Objetivos y descripción del ensayo El objetivo de una prueba de consolidación unidimensional es determinar el decremento de volumen y la velocidad con que este decremento se produce, en un u n espécimen de suelo, confinado lateralmente y sujeto a una carga axial.
Los materiales y aparatos necesarios: 1) Un consolidómetro incluyendo el anillo para la ubicación de la muestra, piedras porosas, un micrómetro m icrómetro de 0.001cm y equipo adicional tal como cortadores para labrar el espécimen, cronómetro, capsulas, horno, balanzas, termómetros y una cierta cantidad de algodón hidrófilo.
Método operativo (procedimiento). Requerimientos especiales. I.
II.
Calibración del aparato. Para dejar el aparato listo para el uso us o es preciso obtener una curva de las deformaciones propias, sin muestra. Estas deformaciones deberán restarse de las obtenidas en una prueba, a fin de llegar a las deformaciones de la muestra sola. La curva se obtiene sujetando al conjunto de las piedras porosas, placa de carga, etc., sin muestra, a una prueba de consolidación y dibujando las lecturas del micrómetro m icrómetro contra las correspondientes cargas, en escala aritmética, usualmente. Preparación de la muestra. Para preparar una muestra inalterada es esencial cortar un fragmento cuyo volumen sea el del anillo de consolidación. Para una buena manipulación se recomienda es uso de un aparato cortador adecuado. A fin de evitar la evaporación, es recomendable preparar el espécimen en un cuarto húmedo. Al mismo tiempo que se prepara p repara la muestra de consolidación es necesario formar una muestra representativa para determinación de peso específico relativo y es conveniente obtener muestras para la realización de pruebas de límites de plasticidad. Procedimiento: 1) Determínese y anótese el peso propio del anillo para confinar la muestra y de dos placas de vidrio de aproximadamente 15x15 cm. Hágase lo mismo m ismo con el área y al altura del anillo. 2) Colóquese una masa de arcilla inalterada del tamaño apropiado en el anillo de consolidación y, girando el anillo, anillo, córtese la muestra con con un cortador hasta sus dimensiones correctas. Conforme el labrado de la muestra progresa, ésta
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III.
se va presionando hacia dentro del anillo, usando para ello e llo una placa de vidrio; una base metálica, introducida en el anillo, de diámetro ligeramente menor que el interior de éste. Continúese el labrado de la muestra hasta que su base sobresalga algo por la cara inferior del anillo. Retírese la porción de la muestra que sobresalga s obresalga por la cara superior del anillo, hasta lograr una superficie continua a nivel; para esto puede usarse una segueta de alambre en muestras suaves, o un cuchillo para muestras más duras; afínese cuidadosamente usando una regla metálica recta. Colóquese una placa de vidrio, ya pesada, sobre el anillo; inviértase este es te y repítase la remoción del material en la cara inferior. Una vez realizada, colóquese en esa cara la otra placa de vidrio tarada. ta rada. Anótese una muy cuidadosa y detallada descripción de la muestra. mues tra. Usando una balanza pésese el conjunto de muestra, mues tra, anillo y placas de vidrio. Retírese con cuidado las placas de vidrio y, en su s u lugar, céntrese cuidadosamente las piedras porosas ligeramente humedecidas en sus bases, presionándolas muy suavemente contra la muestra, a fin de lograr que se adhieran. Colóquese ahora con cuidado el anillo en la cazuela ca zuela del consolidómetro, cuidando cuidando que el anillo no sufra s ufra ningún tipo de movimiento, m ovimiento, una vez colocado. Colóquese un anillo de algodón hidrófilo, húmedo, en torno a la piedra porosa superior, cubriendo la parte superior del espacio entre el anillo y la cazuela. Es esencial que el algodón permanezca húmedo durante la compresión de la muestra; para ello deberá rociársele algo de agua de tiempo en tiempo.
Montaje de prueba. p iedras 1) Con gran cuidado, a fin de evitar movimientos del anillo y de las piedras porosas de en la cazuela, colóquese esta sobre la plataforma del banco de consolidación y céntrese cuidadosamente la piedra porosa superior bajo el marco de carga. e levación de la pieza transversal 2) Balancéese la palanca de carga y ajústese la elevación superior del marco de carga, hasta que el marco quede en contacto con la pequeña esfera metálica alojada en la muesca de la placa de carga (un pequeño peso que actúe sobre el marco superior del marco de carga hará el contacto estable) previamente colocada sobre la piedra porosa superior. Compruébese la horizontalidad de la pieza
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superior del marco de carga. 3) Colóquese el micrómetro, atornillando el puente que lo sostiene y poniéndolo en contacto con el marco de carga; póngase el micrómetro en cero. IV.
Procedimiento de prueba 1) Retirando el pequeño peso actuante sobre el marco de carga, colóquese en la ménsula el primer incremento de carga evitando que el marco cause impacto sobre la muestra y usando los pesos apropiados. Anótese esa carga. Después que la muestra haya sido s ido consolidada bajo el primer incremento sucesivo será tal que la carga se vaya duplicando. En suelos muy blandos en conveniente dividir la colocación de la primera carga en cuatros etapas, con media hora de incremento y colocando cada vez una cuarta parte de la carga. Las pesas rasuradas, de uso común, deben colocarse con sus ranuras contrapeadas, para evitar su deslizamiento de la ménsula, por inclinación de esta. 2) obsérvese y anótese las lecturas del micrómetro en intervalos de tiempo adecuados. Es útil la siguiente secuencia: 6seg, 15seg, 30seg, 1 min, 2min, 4min, 8min, 15min, 30min, 1hor, 2hor, 8hor, etc. No es fundamental ceñirse a una cierta c ierta secuela, pero si lo es medir correctamente el tiempo transcurrido desde el principio hasta el instante en que se hace cada lectura. 3) Dibújese la curva de consolidación (trazo semi-logaritmico). 4) Una vez que la curva de consolidación se define claramente el tramo recto de consolidación secundaria, se considera que se ha completado la primera; procédase a la colocación del segundo incremento de carga, repitiendo los puntos (2) y (3). Y así procédase sucesivamente hasta completar la prueba en los diferentes ciclos de carga. 5) Observando todas las curvas de consolidación obtenidas, selecciónese un tiempo correspondiente a un punto que caiga en el tramo de consolidación secundaria de todas ellas. Anótese las presiones y las lecturas del micrómetro usando las curvas correspondientes a ese tiempo escogido, interpolando en las curvas. Estos datos pueden dibujarse en trazo semi-logaritmico semi -logaritmico con las presiones en escala logarítmica y las lecturas en escala natural. La forma de la curva así obtenida es similar a la de d e la curva de compresibilidad, que se s e dibujará posteriormente. Del análisis de la curva es posible pos ible ver si la prueba se ha desarrollado lo suficiente para lo propósitos que se persiguen. Siempre que
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sea posible, es deseable continuar aplicando incrementos de carga hasta que la porción recta del trazo semi-logaritmico recién dibujado, se defina netamente. 6) Una vez aplicados todos los incrementos de carga necesarios según la información proporcionada por la curva presión-lecturas pres ión-lecturas del micrómetro mencionada en el (5), quítese la carga en decremento; generalmente se quitan las tres cuarta partes de la presión total en el primer decremento y después, en cada uno de los restantes, se retira la mitad de la carga que se reste. 7) Hágase lectura en diferentes tiempos para cada carga actualmente en el siclo de descarga, dibujando las curvas de expansión, análogas a las anteriores de consolidación. El criterio para fijar el tiempo en que se s e hagan las remociones de cargas sucesivas es el mismo que el establecido para la aplicación de los incrementos en el ciclo de consolidación. Es conveniente invertir la escala de las lecturas del micrómetro al dibujar las curvas. 8) Después de retirar toda la carga, permítase que la muestra se expanda descargada durante 48 horas o preferiblemente hasta que no se registre expansión en el micrómetro en un periodo de 24 horas. Si se deseara someter a la misma muestra a otros ciclos de recompresión, repítanse la etapa (1) a (8). 9) Al terminar la prueba, quítese el micrómetro m icrómetro y desarme el consolidómetro. Cuidadosamente séquese el agua del anillo de consolidación y de la superficie de la muestra, colóquese dos placas de vidrio, previamente taradas, cubriendo la muestra y el anillo y pésese el conjunto (anótese el dato como: tara+suelo húmedo). 10) Pésese la muestra en el horno y obténgase su peso seco.
Formulario de cálculos Una vez colocada la muestra en el anillo del consolidómetro, se pesa el conjunto, y como el peso del anillo es conocido, se puede determinar el peso húmedo de la muestra (Wh). Calculando Ca lculando previamente la humedad de la muestra, se puede obtener el peso seco (Wd) y con ello la altura de sólidos (hs) y el peso especifico seco inicial ( d), utilizando las siguientes expresiones:
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Donde: Wd = peso del suelo seco en eell anillo. = sección del anillo. Gs = peso especifico relativo de los sólidos. s ólidos. = peso especifico del agua. V = volumen del anillo. Luego es posible calcular para cada escalón la altura de la probeta (Hi), y la altura de vacios (hvi), por medio de las siguientes expresiones:
Donde: Hi = altura final de la probeta para un escalón de carga. H0 = altura inicial de la probeta. δi = asentamiento final para un escalón de carga. hvi = altura de vacios para un escalón de carga. hs = altura de sólidos de la probeta. Con esto es posible calcular la relación de vacios para cada escalón de carga (ei):
Gráficos CURVA DE CONSOLIDACION
Con los datos registrados para cada escalón de carga, se s e traza la curva de consolidación, en la que se puede representar en abscisas el log t o t, y en ordenada la lectura del extensómetro que mide la deformación vertical de la muestra. Grupo no. 5
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
Para cada incremento de carga aplicado se tiene finalmente un valor de relación de vacios y otro de presión correspondiente, actuante sobre el espécimen. De todo el ensayo de consolidación, una vez aplicados todos los incrementos de carga, se tienen valores que permiten construir una curva en cuyas abscisas se representan los valores de la presión actuante, en escala logarítmica y en ordenadas se anotan los correspondientes valores de la relación de vacios en escala natural.
COEFICIENTE DE CONSOLIDACION (cv)
Para el cálculo del coeficiente de consolidación, en cada escalón de carga, se utiliza la Expresión:
Donde: T = es el factor tiempo, cuyo valor es 0,197 para un tiempo de consolidación del 50 %, y 0,848 para un t=90%. H = longitud para el e l máximo camino de drenaje durante un incremento de carga dado. Si la muestra es doblemente drenada, el valor de H será la mitad de la altura de la misma. t = tiempo para el e l correspondiente factor de tiempo, obtenido de la curva de consolidación. INDICE DE COMPRESIBILIDAD (Cc)
En la curva de compresibilidad, se distinguen tres tramos bien diferenciados: la rama de recomprension, la rama virgen y la rama de descarga. tensiones aplicadas, es por ello que se puede determinar d eterminar la pendiente de esta recta, denominada índice de compresión (Cc), utilizando la siguiente expresión: e xpresión:
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Donde:
ei = relación de vacios para un estado. Pi = presión transmitida al suelo para un estado. De igual modo, en la rama de descarga se puede obtener el índice de expansión Cs como:
Es de resaltar que la inclinación de la curva de compresibilidad, es una medida med ida de la compresibilidad de la arcilla. La pendiente del tramo de curva que se encuentra por debajo de la carga de preconsolidación, es menor que la pendiente p endiente del tramo virgen.
Comentarios finales Se La prueba requiere técnicas cuidadosa a fin de asegurar resultados dignos de confianza. Sin embargo, aun con la mejor técnica pueden presentarse errores de importancia; solamente la experiencia permitirá sopesar la magnitud de ellos.
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