Evaluación de Los Métodos de Determinación Del Esfuerzo de Pre-consolidación

EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE PRE-CONSOLIDACIÓN Omar Conte1, Stephanie Rust2, Louis Ge3, and Richard Stephenson 4 1Graduate

Student, Department of Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, Missouri 65409, USA. Email: [email protected] 2Graduate Student, Department of Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, Missouri 65409, USA. Email: [email protected] 3Assistant Professor, Department of Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, Missouri 65409, USA. Email: [email protected] 4Professor, Department of Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Missouri University of Science and Technology, Rolla, Missouri 65409, USA. Email: [email protected] RESUMEN: La presión de pre-consolidación proporciona información valiosa sobre el comportamiento del suelo y, específicamente, la sedimentación bajo una carga inducida. Se espera que el suelo tenga menos asentamientos antes de su presión previa a la consolidación y mucho más asentamiento después de ese punto. La presión de pre-consolidación y la compresibilidad c ompresibilidad del suelo se pueden determinar a partir de los resultados de una prueba de consolidación unidimensional. Se han desarrollado diferentes métodos para obtener la presión de preconsolidación precisa a partir de los datos de prueba de consolidación unidimensional. Este documento presenta y analiza los resultados de los datos de prueba de consolidación unidimensional de un extenso programa de prueba.

Las muestras de prueba utilizadas se obtuvieron de múltiples ubicaciones de perforaciones y se extrajeron utilizando muestreadores de tubos Shelby. El enfoque de este trabajo es la comparación de tres técnicas de determinación del esfuerzo de pre-consolidación, que se realizaron en cada muestra del conjunto de muestra grande. Los métodos utilizados fueron el método de Casagrande, el método de energia de deformación y el método de tangente de intersección. La implementación de estos métodos será evaluada. Además, se abordará la subjetividad de cada método. Los resultados finales de las técnicas se compararán y contrastarán.

INTRODUCCIÓN Las pruebas de consolidación son muy comunes, pero el nivel de incertidumbre relacionado con la determinación de los resultados de la presión pre-consolidación sigue siendo relativamente alto. La interpretación gráfica de los resultados puede tener un gran impacto en las presiones de preconsolidación reportadasy, por lo tanto, tendrá un impacto significativo en el diseño geotécnico.El propósito de este trabajo es presentar tres métodos diferentes para obtener presión de pre-consolidación. Se presentan los resultados de la prueba de consolidación unidimensional (ASTM D2435) de un extenso programa de prueba, y los tres métodos se usaron en cada espécimen. Se discuten las tendencias que cada método desarrolló en comparación con los demás. El impacto de la subjetividad humana en la interpretación de datos también será considerado. Se presentan conclusiones y recomendaciones para una futura consideración cuando se u san los métodos. Traducido por: David Fernando Rios Fernandez

ANTECEDENTES El método Casagrande es ampliamente conocido y el método más popular. La presión de pre-consolidación pre -consolidación,, según Casagrande (1936), es la "mayor sobrecarga en la que el suelo había sido sobreconsolidado". El método que propuso se basa en la relación semilogarítmica entre la relación de vacío y el esfuerzo efectivo vertical. Este método se desarrolló a partir de dos conclusiones extraídas por Casagrande (1936): (i) la perturbación por descarga durante el muestreo, etc. no borra ni distorsiona seriamente la impresión creada por la mayor carga anterior; (ii) la forma de la curva de recompresión antes de la presión de pre-consolidación y la forma de la curva de descarga-recarga son similares, y sus relaciones con la compresión virgen línea también son similares. El método de tangente es un método aún más simple utilizado por los ingenieros para estimar el esfuerzo de preconsolidación. Este método es extremadamente simple de realizar y "define otra 'más probable' presión de preconsolidación" (Holtz, 1981). El método de la energía de deformación (Becker et al., 1987) también utiliza la primera conclusión de Casagrande (1936) y la conclusión de Mesri y Choi (1985) que establece que existe una relación única entre el índice de vacío de la consolidación consolidación primaria primaria y el esfuerzo esfuerzo efectivo. efectivo. En cuanto al término "similar" "similar" en la segunda segunda conclusión de Casagrande, Becker et al. (1987) asumieron una relación lineal entre la energía de deformación total E y la esfuerzo efectivo p (E-p) para la porción de recompresión directamente de la curva de recompresión de laboratorio sin considerar la parte de descarga de descarga de las pruebas (Wang y Frost, 2004). A diferencia del método de Casagrande, que se enfoca más en las propiedades locales (la curvatura más grande) alrededor de la presión previa a la consolidación, Becker et al. El método de energía ha adoptado la pendiente promedio de la curva de recompresión antes de la presión de preconsolidación. El método de la energía es relativamente nuevo, más inclusivo y conceptualmente muy prometedor.

MÉTODO DE MUESTREO Todas las muestras analizadas se muestrearon utilizando un tubo Shelby estándar de aproximadamente 7,6 cm. (3 pulgadas) de diámetro y aproximadamen ap roximadamente te 1.5 metros (5 pies) de largo. Las muestras de la perforación p erforación B1 y B2 se tomaron muestras de Warrensburg, Missouri. La geología de la zona consiste en un valle aluvial relleno de estratos marinos de Pensilvania Desmoinesia, que se compone principalmente de lutitas y calizas delgadas. El equipo utilizado fue una plataforma de perforación CME 850 y una plataforma de perforación Failing 1500. Los especímenes de la perforación B3 se obtuvieron de St. Charles, Missouri. El lecho de roca para esta área está formado por la piedra caliza de San Luis (Mississippian superior, Meramecian). Esta formación es de color gris oscuro, finamente cristalina a litográfica, de caliza de lecho medio a macizo, que se extiende por todo el noroeste del río Missouri. El uso del equipo en este agujero fue un equipo de perforación Failing 1500. Los especímenes de la perforación B4 se tomaron en New Florence, Missouri. Esta área, cerca del río Missouri, está cubierta por depósitos aluviales que incluyen limo y arcilla.

ANÁLISIS METODOLOGÍA

El método para determinar la presión de preconsolidación de un espécimen según Casagrande requiere el uso de una relación de vacío versus el logaritmo de la gráfica de presión. El primer paso es ubicar el punto de radio mínimo (o punto de máxima curvatura) en la curva de consolidación. No se prescribe ningún medio específico para hacer esto. Muchos ingenieros simplemente usan su propio criterio de observación para lograr esto, mientras que otros trazan la curva de consolidación en el software de dibujo y obtienen el punto de máxima curvatura del software. Traducido por: David Fernando Rios Fernandez

En segundo lugar, se dibuja una línea horizontal a través del punto de máxima curvatura. En tercer lugar, se dibuja una línea tangente a la curva de consolidación en el punto de máxima curvatura. El ángulo formado por la línea tangente y la línea horizontal se divide en dos. La porción recta de la curva de compresión virgen se extiende luego hasta que intersecta la línea de bisección. El esfuerzo que corresponde a ese punto de intersección es el esfuerzo determinado antes de la consolidación. El método tangente para determinar la presión de preconsolidación de una muestra requiere el uso de una relación de vacíos o deformación frente al logaritmo de la gráfica de presión. En primer lugar, se dibuja una línea de tendencia lineal a través de la porción de recompresión de la curva de consolidación. En segundo lugar, se traza una línea de tendencia lineal a través de la porción de compresión virgen (línea virgen) de la curva. El esfuerzo que corresponde al punto de intersección de estas dos líneas de tendencia es el esfuerzo determinado antes de la consolidación. El método de energia de deformación para determinar la presión de pre-consolidación de una muestra requiere el uso de una energía acumulada versus la gráfica de esfuerzo efectivo. Además de los parámetros que se trazan, la determinación gráfica del esfuerzo de preconsolidación es idéntica a la del método de tangente de intersección descrito anteriormente. SUBJETIVIDAD

Los resultados de esos métodos gráficos dependen en gran medida del intérprete de datos. Con el fin de determinar los efectos de la subjetividad humana en la determinación de la presión de preconsolidación, se realizó un estudio de sensibilidad. Los diagramas de datos de los tres métodos se seleccionaron del grupo de datos del proyecto. Para cada método, se eligieron dos parcelas representativas. Uno de los dos se consideró muy sencillo y fácil de usar para el método dado y el otro se consideró menos simple y algo ambiguo para el método dado. Las seis parcelas se eligieron de forma independiente, basándose únicamente en los criterios mencionados anteriormente. Estas parcelas fueron entregadas a estudiantes de ingeniería civil de pregrado matriculados en un curso de mecánica de suelos. En el momento en que se realizó el estudio, los estudiantes estaban cerca de completar el curso. Antes de determinar las tensiones previas a la consolidación, los estudiantes recibieron un recordatorio de cómo realizar cada uno de los tres métodos. Cada estudiante determinó el estrés previo a la consolidación para las seis parcelas y el total de dieciséis estudiantes participó en el estudio. Los resultados en forma de desviación estándar se muestran en la FIG. 1:

FIG. 1. Resultados del estudio de sensibilidad

Como se puede ver en los resultados, el método de energia de deformación tiene la mayor sensibilidad a la subjetividad en el caso ambiguo, pero el más bajo en el caso simple. Esto es consistente con las experiencias Traducido por: David Fernando Rios Fernandez

de los intérpretes de datos para el proyecto. Curiosamente, el método de tangente de intersección no es mucho menos sensible que el método de Casagrande. Esto es algo sorprendente porque el nivel de complejidad del método de Casagrande es mucho más alto que el del método de tangente de intersección. Quizás ese mismo nivel de complejidad deja menos espacio para la variabilidad. RESULTADOS

El grupo de muestra utilizado para este estudio consistió en 26 especímenes. El suelo para cada prueba se clasificó usando la Tabla de Plasticidad de Casagrande y los límites de Atterberg (ASTM D2487). La mayoría de los suelos evaluados se clasificaron como arcilla de baja plasticidad (CL) con una pareja clasificada como arcilla de alta plasticidad (CH). La consolidación unidimensional estándar (ASTM D2435), también conocida como la prueba de odómetro, se realizó en cada espécimen para determinar su presión previa a la consolidación. Este método permite la deformación y el drenaje solo en la dirección vertical, aplicando cargas incrementales (presiones) que varían de aproximadamente 6.8 Pa (1.0 psi) a aproximadamente 772.2 Pa (112.0 psi). Los tres métodos (Casagrande, tangentes de intersección y energía de deformación) se usaron para obtener las presiones de preconsolidación de cada espécimen. En las Figuras 2-5 se muestran las presiones de preconsolidación de profundidad y efectividad para cada método.

FIG 2. Perfil de presión de pre-consolidación de la perforación B1

Traducido por: David Fernando Rios Fernandez





Como se desprende de las Figuras 2-5, las presiones de preconsolidación tienden a aumentar con la profundidad pero no en todos los casos. Esto es probable debido a los cambios en los estratos del suelo. El método de tangente de intersección arrojó las presiones de p reconsolidación reconsolidación más bajas en la mayoría de los casos. El método de Casagrande arrojó la mayor presión previa a la consolidación. El método de energía de deformación pareció arrojar valores de presiones de preconsolidación entre los valores de los otros dos métodos. Sin embargo, la perforación B2 fue la excepción a las tendencias generales descritas anteriormente. Los índices de geología y plástico de la muestra B2 de la perforación fueron muy similares a los de la perforación B1 y provenían del mismo sitio que la perforación B1. Todas las muestras se analizaron y analizaron de forma idéntica. Esta disparidad de la tendencia general sigue siendo desconocida.

OTROS FACTORES CONTRIBUYEN CONTRIBUYENTES TES Es importante tener en cuenta que el esfuerzo de pre-consolidación obtenido de la prueba de consolidación solo representa las condiciones en el punto donde se obtuvo la muestra. Si la muestra se hubiera tomado a una altura diferente, la t ensión previa a la consolidación cambiaría en consecuencia. Hay varios factores que pueden afectar la determinación del esfuerzo de pre-consolidación. Un factor importante que afecta todas las pruebas de laboratorio en suelos es la alteración de la muestra. Si bien la alteración del suelo todavía no se comprende por completo, disminuye la magnitud de la presión de preconsolidación y el volumen de vacíos para cualquier valor dado de presión efectiva. Terzaghi (1941) concluyó que cada arcilla pasa de un estado sólido a uno parcialmente lubricado durante las operaciones de muestreo. Esto conduce a una pérdida p érdida de información con respecto a las propiedades físicas de las arcillas en la presión de sobrecarga de estado sólido. En otras palabras, a medida que la perturbación de la muestra probada aumenta, la forma de la curva cu rva de consolidación se deteriora. El "quiebre" en la curva se vuelve menos agudo con el aumento de la perturbación, por lo tanto, lo que hace más difícil determinar la presión de preconsolidación con los métodos actuales. Por ejemplo, se ha demostrado que con las arcillas sensibles el aumento de la perturbación de la muestra disminuye el valor del estrés previo a la consolidación. Al mismo tiempo, la relación de vacío disminuye (o aumenta la deformación) para cualquier valor dado de presión de sobrecarga. Como consecuencia, la compresibilidad en tensiones inferiores a la tensión previa a la Traducido por: David Fernando Rios Fernandez

consolidación aumenta, y en tensiones superiores al esfuerzo de pre-consolidación disminuye la compresibilidad (Holtz, 1981).

CONCLUSIONES Este estudio indica que el método de tangente de intersección generalmente arrojará la presión de preconsolidación más conservadora. El método de Casagrande típicamente arrojará la presión de preconsolidación menos conservadora de los tres métodos. El método de energía de deformación generalmente produce un valor de presión de preconsolidación entre los de los otros dos métodos. Sin embargo, no se recomienda el uso del método de energia de deformación si los puntos de datos son difíciles de interpretar.

REFERENCIAS American Society for Testing and Materials (2004). Standard Method for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading. American Society for Testing and Materials (2004). Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System. S ystem. Becker, D.E. Crooks, J.H.A., Been, K., and Jefferies, M.G., (1987). “Works as a criterion for determining in situ and yield stresses in clays.” Can. Geotech. J., 24: 549-564.

Coduto, D.P., (1999). Geotechnical Engineering Principles and Practices, Prentice Hall, Inc., Upper Saddle River, N.J. Holtz, R.D., and William D. K. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. Terzaghi, K. (1941). “Undisturbed clay samples and undisturbed clays.” Journal of Boston Society of Civil

Engineers, Vol. 28(3): 45-65. Mesri, G., and Choi, Y.K. (1985). “The uniqueness of the end-of-primary (EOP) void ratio-effective stress relationship.” In Proceedings of the 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, Calif., 12 –16 August 1985. A.A. Balkema, Rotterdam, The Netherlands. Vol. 2, pp.

587-590. Wang, L.B., and J.D. Frost (2004). “Dissipated strain energy method for determining preconsolidation pressure.” Can. Geotech. J., Vol. 41: 760-768.


Evaluación de Los Métodos de Determinación Del Esfuerzo de Pre-consolidación

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