Universidad Nacional de Cajamarca Cajamar ca II
Mecánica de Suelos
PRIMERA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS II ENSAYO DE CONSOLIDACION DE SUELOS I.
RESUMEN
En la actualidad, uno de los ensayos requeridos por todo EMS para una muestra es el de Compresión Inconfinada o Consolidación Uniaxial para lo cual el presente informe nos muestra los detalles requeridos para su realización. Cabe resaltar que al aplicar una serie de cargas al suelo, éste sufre una deformación, la cua cuall no es no notor toria ia in inme medi diata atame ment ntee ya qu quee ex exis iste te un fac factor tor tie tiemp mpoo qu quee in inter tervi vien enee directamente sobre el efecto de deformación, debido a que las partículas del suelo tienden a ser alteradas muy lentamente, dependiendo de la intensidad de las cargas y del tipo de las mismas. El profesional responsable del EMS, además del diseñador de la cimentación del proyecto deberá tomar todas las precaucion precauciones es del caso para su diseñ diseño, o, para lo cual considerará el tipo de suelo, donde se alojará la futura estructura. Profesionales anteriores a nosotros, basados en el método experimental han creado métodos que nos permitan calcular la magnitud y distribución de los asentamientos de modo que si se consideran excesivas se puede modificar el proyecto de la cimentación. II.
INTRODUCCION
El estudio de la relación existente entre los esfuerzos y las deformaciones, nos permitirá comprender comprender con mayor detalle los efectos causados por los materiales utilizados utilizados en edificación sobre el suelo. Se realiza sobre muestras inalteradas y para efecto de éste ensayo se utilizó una muestra extraída de la cercanía del campus universitario. De los resultados obtenidos se realiza la gráfica de Tiempo vs Deformación, aquí se observa la variación de deformación conforme los esfuerzos aplicados al suelo se incrementan Esta es una forma de que el estudiante y futuro profesional se familiarice con los ensayos requeridos para todo EMS. III.
OBJETIVO
Obtener el diagrama de esfuerzo deformación de suelos cohesivos. Familiarizarse con el método para obtener su deformación unitaria, esfuerzo axial, el modulo de elasticidad y el resultado obtener el valor para suelos cohesivos De la gráfica de Tiempo - deformaciones unitarias se obtiene el t50, t100 y t0, aproximadamente. IV.. IV
CONS CO NSOL OLID IDAC ACIO ION N UNID UNIDIM IMEN ENSI SION ONA AL
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1. - GENERALIDADES Para comenzar nuestra práctica debemos tener una pequeña noción del tema del cual vamos a realizar nuestra respectiva práctica o ensayo. La resistencia de suelos arcillosos no alterados por agentes atmosféricos pude ser determinada mediante este ensayo, que no es más que un substituto de otros más incómodos, que se realizan en el campo. Debería usarse la misma muestra en este ensayo y en los de la clasificación. El ensayo de consolidación unidimensional de un suelo, es uniaxial y la probeta se mantiene sin ningún respaldo lateral mientras soporta la compresión vertical. Este ensayo es muy parecido al tradicional de un cilindro de hormigón, salvo que las probetas son muchas más pequeñas así como las cargas necesarias para romperlas. Se realiza corrientemente sobre una muestra inalterada de suelo con el contenido natural de humedad. Este ensayo se limita a suelos cohesivos, ya que los que no tiene cohesión (tal como la arena seca) no pueden permanecer sin algo que lo sostenga. Este aparto es ligero (14.5 Kg.) y fácilmente transportable, pudiéndose usar con la misma facilidad tanto en el laboratorio como en el campo. La carga se aplica por medio de una manivela de mano y una caja de engranaje de precisión. La velocidad de deformación se puede regular girando la manivela a la velocidad conveniente. 2. CONSOLIDACIÓN DE LOS SUELOS. Cuando la compresión de una masa de suelo depende del tiempo, ésta se denomina consolidación. Al igual que todos los asentamientos del suelo, la consolidación es una deformación elastoplástica que resulta en una permanente reducción de la relación de vacíos debido a un incremento de los esfuerzos. La diferencia esencial entre compresión ordinaria y asentamiento por consolidación es que ésta última depende del tiempo. El proceso de consolidación en los suelos ocurre de tal forma que la posición relativa de las partículas no varía y únicamente existe un desplazamiento vertical de las mismas, a este fenómeno se lo conoce como Consolidación Unidimensional o Unidireccional, si bien en la realidad, esto no sucede exactamente, se puede considerar como tal, ya que los estratos de suelos son de gran extensión horizontal, en comparación con su espesor. En consecuencia, el volumen de la masa de suelo disminuye pero los desplazamientos horizontales de las partículas son nulos. Las características de consolidación de estratos de arcilla, pueden estudiarse y cuantificarse mediante ensayos de consolidación Unidireccional, llevadas a cavo en el laboratorio, sobre muestras cilíndricas achatadas (de mayor diámetro que altura), obtenidas tan inalteradamente como sea posible. En estas pruebas el fenómeno real de consolidación que usualmente tarda años en desarrollarse, es reproducido en tiempos relativamente muy cortos (4 días), pero en el que las constantes de consolidación son las mismas en ambos procesos.
3. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL. El ensayo se lleva a cabo sobre muestras cilíndricas de poca altura totalmente confinadas lateralmente por un anillo de bronce. En las bases superior e inferior se colocan piedras porosas de diámetro ligeramente menor al de la muestra. El conjunto se coloca en la
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llamada cazuela del consolidómetro. Por medio de un marco se carga se aplican deferentes cargas sobre la muestra que son repartidos en toda la sección (carga uniformemente repartidas). Mediante un extensómetro se registra la deformación que ocurre en la muestra. Las cargas son aplicadas en ciclos, permitiendo que cada carga produzca en la muestra, toda la deformación posible antes de incrementarla. Se toman lecturas del extensómetro a diferentes tiempos con lo que se obtienen las curvas de Consolidación. 4. CURVA DE CONSOLIDACIÓN. Se dibuja a escala semilogarítmica, es decir, el tiempo de ensayo a escala logarítmica en el eje de abscisas y como ordenadas a escala natural, las lecturas del extensómetro. Se obtiene una curva por cada incremento de carga. 5. CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA. La consolidación ocurre, como ya se dijo, por la desaparición del agua intersticial libre, sin embargo, una vez evacuada el agua el suelo se sigue deformando debido al rompimiento de partículas sólidas a causa de la presión así como al reacomodo de las mismas. A esta última etapa del proceso de consolidación se la conoce como consolidación secundaria, y a la anterior, primaria.
6. DETERMINACIÓN DE LA CONSOLIDACIÓN PRIMARIA. De suelo cohesivo e inalterado sometido a la prueba de compresión confinada en el consolidómetro generalmente demuestra curvas características asentamiento - vs - tiempo. En esta gráfica puede distinguirse entre el primer tramo de consolidación primaria y el segundo tramo de consolidación secundaria. Sin embargo, no es tan fácil determinar exactamente el punto teórico de 100% de consolidación primaria. En el trazo semilogarítmico normalmente encontramos este punto en la zona en transición entre la parte inclinada de amplia curvatura y del tramo casi recto final. Coincide con esta deformación del 100% de consolidación el tiempo t 100 transcurrido durante el ensayo. Por otro lado, con el 50% de consolidación primaria el tiempo t 50. Se determina a partir de la curva de consolidación para cada incremento de carga.
O% de consolidación primaria Debido a que la curva de consolidación inicialmente es una parábola, puede ubicarse gráficamente en el O% de consolidación primaria mediante el siguiente método:
. Escoger un tiempo cualquiera tal que tenga notoriamente menos del 50% de consolidación, obteniendo el punto "b". . Ubicar el punto 'c' sobre la curva correspondiente a un cuarto de tiempo del punto "b" y determinar la ordenada "a". . Ubicar una posible posición del O% a una distancia "a" arriba del punto "c".
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. Repetir el proceso hasta obtener tres posibles ubicaciones, luego, asignar en definitiva a la posición intermedia de las tres 100% de consolidación primaria La consolidación secundaria se presenta en la curva correspondiente como un tramo sensiblemente recto y hacia el final de ella, por lo que podrá asignarse como el 100% de consolidación al punto obtenido como sigue: . Prolongar el tramo recto final de la curva. . Trazar una recta tangente por el punto de inflexión de la curva hasta cortar la recta anterior. . El punto de intersección de las dos rectas tiene como abscisa el tiempo en que alcanza el 100% de consolidación primaria en la muestra para el incremento de carga de que se trata.
7. CURVA TEÓRICA DE CONSOLIDACIÓN Se define Grado de Consolidación "Uz (%)" del suelo a una profundidad "Z" y en un tiempo "t" a la relación entre la consolidación habida a esa profundidad y la total a producirse bajo el incremento de carga impuesto. El grado de consolidación es función del llamado Factor Tiempo "T" que es una cantidad dimensional resultante de la solución de la ecuación diferencial de consolidación, definida como: Donde: K (1+e) t T = ---------Av.γ W H2
T = Factor Tiempo dependiente Uz (%) e = Relación de Vacíos inicial Av= Coeficiente de Comprensibilidad γ W = Peso Específico del agua (gr/cm2) t = Tiempo necesario para alcanzar Uz (%) H = Espesor Efectivo, depende de condiciones de drenado.
8. PARÁMETROS DE CONSOLIDACIÓN 8.1. Coeficiente de Comprensibilidad (Av).
Es un índice que se relaciona con la magnitud de asentamiento total que puede producirse bajo cierto incremento de carga. Matemáticamente es la pendiente de la curva de comprensibilidad en el punto de que se trate, es decir expresa la relación entre la diferencia en proporción de vacíos y la diferencia entre presiones. a) Coeficiente de Consolidación (Cv).
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Es un índice que se relaciona con el tiempo necesario para que el suelo alcance una determinada cantidad de consolidación. Es una relación teórica que expresa en forma simplificada la ecuación diferencial del proceso de consolidación, dada por la expresión: 1 H2 Cv = --- --- (cm2/min). 5 t50 Donde: H: Máxima trayectoria de agua (depende de las condiciones de drenado). t50: Tiempo en minutos correspondiente al 50% de Consolidación para el incremento de carga Considerado. b) Coeficiente de Variación Volumétrica (Mv).
Expresa la comprensibilidad del suelo relacionándolo con su volumen inicial. Av Cv = ------ (cm2/Kg). (1+e) Donde Av: Coeficiente de Comprensibilidad. e: Relación de Vacíos inicial en dicho incremento de carga.
c) Determinación del Coeficiente de Permeabilidad Mediante la prueba de consolidación puede obtenerse el coeficiente de permeabilidad de suelos muy finos que resulta difícil y hasta imposible con permeámetros corrientes. Por existir una correlación entre la permeabilidad y el proceso de consolidación, el coeficiente de permeabilidad se calcula como: Av. γ W H2 K = ----------5(1+em)t50 Donde: Av = Coeficiente de Comprensibilidad (cm2/seg) para cierto incremento de carga. H = Máxima trayectoria de agua (cm) teniendo en cuenta las deformaciones anteriores. γ W = Peso Específico del agua.
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em = Relación de vacíos medio para el incremento de carga. t50 = Tiempo del t50 de consolidación primaria para el incremento de carga. d) Módulo de elasticidad. Por medio del proceso de consolidación también puede obtenerse el módulo de elasticidad de un suelo que es un requisito indispensable para los cálculos de asentamiento de estructuras. ∆P
P2 - P1 E = ------- = ----------- (Kg/cm2) ∆∆h/h0 (∆h2-∆h1)/h0 O sea, la diferencia de presiones (según incremento de carga) dividida entre las diferencia de las deformaciones unitarias (para el mismo incremento de carga). e) Asentamiento Total Primario. El asentamiento total primario de suelo en función del tiempo, puede calcularse usando los parámetros de consolidación tal como sigue: St = ∆H. Uz(%) 100
VI.
V. EQUIPO Y MATERIALES
- Anillo metálico. - Máquina de compresión inconfinada. - Muestra inalterada. - Cuchillo. - Sierra - Balanza de tres escalas con sensibilidad 0.10 gr. - Cronómetro. - Vernier. VII.
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PROCEDIMIENTO
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a. Obtener las medidas del anillo de bronce del consolidómetro de compresión tales como el diámetro interior y altura, después pesarlas. b. Luego de realizar las medidas correspondientes se procede a obtener una muestra inalterada del terreno en investigación de la profundidad adecuada. c. Determinar con una porción de esta los siguientes datos: - Peso específico de los sólidos. - Densidad aparente. - Contenido de humedad. - Densidad seca. - Relación de vacíos inicial. d. Tallar la muestra que será sometida al ensayo, para lo cual se selecciona la cara superior de la muestra total que fue extraída de la calicata, tomando el sentido real del estrato de suelo y sobre ésta se descubre una área que permita el hincado del anillo (hasta que la muestra entre al anillo), y evite que le queden vacíos. e. Extraer el anillo con la masa de suelo que esta en su interior y se enrasa con ayuda de un cuchillo y una sierra, se debe dejar una superficie completamente uniforme, para dejar mayor área de contacto y los resultados a obtener sean óptimos. Inmediatamente se en parafina la muestra matriz para que permanezca inalterada f. Pesar el anillo con la muestra y nuevamente determinar la densidad aparente del anillo (como control). g. Ensamblar el anillo (con la muestra), piedras porosas previamente saturadas y anillo de goma en el consolidómetro, ajustando los tornillos de fijación. h. Ensamblar todo el equipo en el marco de carga aplicando una mínima presión. i. Montar adecuadamente el extensómetro registrando el módulo del dial y la lectura inicial. j. Aplicar la carga en incrementos (presión: 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 kg/cm2). k. Realizar las lecturas de deformación en cada incremento de carga a los: ½',1',2',4',8',15',30',1h, 2h, 4h, 8h, 16h, 24h, 48h, hasta que se produzca la total consolidación primaria (lecturas iguales). Añadir lecturas iguales al marco repartidor de carga. l. Descargar en etapas, la muestra tiende a expandirse gradualmente. m. Determinar la densidad aparente, contenido de humedad y densidad seca finales. n. Calcular los cambios de relación de vacíos en base a las lecturas del deformímetro previamente corregidas. o. Dibujar las curvas de consolidación y averiguar en estas los valores: t50. p. Dibujar la curva de comprensibilidad. q. Dibujar la curva de variación de Cv50 para cada incremento de presión. r. Averiguar los coeficientes de compresibilidad, consolidación, permeabilidad y módulo de elasticidad del suelo para todo incremento de carga.
(Poner fotos obligatorio del procedimiento)
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REALIZAR LOS CALCULOS CON LAS HOJAS Y GRAFICARLOS
TRABAJO DE GABINETE Y PROCESAMIENTO DE DATOS MUESTRA DE ENSAYO INICIAL
2 64 32.17 83.0335 527 689 162 1.97 1.84
H(mm): D(mm): Area(cm2): Volumen(cm3): WA(gr):
wmh+a(gr) wmh(gr) m(gr/cm^3) s(gr/cm^3)
MUESTRA ENSAYO FINAL Wa+mh(gr) wa+ms(gr) wmh(gr) wms(gr) w(%)
692 659 165 132 25
CONTENIDO DE HUMEDAD (INICIO) TaraN° Wtara(gr) Wt+Mh(gr)
8
1 40 158
2 39 108
3 39 98
Universidad Nacional de Cajamarca II Wt+Ms(gr) Ww(gr) Ws(gr) W(%) W(%) Promedio
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135 23 95 24
94 14 55 25
86 12 47 26
25
FACTOR DE AMPLIACION DEL SISTEMA DE CARGA A(cm) B(cm) Factor
3 27 10
Dial de lectura(mm) Lectura inicial
0.01*división 943.5 divisiones
V.- CONCLUSIONES: Una vez realizado el ensayo de Consolidación Uniaxial se ha llegado a la conclusión de que este ensayo se limita a suelos cohesivos o semicohesivos, ya que los que no tienen cohesión (como la arena seca) no pueden permanecer sin algo que lo sostenga. Hemos obtenido el diagrama esfuerzo deformación con el cual hemos calculado nuestros resultados. VI.- RECOMENDACIONES Una forma de obtener óptimos resultados de éste ensayo, sería si los responsables del mismo consideren las siguientes recomendaciones: 1. Obtener una muestra bien enrasada, evitar la presencia de vacíos y dar una completa área de contacto entre la muestra de suelo y la placa de aplicación de carga. 2. Colocar la muestra en forma correcta es decir mantener una verticalidad que permita un buen resultado. 3. Realizar las medidas lo más exactamente posible para evitar errores al hacer la gráfica TIEMPO DEFORMACION. 4. Conservar la muestra inalterada en un lugar adecuado para que no sufra alteraciones. 5.Realizar un buen pesado y medida del anillo.
VII.-
BIBLIOGRAFIA
• LAMBE, William - WHITMAN, Robert. "MECANICA DE SUELOS". Editorial Limusa, Tercera Reimpresión, Méjico, 1979. • JUAREZ BADILLO, Eulalio - RICO RODRIGUEZ, Alfonso. "MECANICA DE SUELOS". Editorial Limusa, Tercera Edición, Méjico, 1982.
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VIII.-ANEXOS:
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