clasificación de Suelos (SUCS) y según AASHTO. b) Determinar la Actividad de los finos (Skempton) y el potencial de expansión del material mediante el criterio establecido por Seed. c) Determinar la expansión libre del suelo, la presión de expansión y la presión mínima a ser aplicada para asegurar que la expansión cumpla los requerimientos del pliego. d) La tabla adjunta muestra los resultados obtenidos de ensayos de expansión edométrtica realizados sobre muestras del suelo remoldeadas a diferentes contenidos de humedad y a iguales condiciones de peso específico seco y sobrecarga. Trazar el gráfico de expansión en función de la humedad. Comentar los resultados obtenidos. Humedad Expansión en 24 hs. Muestra Inicial (%) (%) 1 24,0 2,2 2 21,5 2,7 3 20,2 6,2 4 17,9 8,8
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13 12 11 10 9 ) % ( n ó i s n a p x E
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0,1
1
10
100
1000
10000
Log t (min) 1,734 kPa
2,973 kPa
49,628 kPa
97,548 kPa
4,378 kPa
5,561 kPa
6,453 kPa
10,487 kPa
Ejercicio 8 Para determinar la presión de expansión de un suelo de subrasante de la Ruta 1, asociable a la Fm Libertad, se realizan ensayos edométricos a volumen constante de probetas en anillos de 7 cm de diámetro interior y 2,07 cm de altura. Ensayos picnométricos permiten saber que el peso específico relativo de las partículas sólidas (G) es de 2,6. Las condiciones de humedad y peso específico inicial y final del ensayo, así como los datos del ensayo de expansión edométrica se indican en las tablas siguientes. Determinar: a) Las condiciones físicas iniciales y finales de las muestras: contenido de humedad, peso específico, relación de vacíos y grado de saturación. Comentar los resultados obtenidos. b) La presión de expansión para las dos condiciones de grado de saturación inicial. Comentar los resultados. Contenido de humedad
Estado inicial Estado final
Muestra
Tara (g)
1 2 1 2
32,35 32,35 32,35 32,35
Peso húmedo + Tara (g) 55,46 56,05 57,69 57,69
Peso seco+ Tara (g) 52,1 52,1 52,1 52,1
Peso específico húmedo Peso húmedo (g) 139,8 143,4 153,3 153,3
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Ensayo de expansión edométrica a volumen constante Muestra 1 Muestra 2 Tiempo Peso Tiempo Peso (m) adicionado (m) adicionado (g) (g) 0 99,9 0,1 196,19 12 292,7 10 296,1 20 400,0 20 594,77 24 1252,2 25 1252,2 27 2505,7 35 2505,7 40 5024,0 70 5024,0 60 9998,0 124 9998,0 152 20068,0 248 20068,0 315 40106,0 315 535 535 1305 1305 1700 1700 2810 2810 3357 3357 8277 Nota: El brazo de palanca es igual a 5.
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