ENSAYO CONSOLIDACIÓN DE SUELOS Informe de laboratorio BECERRA GUEVARA YENIFER CHAMBA DEJO LUIGI CHILÓN ZÁRATE EDER CUSMA SAMAMÉ JARICSA MANCHAY LÓPEZ ALEX MONJA RAMÍREZ YELLY RONCAL ESPINOZA ALFREDO TORRES SECLÉN RUBBER
CURSO: Mecánica de suelos II DOCENTE: Ing. Ángel Alberto Lorren Palomino CICLO ACÁDEMICO: 2015-II FECHA: 25/09/2015
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL AMBIENTAL
I. INTRODUCCIÓN Al someter una masa de suelo saturado a un incremento de carga, ésta es soportada inicialmente por el agua contenida en los poros, ya que ella es incompresible en comparación con la estructura del suelo. La presión que resulta en el agua a causa del incremento de la carga es llamada exceso de presión hidrostática. A medida que el agua drena de los poros del suelo, el incremento de carga es transmitido a la estructura del suelo. La transferencia de carga es acompañada por un cambio en el volumen del suelo igual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocido como consolidación.
Este es un proceso que tiene un tiempo acotado de ocurrencia, comienza cuando se aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presión de los poros es igual a la hidrostática, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido la totalidad de la transferencia de carga del agua a la estructura de suelo. Terminado este proceso llamado consolidación primaria, el suelo continúa deformándose, aunque en menor magnitud, debido a un reacomodamiento de los granos. A este último proceso se lo denomina consolidación secundaria. El asiento total, suponiendo que el último valor medido coincide con el momento en que desaparece toda la sobrepresión intersticial creada al aplicar la carga, es una medida de la deformación del esqueleto del suelo. Si se realizan varios escalones de carga, se obtendrá una curva de compresibilidad, que relaciona la presión efectiva (en escala logarítmica) con la deformación del esqueleto mineral, expresada por el índice de poros o relación de vacíos. El propósito fundamental del ensayo de consolidación es determinar ciertos parámetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Además, el ensayo permite obtener información acerca de la historia de presiones a que ha sido sometido el suelo.
II. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL
Determinar los parámetros necesarios para calcular los hundimientos por consolidación y los tiempos en que estos se producen.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar el asentamiento por consolidación.
Determinar las gráficas cambio de altura versus tiempo.
Hallar indirectamente la permeabilidad del suelo.
Determinar el esfuerzo coeficiente de consolidación en la carga realizada.
Determinar el coeficiente de consolidación volumétrica.
III. MARCO TEÓRICO ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL En una situación real, donde es preciso resolver un problema de consolidación suelos, es necesario determinar no solo el tiempo en el cual se produce la consolidación sino también la magnitud del asentamiento que tendrá lugar debido a la deformación del suelo. Para esto se realiza la prueba de consolidación, o también llamada prueba de compresión confinada, la cual consiste en someter a un esfuerzo de compresión axial a una muestra inalterada del suelo en estudio. La muestra deberá ser inalterada, porque como ya se mencionó, la consolidación depende de la estructura del suelo.
La muestra a utilizar en el ensayo es cilíndrica con una altura pequeña en comparación al diámetro de la misma. Esta muestra se coloca dentro de un anillo metálico que impide la deformación transversal de la misma, por lo tanto el cambio de volumen viene dado únicamente por la disminución de la altra de la muestra. Dicho anillo, a su vez es colocado entre dos piedras porosas que permiten el drenaje por ambas caras. El anillo con la muestra y las piedras porosas, es colocado en un recipiente con agua destilada, para asegurar que la muestra está saturada durante la totalidad del ensayo. En contacto con el dispositivo descrito, llamado consolidómetro. El conjunto se ubica en un marco de carga. La aplicación de la carga se realiza a través de un brazo de palanca. Se somete a la probeta a distintos escalones de carga, manteniendo cada uno de ellos el tiempo necesario hasta que la velocidad de deformación se reduzca a un valor despreciable. En este caso se realizó la toma de datos de consolidación versus tiempo, durante 24 horas de carga y 24 horas de descarga.
Luego con los datos obtenidos se traza la gráfica deformación versus el logaritmo del tiempo o la gráfica deformación versus la raíz del tiempo; dichas graficas son conosidas como curvas de consolidación. Con los datos de altura inicial y final y el peso seco de la muestra puede determinarse el valor de la relación de vacíos correspondiente al escalón de carga en cuestión. Este proceso se repite para cada incremento de carga. Al final del ensayo se tiene para cada uno de ellos, un valor de relación de vacíos y con estos datos se puede trazar una gráfica en la cual las absisas se colocan los valores de presiones (carga sobre el área de la muestra) correspondientes a cada escalón de carga en escala logarítmica, y en las ordenadas las relaciones de vacíos correspondientes. Esta curva se conoce como curva de compresibilidad. Con las curvas de consolidación y de compresibilidad se determinan los parámetros necesarios para realizar los cálculos de tiempos de consolidación y asentamientos.
NORMATIVIDAD ASTM D 2435-90 ALCANCE Este ensayo describe el procedimiento para determinar el grado de asentamiento que experimenta una muestra de suelo al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. MUESTRA DE ENSAYO Para este ensayo generalmente se utilizan muestras inalteradas (ASTM D3550) obtenidas de bloques inalterados grandes fabricados y sellados con parafina en el campo. El almacenamiento de muestras: selladas cubierta con parafina. La muestra deberá ser inalterada tal que no pierdan humedad y que no haya evidencia de secamiento parcial ni de contracción de los extremos de la muestra. El tiempo de almacenamiento deberá reducirse al mínimo.
DEFINICIONES CONSOLIDACIÓN INICIAL Reducción casi instantánea en el volumen de la masa de un suelo bajo una carga aplicada, que precede a la consolidación primaria, debida principalmente a la expulsión y compresión del aire contenido en los vacíos del suelo. CONSOLIDACIÓN PRIMARIA Reducción en el volumen de la masa de un suelo originada por la aplicación de una carga permanente y la expulsión del agua de los vacíos, acompañada por una transferencia de carga del agua a las partículas sólidas del suelo.
CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA Reducción en el volumen de la masa del suelo, causada por la aplicación de una carga permanente y el acomodo de la estructura interna de su masa, luego de que la mayor parte de la carga ha sido transferida a las partículas sólidas del suelo
DIFERENCIA ENTRE CONSOLIDACIÓN Y COMPACTACIÓN La consolidación es un proceso acoplado de flujo y deformación producida en suelos totalmente saturados. Por lo tanto, no es posible hablar de consolidación en terrenos en los que el grado de saturación es inferior a 1 ya que en ese caso hablamos de compactación. A raíz de esto, hablamos de compactación cuando el terreno no está totalmente saturado y actúan fuerzas sobre el terreno tales como la succión capilar del agua intersticial. En estos casos y en otros similares, las características de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cualitativamente, con aproximación razonable, realizando pruebas como un ensayo edométrico o ensayos triaxiales sobre especímenes representativos del suelo, extraídos en forma inalterada. Se puede así calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables a las cargas aplicadas así como el tiempo de consolidación.
IV. MATERIALES Y EQUIPOS
TUBO
PARAFINA
PAPEL FILTRO
AGUA DESTILADA
BALANZA
CUCHILLO
HORNO
MUESTRA
PIEDRA POROSA
CONSOLIDÓMETRO
CAJA DE CONSOLIDACIÓN
ANILLO CORTANTE
DEFORMÍMETRO
NIVEL DE MANO
RECIPIENTE
VIERNIER
CRONÓMETRO
V. PROCEDIMIENTO 5.1. PROCEDIMIENTO EN CAMPO El procedimiento en campo consistió en la extracción de la muestra inalterada. Las calicatas consisten en excavaciones realizadas mediante medios mecánicos convencionales, que permiten la observación directa del terreno a cierta profundidad, así como la toma de muestras y la realización de ensayos en campo.
La profundidad no suele exceder de 4m.
La presencia de agua limita su utilidad.
El terreno debe poderse excavar con medios mecánicos.
Para su ejecución es imprescindible cumplir las normas de seguridad. Encontramos la zona de excavación, en la Urb. Ingenieros II.
El desarrollo de la excavación se llegó a realizar a las 8.00 a.m. en la ciudad de Chiclayo. Llegamos a excavar hasta una profundidad de 1.40 m extrayendo a esta profundidad la muestra inalterada que se utilizó en el ensayo de consolidación. Los materiales que se usaron en la
Las herramientas que se usaron
excavación fueron:
fueron:
Tubo.
Pala.
Bolsas.
Pico.
Parafina.
Barreta.
1. Con la ayuda de un pico y palana, ejecutamos una calicata hasta un metro de profundidad. Es en esta altura donde encontramos el nivel freático.
2. Extrajimos una muestra inalterada en el fondo de la calicata, mediante un tubo de acero de 4 pulgadas y 30 centímetros de altura. Como, durante la ejecución de la calicata, solo apareció un estrato, tomamos una sola muestra inalterada. Para poder ingresar el tubo, hicimos uso de un pedazo de madera y un mazo, y dimos golpes suaves al tubo. Inmediatamente, después de sacar el tubo, tapamos parafina para proteger la muestra y que no se pierda su humedad.
5.2. PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO 1. Extraemos una parte de la muestra inalterada.
2. Pesamos el anillo de consolidación y anotamos dicho peso.
3. Medir la altura y el diámetro del anillo.
4. De la parte de muestra extraída la introducimos en el anillo. Una vez que esto se hace, se va retirando el material sobrante enrasando dicho anillo.
5. Se procede a pesar el anillo con la muestra.
6. Ahora procedemos a armar la cámara de consolidación.
7. Llevamos la cámara de consolidación hacia el cabezal de carga.
8. Una vez ubicada la cámara de consolidación procedemos a nivelar el brazo de palanca. Vertemos agua destilada en la cámara de consolidación.
9. Ajustamos el micrómetro en cero.
10. Colocamos la carga.
11. Se van tomando las deformaciones que va sufriendo en suelo en los tiempos recomendados, estos son: 5 seg, 10 seg, 15 seg, 30 seg, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min. , 60 min., 120 min., 240 min., 480 min., 900 min. y 1440
min.
Estos tiempos son cronometrados al momento de hacer el incremento de carga y se toman lecturas de deformación hasta que la curva TiempoDeformación entre a su consolidación secundaria (tramo recto de la curva); entonces se podrá hacer el siguiente incremento de carga.
5.3. PROCEDIMIENTO EN GABINETE DIMENSIONES DE LA MUESTRA INICIAL Diámetro, D (cm.)
5
Altura, H (cm.)
1.99
W.Anillo (gr.)
69.32
W.Anillo + Muestra (gr.)
192.2
W.Bloqué.+ P.porosa (gr.)
328.13
HUMEDAD NATURAL
Recipiente No
1
W.m. Hum + Rec. (gr.)
128.25
W.m Seca + Rec. (gr.)
115.40
W.r (gr.).
25.58
Humedad. (%)
14.31
PESO ESPECIFICO DEL SUELO Temp. del ensayo (Tx)
°C
20
W.Pic.+ agua temp Tx (Wa)
gr.
142.21
W.Pic+Muestra+agua (Wb)
gr.
168.25
Peso Muestra Seca (Wo)
gr.
48.25
gr/cm3
2.172
Peso específico suelo (Gs)
DESCARGA 16 A 8
4013
8A4
3898
4A2
3794
2A0
3699
TIEMPO (t)
LECTURA DEL DIAL
Minutos
Raizde (t)
5 Kg
5 Kg
0.15
0.39
0.6875
0.6700
0.30
0.55
0.7125
0.6625
1.00
1.00
0.7325
0.6575
2.00
1.41
0.7450
0.6525
4.00
2.00
0.7550
0.6475
8.00
2.83
0.7650
0.6425
15.00
3.87
0.7725
0.6375
30.00
5.48
0.7825
0.6350
60.00
7.75
0.7850
0.6250
120.00
10.95
0.7925
0.6225
180.00
13.42
0.7950
0.6175
240.00
15.49
0.8000
0.6150
360.00
18.97
0.8025
0.6125
480.00
21.91
0.8075
0.6125
1440.00
37.95
0.8150
0.6100
VI. RESULTADOS 6.1. CASAGRANDE GRAFICA DE LA TOMA DE DATOS DE LA CARGA DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN LECTURA DEL DIAL 0,0001 vs LOGARITMO DEL TIEMPO (METODO DE CASAGRANDE)
967.00
5,00 kg/cm2
971.00
973.00
975.00
977.00
979.00
981.00
LOGARITMO DEL TIEMPO
100.00
10.00
1.00
983.00
0.10
LECTURA DEL DIAL (0,0001in)
969.00
GRAFICA DE LA TOMA DE DATOS DE LA DESCARGA DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN LECTURA DEL DIAL 0,0001 vs LOGARITMO DEL TIEMPO (METODO DE CASAGRANDE)
960.00
962.00
963.00
964.00
965.00
966.00
967.00
5,00 kg/cm2
LOGARITMO DEL TIEMPO
100.00
10.00
1.00
968.00
0.10
LECTURA DEL DIAL (0,0001in)
961.00
6.2. CURVA DE TAYLOR GRAFICA DE LA TOMA DE DATOS DE LA CARGA DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN LECTURA DEL DIAL vs RAIZ DEL TIEMPO (METODO DE TAYLOR)
967.00
5,00kg/cm2
LACTURA DEL DIAL (0,0001in)
969.00
971.00
973.00
975.00
977.00
979.00
981.00
983.00 0.00
10.00
20.00
RAIZ DE (t)
30.00
40.00
GRAFICA DE LA TOMA DE DATOS DE LA DESCARGA DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN LECTURA DEL DIAL vs RAIZ DEL TIEMPO (METODO DE TAYLOR)
960.00
LACTURA DEL DIAL (0,0001in)
961.00
962.00
963.00
964.00
965.00
966.00
967.00
5,00kg/cm2
968.00 0.00
10.00
20.00
RAIZ DE (t)
30.00
40.00
6.3. MÉTODO DE TAYLOR
Taylor propuso un método para poder el tiempo de consolidación, para un porcentaje de consolidación del 90%, a partir de la curva Deformación - √𝑡 , correspondiente al escalón de carga que presente la situación in situ. Determinado ese tiempo de consolidación, puede luego estimarse el coeficiente de consolidación, utilizando la ecuación.
LECTURA DEL DIAL vs RAIZ DEL TIEMPO (METODO DE TAYLOR)
967.00
5,00kg/cm2
LACTURA DEL DIAL (0,0001in)
969.00
971.00
973.00
975.00
977.00
979.00
981.00
983.00 0.00
x 1.15x
10.00
20.00
RAIZ DE (t)
30.00
40.00
1. Para obtener 𝑡90 se tiene que trazar una línea que una 5 puntos. 2. Luego, se prolonga la línea y la distancia obtenida será multiplicado por 1.15, con ello se trazara una nueva línea, cuya intersección con la curva será 𝑡90 . 𝒕𝟗𝟎 = (𝟔. 𝟕𝟓)𝟐 = 𝟒𝟓. 𝟓𝟔𝟐𝟓 3. Para H: 2𝐻 = 20 − 9.76 = 10.24 𝑯 = 𝟓. 𝟏𝟐 𝒎𝒎 = 𝟎. 𝟓𝟏𝟐𝒄𝒎
4. Para 𝑻𝒗 = 𝟎. 𝟖𝟒𝟖 5. Luego: 𝐶𝑣 =
𝑇𝑣 𝐻𝑙𝑎𝑏 2 0.848(0.512)2 = 𝑡90 45.5625 × 60
∴ 𝑪𝒗 = 𝟖. 𝟏𝟑𝟐 × 𝟏𝟎−𝟓 𝒄𝒎𝟐 /𝒔
VII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1. CONCLUSIONES
La compresibilidad de los suelos, tal como se determina en algún ensayo, es una de las propiedades más útiles que pueden ser obtenidas de los ensayos de laboratorio.
Cuando un depósito se somete a un incremento de esfuerzos totales, como resultado de cargas externas aplicadas, se produce un exceso de presión intersticial. Puesto que el agua no resiste al corte la presión neutra se disipa mediante un flujo de agua al exterior, cuya velocidad de drenaje depende de la permeabilidad del suelo.
La práctica de consolidación que se llevó a cabo fue con el propósito de evaluar la reducción del volumen, en una muestra de suelo extraída a 1.40 metros en la Urb. Ingenieros II, Chiclayo; con ellos pudimos observar cómo se comporta este tipo de suelo así como sus contenidos de agua antes y después del proceso.
Los datos del ensayo de consolidación pueden ser utilizados para desarrollar un estimado de la velocidad y la cantidad de los asentamientos totales y diferenciales de una estructura o un terraplén. De esta, manera, los valores calculados son frecuentemente de importancia clave, en primer lugar en la selección del tipo de cimentación y en segundo lugar en la evaluación de su competencia.
7.2. RECOMENDACIONES
El ensayo de laboratorio es unidimensional, pues se hace uso de un anillo metálico para confinar la muestra, no se permite flujo o movimiento de agua en un sentido lateral, y todo flujo de agua y el movimiento del suelo suceden en la dirección vertical. Pero de todas maneras habría que tener en cuenta este fenómeno para conocer con mayor precisión el posible comportamiento real del suelo estudiado.
Se deben tener en cuenta las condiciones de saturación de la muestra, ya que influyen en los resultados y, en el caso que los especímenes de ensayo no se encuentren totalmente saturados, estos deben ser interpretados con una teoría diferente a la convencional de la consolidación de Terzagui. Se recomienda realizar un análisis de relación de fase del material antes de ejecutar el ensayo de consolidación, con el fin de reportar con mayor precisión el contenido de humedad de la muestra al inicio del ensayo.
Los resultados obtenidos pueden verse enormemente afectados por la pérdida de las características originales de la muestra; se recomienda proceder con extrema cautela en la extracción de la muestra así como su selección y preparación, para minimizar los daños que se le pueden ocasionar a esta.
Se recomienda tomar las lecturas de tiempo-asentamiento durante un mínimo de 24 horas, incluso si se piensa interpretar los resultados del ensayo mediante la metodología de Taylor, ya que al definir el tiempo teórico de consolidación t90, en un instante de tiempo cercano al inicio del ensayo bajo la premisa de que la muestra ya alcanzo el 100% de su consolidación primaria, se corre el riesgo de sobrestimar Cv.
