ENSAYO ENSAYO DE CONSOLIDACION 1 Generalidades Cuando se somete un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suelo en el tiempo. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a que, por una parte, es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos exces os en la presión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. l cabo de un tiempo t, parte de este exceso de presión neutra es disipado, trans!iri"ndose esa parte de la carga a la estructura de suelo, resultando en un incremento de tensiones e!ectivas. El resultado de este incremento gradual de tensiones verticales e!ectivas produce asentamientos en terreno. Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo !ino seco #o con bajo grado de saturación$, el proceso de de!ormación con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el proceso como instantáneo. En estos casos existe una de!ormación vertical prácticamente inmediata, pero no se reconoce como consolidación.
Procesos en la Consolidación %na arcil %na arcilla la pue puede de encon encontr trar arse se en terre terreno no norma normalm lment entee conso consoli lida dada da #arci #arcill llaa &C$ &C$ o preconsolidada #arcilla 'C$. (e dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca !ue sometida en su pasado geológico a cargas mayores que las existentes ahora en terreno. 'or otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo que !ueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una "poca glacial, se la denomi deno mina na preconso preconsolid lidada ada #tambi #tambi"n "n existe existe la precons preconsoli olidaci dación ón por secamie secamiento nto o por descenso de la napa !reática con posterior recuperación$. El ensayo permite igualmente conocer si se trata de una arcilla &C o 'C tras comparar la tensión e!ectiva que la muestra tiene en terreno #a partir de la estratigra!ía y pro!undidad de la muestra$ con la presión de preconsolidación preconsolidación que, como se verá más adelante, se obtiene de la curva de consolidación.
Consolidación Primaria )e acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidación, #ver !igura *$. Esta curva representa el !in de la trans!erencia de cargas desde los excesos de presión neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el !in del proceso de consolidación primaria. partir de esta curva + siempre que ella sea representativa del estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidación sobre di!erentes muestras inalteradas del mismo estrato se puede calcular el asentamiento !inal de un *
-e! /uía 0aboratorio CI11, )epartamento de Ingeniería Civil, %. de Chile.
estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a un incremento de carga 2q . El asentamiento está dado por S =
σ 3 + ∆σ 3 ⋅ Log vo * + eo σ 3 vo
H ⋅ C
)onde ( asentamiento del estrato de suelo #arcilla o suelo !ino saturado$ 4 espesor del estrato de suelo eo índice de vacíos inicial 56vo tensión vertical e!ectiva inicial #antes de la aplicación de sobrecarga$ ∆ σ 3 incremento de tensión e!ectiva #o sobrecarga$, la cual producirá la consolidación C 7 Cc índice de compresibilidad que es la inclinación de la recta virgen de la curva de consolidación en escala semilogarítmica 'ara el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, existirán dos casos posibles #a$ El primero corresponde a un incremento de carga tal, que sumado a la tensión vertical e!ectiva existente #a la pro!undidad que se obtuvo la muestra$ no supera la presión de preconsolidación #calculada grá!icamente como se indica en 8igura *$. En este caso se utili9a la misma !órmula anterior, pero con el valor de C 7 Cr #índice de recompresión$ #b$ El segundo caso se re!iere a un incremento de carga que sumado a la tensión vertical e!ectiva existente #a la pro!undidad de la muestra$, supera la presión de preconsolidación. En este caso la !órmula contendrá dos t"rminos, uno que corresponde a la de!ormación seg:n la curva de recompresión y el otro a la de!ormación seg:n la curva virgen.
Método de Casagrande para la Determinación Gr!ica de la "ensión de Preconsolidación# σ pc
%$En el grá!ico e + 0og σ v6 *. ;. =. 1. >. ?.
%bicar punto *, punto de máxima curvatura
Esta,leciendo si la Arcilla es NC o PC
)ebemos comparar la tensión vertical e!ectiva de terreno, σ vo6 con la tensión de preconsolidación, σ pc6, para saber si la arcilla está normalmente consolidado #&C$ o preconsolidada #'C$ (i σ vo6 @ σ pc6 se trata de una arcilla &C (i σ vo6 A σ pc6 se trata de una arcilla 'C, siempre que estas di!erencias sean signi!icativas
En la curva de consolidación #!igura ;$ *. %bicar σ pc6. ;. %bicar el punto #σ vo6, eo$, tensión vertical e!ectiva de terreno e índice de vacíos en terreno. =. %bicar el punto B.1 eo en la prolongación de la recta de carga normalmente consolidado, tambi"n denominada curva virgen. 1. %nir con una recta los puntos ; y =. El valor absoluto de la pendiente de esta curva es el ndice de Compresibilidad, Cc.
&IG'(A - C'()A DE CONSOLIDACION. Determinación Gr!ica del /ndice de Compresi,ilidad Cc
Métodos de Determinación del Coe!iciente de Consolidación# C0
*a+ Segn método de "a2lor En el grá!ico de!ormación vDs raí9 cuadrada del tiempo #8igura =$ *. 1. (e une el punto B6 y . >. 0a intersección de esta recta con la curva de!ine el valor tGB en el eje de las abscisas. ?. Con este valor de tGB calcular el coe!iciente de consolidación con la !órmula C V
=
T V #U
=
GBH$
⋅
H
;
t GB
)onde
&IG'(A 3 C'()A DE&O(MACION )E(S'S (AI4 DE "IEMPO Determinación Gr!ica segn "a2lor de t56 Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite gra!icar Cv en !unción de σ v6. El valor de Cv a utili9ar será aquel correspondiente al incremento de carga que se tendrá en terreno, es decir, desde σ vo6 a la tensión vertical e!ectiva !inal.
*,+ Segn método de Casagrande En el grá!ico de!ormación vDs 0og#t$ #!igura 1$ *. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t* #si la parte inicial no es parabólica, utili9ar )B asociado a t 7 B y seguir en el paso 1$ ;. Karcar t; 7 1 t*. )e!inidos t* y t;, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical 2 =. )ibujar la distancia ;2 , y encontrar )B en el eje de las ordenadas. 1. )ibujar la proyección hori9ontal del !inal de la curva de de!ormación e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que de!ine )*BB. >. Encontrar )>B, como la distancia promedio entre )B y )*BB en el eje de las
ordenadas. ?. 'royectar )>B en la curva de de!ormación y encontrar t>B en el eje de las abscisas. L. Calcular Cv como C V
=
T V #U
=
>BH$
⋅
H
;
t >B
)onde BH y tiene el valor B.*GL 4 7 J de la altura inicial de la muestra #doblemente drenada$
&IG'(A 7 C'()A DE&O(MACION )E(S'S LOGA(I"MO "IEMPO Determinación Gr!ica segn Casagrande de t86
PE(MEA9ILIDAD DE 'N S'ELOGeneralidades 0a permeabilidad de un suelo se mide a trav"s del coe!iciente de permeabilidad M, que es un parámetro que de!ine la mayor !acilidad o di!icultad que el suelo o!rece al !lujo del agua. 8ue )arcy, a mediados del siglo NIN, quien de!inió este parámetro para arenas. 'osteriormente, se demostró que esta ley era igualmente válida para otros suelos, incluyendo suelos mucho menos permeables, tales como arcillas. unque la ley de )arcy se puede utili9ar tambi"n para el !lujo de otros líquidos, cuando en geotecnia se entrega un valor de M, se entiende que estamos hablando de su permeabilidad !rente al !lujo de agua. 0a permeabilidad de los suelos varía varios órdenes de magnitud. sí, mientras que para una arena limpia, el coe!iciente de permeabilidad, M, puede variar entre *B O; y *B O1 cmDs, para una arcilla "ste valor puede oscilar entre *B O> y *B O cmDs. Existen dos m"todos generales de laboratorio para determinar directamente el coe!iciente de permeabilidad de un suelo. Estos son el m"todo de carga constante y el m"todo de carga variable. 0a permeabilidad de un suelo medida en laboratorio, sea a trav"s del ensayo de carga constante, sea el de carga variable, puede di!erir del valor que ese suelo tiene en terreno. Entre las ra9ones de estas di!erencias, podemos mencionar las siguientes *. El suelo que se utili9a en el laboratorio nunca es per!ectamente representativo del suelo que se tiene en el terreno. esto se suma el hecho que el agua buscará precisamente caminos en terreno determinados por los sectores donde el suelo se presente más permeable. ;. 0a orientación pre!erencial del !lujo in situ puede di!erir de la orientación impuesta en el laboratorio. =. 0as condiciones de borde en laboratorio di!ieren de las de terreno. 0as paredes lisas del molde de permeabilidad !acilitan caminos del !lujo si comparados a los caminos naturales en el terreno. (i el suelo tiene estrati!icación vertical, el !lujo en los di!erentes estratos será di!erente y esta condición de borde es casi imposible de reproducir en laboratorio. 1. 0a carga hidráulica ∆h puede ser di!erente en el laboratorio, lo cual puede producir un arrastre, aunque leve, del material !ino hacia los bordes con una posible reducción en el valor de M. El gradiente hidráulico, de!inido como i 7 ∆hDl, obtenido en el terreno varía entre B.> y *.>, mientras que en el laboratorio suele ser mayor a >. Existe evidencia obtenida en di!erentes investigaciones que hace pensar que la ley de )arcy no es una relación lineal para todos los valores de i, especialmente para valores grandes #Kitchell y Pounger #*G?L$$. 'or otra parte, existe tambi"n evidencia de que en suelos !inos #arcillas$, puede existir un gradiente límite por debajo del cual no hay !lujo #$$. >. El suelo en la naturale9a, a pesar de estar por debajo del nivel !reático, no se encuentra necesariamente *BBH saturado. Existe una cierta cantidad de aire atrapado. 0o mismo puede ocurrir en laboratorio. 0a existencia de burbujas de aire, aunque pequeQas, a!ecta la permeabilidad. 'or estas ra9ones, en los proyectos de ingeniería de importancia, tales como ;
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presas de tierra y grandes excavaciones, se hace necesario reali9ar mediciones de permeabilidad a trav"s de ensayos en terreno, tales como pruebas de bombeamiento.
De!iniciones 0ey de )arcy. v = i k
y el caudal correspondiente del !lujo es q = A i k
donde q 7 cantidad de !lujo por unidad de tiempo M 7 coe!iciente de permeabilidad #unidades de velocidad$ i 7 gradiente hidráulico 7 ∆ hD0 ∆ h 7 carga hidráulica a lo largo de la muestra 0 7 0ongitud de la muestra a trav"s de la cual se mide h 7 área de la sección transversal del suelo en consideración El coe!iciente de permeabilidad de una masa de suelo homog"nea e isotrópica depende de los siguientes !actores *. 0a viscosidad del agua en los poros, ya que a medida que la temperatura aumenta, la viscosidad del agua disminuye y por lo tanto, la permeabilidad aumenta. 'or ello, el coe!iciente de permeabilidad se ha normali9ado a ;B R C. ;. El índice de vacíos e, del suelo. Es claro que la permeabilidad para un mismo suelo será mayor cuanto mayor sea su índice de vacíos. (e han hecho varios intentos para correlacionar el coe!iciente de permeabilidad del suelo con el índice de vacíos y se ha observado que la permeabilidad varía con una potencia del índice de vacíos. =. El tamaQo y !orma de los granos de suelo. 0a presencia de partículas angulares y laminares en un suelo tiende a reducir M si comparado con suelos compuestos predominantemente por partículas redondeadas y es!"ricas. 1. El grado de saturación. medida que aumenta el grado de saturación, el coe!iciente de permeabilidad aparente tambi"n se incrementa. En parte, este aumento se debe a la distribución de tensiones super!iciales. El origen del resto del aumento se desconoce, pues es di!ícil determinar M a menos que se considere continuidad de !lujo a trav"s del medio. El !lujo a trav"s de un medio poroso puede obtenerse :nicamente considerando iguales la cantidad de agua que entra y sale de la masa de suelo, es decir en r"gimen permanente. 0as muestras en laboratorio generalmente se saturan para evitar variaciones con respecto al patrón de suelo saturado.
