GEOLOGÍA Y GEOTECNIA
TÍTULO: “Ensayo de Consolidación Unidimensional”
Martínez, Pablo
Fecha: 27 de noviembre de 2006
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Objetivo: La finalidad de este ensayo es determinar la velocidad y grado de asentamiento que experimentará una muestra de suelo saturado al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. El fenómeno de consolidación, se origina debido a que si un suelo saturado se carga, en un comienzo el agua existente en los poros absorberá parte de dicha carga puesto que esta es incompresible, pero con el transcurso del tiempo, escurrirá y el suelo irá absorbiendo esa carga paulatinamente. Este proceso de transferencia de carga, origina cambios de volumen en la masa de suelo, iguales al volumen de agua drenada. En suelos granulares, la reducción del volumen de vacíos se produce casi instantáneamente cuando se aplica la carga, sin embargo en suelos arcillosos tomará mayor tiempo, dependiendo de factores como el coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el fluido expulsado, las condiciones de drenaje y la magnitud de la sobrecarga.
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Normas seguidas y bibliografía: • • •
Norma IRAM 10 505/72 www.icc.ucv.cl BOWLES, J. - Propiedades Geofísicas de los Suelos (Capítulo 11)
Descripción del ensayo Equipo necesario •
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Un aparato de carga o edómetro, equipo capaz de aplicar cargas verticales a la muestra. Un consolidómetro, dispositivo que contiene a la muestra durante el ensayo, constituido por: deposito de agua para la inundación de la muestra, dos piedras porosas, anillo de retención de la muestra, distribuidor de presión y aro de fijación. Deformímetro Balanza Herramientas y accesorios: cuchillo, espátula, recipientes plásticos, agua y cronómetro.
Preparación de la muestra
Se debe preparar la muestra en un lugar donde los cambios en el contenido de humedad durante el proceso se minimicen. Determinar el diámetro interno del anillo de consolidación y su peso. Luego, con ayuda de una espátula tallar la muestra mientras se introduce esta en el anillo de consolidación. Enrasar la muestra al anillo. Pesando el conjunto anillo más muestra y sustrayendo la masa del anillo, se obtiene la masa de la muestra húmeda, también se debe establecer la altura de la muestra. En función al diámetro del anillo de consolidación y a la altura de la muestra, se determina su volumen. Del suelo sobrante del proceso de tallado, se toman muestras representativas para determinar: humedad natural, gravedad específica de los sólidos y límites de consistencia.
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Realización del ensayo
Ensamblar el consolidómetro evitando el cambio de humedad en la muestra, este se ajusta al aparato de carga y se aplica una carga de inicialización de 0,05 Kg./cm 2 para suelos blandos y de 0,10 Kg./cm 2 para suelos firmes. Sin retirar esta carga, se lleva a cero el dial de deformación. La compresión de la muestra consiste en aplicar el siguiente incremento de presiones o escalones de carga en Kg./cm2: 0,25 - 0,50 - 1,00 - 2,00 - 4,00 y 8,00. En cada una de ellas se registra la lectura del dial de deformación, en los siguientes tiempos: 0, 6, 15, 30 segundos; 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutos y 1, 2, 4, 8, 16, 24 horas. Finalmente, se descarga la muestra ensayada, se retira el consolidómetro y del anillo de bronce, se extrae el total de la muestra, se pesa y se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco.
Observaciones. • La muestra al momento de ensayo, deberá quedar orientada en la misma dirección que ocupaba en el estrato original. • Este ensayo es unidimensional, por el hecho de que un anillo metálico rodea la probeta y no permite el flujo o movimiento del agua en un sentido lateral como sucede en terreno. • Con el objeto de limpiar completamente los poros de las piedras porosas, estas se lavarán y escobillarán, para luego saturarlas con agua destilada.
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Esquema del equipo utilizado
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Ejemplo de una situación real Se va a construir un terraplén en una zona cuya estratigrafía es la siguiente:
CL γ h = 19,3KN/m3
Futuro terraplén nf
SM γ
1,5m
sat
= 18,5KN/m3
Ch γ sat = 16,7KN/m3
Muestra para el ensayo
C ARGA
DE
T APADA:
P’ = 3,645 N/cm 2 S OBRECARGA : ∆
P = 5,79 N/cm 2
C ARGA
TOTAL :
P = P’ + ∆ P = 9,435 N/cm 2
Se adopta el escalón de carga de 10 N/cm 2
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3m 5m
3m
Datos del ensayo
Constante del flexímetro: 0,001 Diámetro de la muestra: 6,30 cm Altura inicial de la probeta (H 0): 2,35 cm Gravedad específica: 2,62 Peso del aro (ma): 96,5 gr Peso del suelo húmedo + aro (Wsh + ma): 212,77 gr Peso del suelo seco (Wss): 79,06 gr Cálculos
Área de la muestra (A) A = 31,17 cm2 Volumen de la muestra (V) V= A x H0 → V = 73,25 cm3 Contenido inicial de humedad (ω i) ω i = 38,56% Altura de los sólidos (H s) Hs = Wss / (G*A*γ ω ) → Hs = 1,18 cm Altura de vacíos inicial (H v0) Hv0 = H0-Hs → Hv0 = 1,17 cm Grado de Saturación inicial de la probeta (S 0) S0 = 102% Relación de vacíos inicial (e 0) e0 = 0,99
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Curvas de consolidación Método de la raíz cuadrada del tiempo o de Taylor: consiste
en graficar la curva de lecturas de dial contra raíz cuadrada de tiempo. Por su parte recta se traza una tangente, prolongándola hasta cortar la ordenada, obteniendo así el origen corregido (U0). Por ese punto se traza una línea recta con una inclinación del 15% mayor a la tangente, hasta cortar la curva, cuya intersección proyectada en la ordenada corresponderá al 90% de consolidación (U90) y en la abscisa al tiempo de 90% de consolidación (t90). El 100% de la consolidación será: U100 = U0 – (10/9)*(U0 – U90) Donde U0 = 0,661 mm U90= 0, 6645 mm U100 = 0,6649 mm Cálculo del coeficiente de consolidación (Cv) Cv = (T * H2) / t90 T (factor de tiempo)= 0,848 H = 11,73 mm t90 = 10,1 min Cv = 11,55 mm2/min
Método del
logaritmo del tiempo: consiste en graficar la
curva lecturas de dial contra logaritmo del tiempo. Por sus partes rectas (en el medio y final de la curva), se trazan tangentes cuya intersección proyectada en la ordenada corresponderá al 100% de consolidación (U100) y en la abscisa al tiempo de 100% de consolidación (t 100).
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El origen corregido (U0) se obtiene seleccionando un tiempo t1 y uno t2= 4t1. Desde t1 a t2 se mide la ordenada y se fija dos veces este valor sobre t2. La intersección con la ordenada determina el valor de U0. El 50% de la consolidación se obtiene mediante U50= (U0+U100)/2
Cálculo del coeficiente de consolidación (Cv) Cv = (T * H2) / t50 T (factor de tiempo)= 0,197 H = 11,73 mm T50 = 2,5 min Cv = 10,84 mm2/min
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Curvas de compresibilidad Presión aplicada (N/cm2) 0 5 10 20 40 80 -40 -10 -2,5
Lectura dial de deformación 0,627 0,627 0,627 0,650 0,650 0,682 0,682 0,712 0,712 0,742 0,742 0,7735 0,7735 0,772 0,772 0,767 0,767 0,762
Deformació n(mm)
Altura final (mm)
Relación de vacíos final
0
23,500
0,9910
0,023
23,477
0,9896
0,032
23,445
0,9869
0,030
23,415
0,9843
0,030
23,385
0,9818
0,0315
23,354
0,9792
-0,0015
23,355
0,9792
-0,005
23,360
0,9797
-0,005
23,365
0,9801
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Carga de consolidación P0: carga actual P0: 11,7 N/cm2 P’c = carga de preconsolidación, es la máxima presión geológica o histórica a la que ha sido sometido el suelo. P’c = 12 N/cm2 Coeficientes de consolidación Cc: índice de compresión, es la pendiente del tramo virgen de la curva anterior (curva k) Cc = 0,05 Cs: índice de expansión, es la pendiente del tramo de descarga Cs = 0,001 Cálculo del asentamiento total del estrato de arcilla H = Cc *log (p0 + ∆ p )* ( H ) p0 1 + e0 ∆ H = 0,031 cm ∆
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Conclusión: Todos los materiales sufren deformaciones al ser sometidos a un cambio en sus condiciones de solicitación. El estudio de la compresibilidad de los suelos es de suma importancia por su aplicación en la ingeniería, dado que trata de evaluar dos grandes cuestiones: 1. Cuánto se deforma un estrato bajo una cierta carga. 2. Cuánto tiempo tarda en deformarse el estrato. Se puede observar que al calcular el grado de saturación de la muestra de ensayo, nos da un valor mayor al 100%, esto puede deberse a un error en la toma de los pesos húmedos y secos de la muestra. Los valores del coeficiente de consolidación conseguidos de las curvas de Casagrande y Taylor están aproximadamente dentro del mismo rango de valor, aunque la curva de lectura de dial vs. logaritmo del tiempo no es similar a la que teóricamente debería ser. Si la carga actual a la que esta sometido el suelo es igual a la carga de preconsolidacón, estamos tratando con un suelo normalmente consolidado, que es aquél que nunca estuvo sometido a tensiones efectivas mayores que las existentes en el terreno. En el caso de nuestro ejemplo, a pesar de la diferencia entre estos dos valores consideramos que la muestra es de un suelo normalmente consolidado ya que están bastante aproximados y se puede haber cometido algún error en el cálculo de la carga de preconsolidación.
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