UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI
2011-II
INTRODUCCION El ensayo de consolidación, también llamado ensayo de compresión confinada, es de gran importancia, debido a que la consolidación es un problema natural de los suelos finos, como arcillas y limos, y todas las edificaciones fundadas sobre este tipo de suelo enfrentarán este fenómeno. Por lo anterior es de vital importancia conocer la velocidad de asentamiento total y diferencial de la estructura. El ensayo de consolidación es un ensayo bastante complicado debido a que tiene un complejo procedimiento, en el cual debemos ver cómo va variando el volumen del suelo al aplicar la carga, con una duración de 2 semanas aproximadamente, aunque en nuestro caso se verá una forma simplificada del ensayo, ya que por motivos de tiempo y espacio en el laboratorio no se podrá hacer completo. Este ensayo esta estandarizado por la norma norteamericana ASTM D-2435.
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Consolidación de suelos Consolidación de suelos: Se define como consolidación a la deformación plástica debida a reducción en la relación de vacíos (generalmente llamada asentamiento) la cual es función del tiempo y del exceso de presión de poros. Cuando se aplica una carga a un suelo de grano fino saturado parcial o totalmente el tiempo para lograr la deformación plástica y la reducción en la relación de vacíos es mucho mayor, y para este proceso dependerá de varios factores entre los cuales los principales son:
Grado de saturación El coeficiente de permeabilidad del suelo Las propiedades del flujo de los poros La longitud de la trayectoria que debe recorrer el fluido expulsado de la muestra para encontrar equilibrio.
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.
Ensayo de consolidación de suelos Definición: Este ensayo define el procedimiento a seguir para determinar el grado de asentamiento que experimenta una muestra de suelo al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. Se denomina consolidación de un suelo a un proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo
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generalmente largo. Producen asientos, es decir, hundimientos verticales, en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud.
Instrumentos a utilizar. 1.-Aparato de carga: Con una precisión del 0.5% de carga.
2.-Caja de consolidación: Consiste de un recipiente y unas piedras porosas.
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3.-Anillo cortante cilíndrico: Con una altura de 2.54 cm y el diámetro de 6.35cm.
4.-Deformimetro: Con una sensibilidad de 0.01mm
5.-Balanza: Con aproximación a 0.01g
6.-Horno:
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MUESTRA DE ENSAYO Para este ensayo generalmente se utilizan muestras inalteradas (ASTMD3550) obtenidas de bloques inalterados grandes fabricados y sellados con parafina en el campo. El almacenamiento de muestras selladas deberá ser 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.
Foto Nº 2: Muestra inalterada cubierta con parafina.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Retire la capa de parafina de las paredes del bloque inalterado.
Inserte el anillo cortante en el bloque inalterado y recorte la muestra utilizando un cuchillo o sierra de alambre.
Foto Nº 3: Toma de muestras con el anillo cortante en el bloque inalterado.
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Enrase las caras superior e inferior de la muestra con un cuchillo y llene los vacíos con el material recortado.
Foto Nº 4: Enrasado de las superficies planas de la muestra
Extraiga la muestra del anillo cortante y determine la altura inicial (Ho) y el diámetro (D) de la muestra tomando el promedio de por lo menos tres medidas.
Foto Nº 5: Medición de la muestra
Calcule el volumen inicial (Vo) de la muestra, en función del diámetro y de la altura inicial de la muestra. Pese el anillo de consolidación y registre su masa (Manillo), con una precisión de 0.01g. Inserte la muestra en el anillo de consolidación y determine la masa inicial de la muestra (MTo) pesando el conjunto anillo más muestra y restando la masa del anillo.
Nº 6: Peso del anillo más muestra.
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Obtenga dos o tres determinaciones del contenido de humedad inicial, utilizando el material recortado de la muestra,de acuerdo con la norma ASTMD2216.
Foto Nº 7: Contenido de humedad inicial.
PROCEDIMIENTO
Humedezca las piedras porosas y el papel filtro si el suelo está parcialmente saturado o manténgala secas si el suelo es expansivo. Ensamble la caja de consolidación colocando la muestra entre papel filtro y las piedras porosas
Foto Nº 8: Ensamblado de la caja de consolidación.
Coloque la caja de consolidación en el dispositivo de carga poniendo sobre la muestra el disco móvil de acero para uniformizar la carga. Coloque el deformímetro en el aparato de carga con su dispositivo para sujetarse.
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Foto Nº 9: Colocación del deformímetro.
Aplique una carga de asentamiento de 5kPa (100lb/ft2) para suelos firmes y de 2 ó 3kPa (alrededor de 50lb/ft2) para suelos blandos, (para producir éstas presiones se deben aplicar cargas de 160 y 80g respectivamente).
Foto Nº 10: Colocación de carga de asentamiento.
Aplicada la carga de asentamiento llene con agua la caja de consolidación y deje que la muestra se sature.
Foto Nº 11: Saturación de la muestra.
Coloque cargas sobre el consolidómetro para obtener presiones sobre el suelo de aproximadamente 30.40, 61.80, 123.60, 248.20, 495.40, 991.80 etc. kPa, (para producir estas presiones se deben aplicar cargas de1, 2, 4, 8, 16, 32Kg respectivamente). Antes de aplicar un incremento de presión, registre la altura de la muestra. La duración de cada incremento de carga debe ser de 24horas. Inmediatamente aplicado cada incremento de carga, ponga en marcha el cronómetro y registre las lecturas de deformación de la muestra a intervalos de 0.1, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos y 1, 2, 4, 8, y 24horas.
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Foto Nº 12: Colocación de cargas sobre el aparato de consolidación.
Una vez tomada la última lectura con el último incremento de carga, descargue el suelo mediante reducciones de carga. Para disminuir la expansión durante la descarga, deberá descargarse la muestra hasta la carga establecida de 5kPa (100lb/ft2) para suelos firmes y de 2 ó 3kPa (alrededorde50lb/ft2) para suelos blandos. Una vez que se ha concluido el ensayo, quite la carga final y desarme rápidamente la caja de consolidación. Pese la masa de la muestra extraída de la caja de consolidación (MTf) pesando el conjunto anillo más muestra y restando la masa del anillo, con una precisión de 0.01g. Se que la muestra en el horno hasta una masa constante a una temperatura de 1105C (2309F), pese su masa seca (MSf) y determine el contenido de humedad final, (Wf) de acuerdo con la norma ASTMD2216.
Foto Nº 13: Secado al horno de la muestra.
CÁLCULOS
Calcule el contenido de humedad inicial y final, mediante la siguiente ecuación: Contenido de humedad inicial: o
Donde: MHO=Peso del recipiente + muestra húmeda antes del ensayo, g. MS=Peso del recipiente + suelo seco antes del ensayo, g. Mrecipiente=Peso del recipiente, g.
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Wo=Contenido de humedad inicial,%
o
Contenido de humedad final:
Donde: MTf=Peso del anillo + muestra húmeda después del ensayo, g. MSf=Peso del anillo + suelo seco después del ensayo, g. Manillo=Peso del anillo, g. o
Calcule la densidad seca inicial de la muestra, como se indica:
Donde: Ρd=Densidad seca de la muestra, g/cm3 ó Kg/m3.
Vo=Volumen inicial de la muestra, cm3 ó m3. o
Calcule el volumen de los sólidos, como se indica:
Donde: Vs=Volumen de sólidos, cm3. G=Gravedad específica de los sólidos. Ρw=Densidad del agua, 1.0 g/cm3 ó Mg/m3.
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o
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Calcular la altura de los sólidos, como sigue:
Donde: Hs = Altura de sólidos, cm (in). A=Área de la muestra, cm2 (in2). o
Si no se conoce el valor de G, la altura de sólidos (Hs) de la probeta, se puede calcular una vez concluido el ensayo, mediante la expresión:
Donde: Ho = Altura inicial de la muestra, cm (in). ΔH= Asentamiento total de la muestra al finalizar el ensayo, cm (in).
Calcule la relación de vacíos inicial y final, mediante la siguiente ecuación:
o
o
Relación de vacíos inicial
o
Relación de vacíos final
Por lo tanto, la altura final se determina así:
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Donde: Ho = Altura inicial de la muestra, cm (in). Hf = Altura final de la muestra para cada incremento de carga, cm (in). o
Calcule el grado de saturación inicial y final, mediante la siguiente ecuación:
Grado de saturación inicial
Grado de saturación final
Donde: So = Grado de saturación inicial, % S f = Grado de saturación final, % Ρ w=Densidad del agua= 1 g/cm3
o
Calcule la relación de vacíos para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:
Donde: e o = Relación de vacíos inicial. Δ Hc = Variación de asentamiento para cada incremento de carga, cm (in).
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Hs=Altura de sólidos, cm (in).
o
Calcular la altura final para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:
Donde: ΔHc-1=Variación del asentamiento para un incremento de carga anterior, cm (in)
Hfc=Altura final para cada incremento de carga , cm (in)
o
Calcular la altura promedio (H) para cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión:
Donde: Ho=Altura inicial de la muestra, cm ó mm. o
Calcular la longitud promedio de la trayectoria de drenaje (Hm), para cada incremento de carga,
Donde: H=Altura promedio para cada incremento de carga, cm (in).
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CONCLUSIONES
El ensayo de consolidación o de compresión confinada es muy importante para nosotros como constructores, sobre todo en esta zona, donde abundan los suelos arcillosos.
Al construir sobre un suelo estamos aplicando una carga muy grande y resulta muy significativo conocer cuál será el comportamiento futuro de la estructura sobre el terreno, sin embargo hemos aprendido que en Mecánica de Suelos, y más aún en este tema en particular, es muy difícil predecir el comportamiento a futuro, ya que son muchas las variables que están en juego.
Cuando las estructuras no son simples o los materiales no son uniformes se complica bastante, por eso cuando vemos que los suelos no son homogéneos, que su comportamiento es elástico en un rango muy pequeño, que pueden cambiar sus propiedades mecánicas con pequeñas variaciones en el contenido de humedad, y que su estudio es de por sí bastante difícil, no podemos dejar de darnos cuenta de la real importancia que tiene el estudio y el conocimiento en esta materia, ya que es la única forma que como ingenieros seamos capaces de asimilar no solo el conocimiento, sino también de asumir nuestra ignorancia y seguir profundizando en la materia.
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