4.1. ENSAYO EDOMETRICO EDOMETRICO O DE CONSOLIDACION. CONSOLIDACION. Su finalidad es determinar la velocidad y grado de asentamiento que experimentará una muestra de suelo arcilloso saturado al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. El fenómeno de consolidación, se origina debido a que si un suelo parcial o totalmente 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 p a u l a t i n a m e n t e . E s t e p r o c e s o d e t r a n s f e r e n c i a d e c a r g a , o r ig i n a c a m b i o s d e volumen en la masa de suelo, iguales al volumen de agua drenada (figura 4.1.).
Figura 4.1. Esquema de consolidación en terreno(ELE Internacional Ltda., 1993). En suelo 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 grado de saturación, el coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el fluído expulsado, las condiciones de drenaje y la magnitud de la sobrecarga.
4.1.1.
Metodología de ensayo.
- Equipo necesario. -
Un aparato de carga o edómetro de 250 kg. de capacidad, provisto de un lector de carga y un dial lector de deformación de 0,01 mm. de precisión (figura 4.2.).
Figura 4.2. Tipos de edómetro (Bowles J., 1982). -
-
-
U n c o n s o l i d ó m e tr o , e q u i p o c om p u e s t o p o r u n a c a j a d e b r o n c e e s t a n c a , un anillo de bronce de 63 mm. de diámetro y 24 mm. de altura con sus bordes cortantes para tallar la muestra, un disco de moldeo para rebajar la muestra en una profundidad de 2 y 4 mm., dos piedras porosas, dos discos de papel filtro y un bloque o pistón de carga. U n ju e g o d e m a s a s p a r a a l c a n z a r l a s p r e s i o n e s d e e n s a yo . Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. Balanza de capacidad superior a 1000 grs. y precisión de 0,01 gr. Herramientas y accesorios. Cuchillo, espátula, recipientes plásticos, escobilla, agua destilada y cronómetro.
P r o c e d i m i e n t o . U n a v e z d e t e r m i n a d o e l p e so d e l a n i l l o d e b r o n c e ( M r ) de una muestra inalterada de suelo, se talla la muestra de ensaye con el anillo, el cual posee sus bordes cortantes que facilitan el proceso. Del suelo sobrante, se toman muestras representativas para determinar: humedad natural, gravedad específica de los sólidos y límites de consistencia. Luego de obtenida la muestra de ensaye, de modo que las piedras porosas calcen dentro del anillo, se deberá rebajar la altura de la m u e s t r a . U t i l i z a n d o e l d i s c o d e m o l d e o p o r s u l a d o d e 2 m m . , s e e mp u j a la muestra y al otro extremo, con un cuchillo se corta el suelo sobrante y s e c o l o c a u n d is c o d e p a p e l f i l tr o . A c o n t i n u a c i ó n , se p a s a e l d i s c o d e moldeo al otro extremo, empujando la muestra con el lado de 4 mm, repitiendo el procedimiento. Por la cara recién cortada, se empuja la muestra con el disco de moldeo por su lado de 2 mm. y se determina la altura inicial (H o) de la probeta y el peso del anillo más el suelo (W1).
Sobre cada cara de la probeta, se coloca una piedra porosa saturada, las que deben ajustar perfectamente dentro del anillo como se vio en la f i g u r a 4 . 2 . L u e g o s e c e n t r a el c o n j u n t o d e n t ro d e l a c a j a d e b r o n c e , s e coloca el pistón o bloque de carga y se levanta el nivel de agua por encima de la piedra porosa superior. Se ajusta el consolidómetro al aparato de carga y se aplica una carga de inicialización de 0,05 kgs/cm2 para suelos blandos y de 0,10 kgs/cm2 p a r a s u e l o s f ir m e s . 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 kgs/cm2: 0,25 - 0,50 - 1,00 - 2,00 4,00 y 8,00. E n c a d a u n a d e e ll a s s e r e g i s t r a l a l e c t u r a d e l d i a l d e 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 (W 2) y se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco (W3).
- Cálculos y gráficos. -
Calcular el área (A) de la probeta:
A =
π * (D/2)2 ( cm2 )
donde: D= diámetro interior del anillo de broce (cm.) -
Calcular el volumen (V): donde: Ho
-
=
donde: Mr W1 W3
( cm3 )
A * Ho
= altura inicial de la probeta (cm.)
( ( W1 - Mr ) - W 3 ) / W3 * 100
( % )
= peso del anillo de bronce (grs.) = peso del anillo más la probeta (grs.) = peso de la probeta seca (grs.)
C a l c u l a r e l c o n t e n i d o d e h u m e d a d f i n a l ( w f ) d e l a p r o b e t a ( s u p o n i e n d o S = 100%), mediante la siguiente expresión: w f =
( W2 - W3 ) / W3 * 100
donde: W2 -
=
C a l c u l a r e l c o n t e n i d o d e h u m e d a d i n i c ia l ( wi ) d e l a p r o b e t a , e l q u e s e compara con aquel obtenido a través de una muestra representativa, mediante la siguiente expresión: wi
-
V
( % )
= peso de la probeta luego de ensayada (grs.)
C a l c u l a r l a a l t u r a d e s ó l i d o s ( H s ) d e l a p r o b e t a: Hs
=
W3 / ( Gs *
γw * A )
( cm )
donde: Gs= valor de la gravedad específica de los sólidos = densidad del agua (valor ≈ 1) γw Si no se conoce el valor de G s, la altura de sólidos (Hs) de la probeta, se puede calcular una vez concluído el ensayo, mediante la expresión: Hs = ( Ho -
∆H ) - ( W2 - W3 ) / A
( cm )
donde:
∆H
= asentamiento total de la probeta (cm.)
-
C a l c u l a r l a al t u r a i n i c i a l d e v a c í o s ( H v o ) d e l a p r o b e t a , m e d i a n t e l a expresión: Hvo = H o - Hs ( cm )
-
Calcular el grado de saturación inicial (So) de la probeta: So = ( ( W1 - Mr ) - W 3 ) / ( Hv o * A ) * 100 ( % )
-
C a l c u l a r l a r e l a c ió n d e v a c í o s i n i c i al ( e o ) d e l a p r o b e t a : eo = Hvo / Hs
-
Calcular la altura promedio (H’) para cada incremento mediante la expresión: H’ = ( Hi + Hf ) / 2 ( cm )
de
carga,
donde: Hi= altura inicial de la muestra (cm.) Hf = altura final de la muestra (cm.) -
Calcular la altura de vacíos (Hv’) para cada incremento de carga, mediante la expresión: Hv’ = Hf - Hs ( cm )
-
C a l c u l a r l a r e l a c i ó n d e v a c í o s ( e’ ) p a r a c a d a i n c r e m e n t o d e c a r g a , mediante la expresión: e’ = Hv’ / Hs
-
C a l c u l a r l a de f o r m a c i ó n u n i ta r i a ( ε ) p a r a c a d a i n c r e m e n t o d e c a r g a , mediante la expresión: ε = ∆H’ / Ho donde: ∆H’
= lectura final del dial de deformación (cm.)
-
C a l c u l a r l a l o ng i t u d p r o m e d i o d e l a t r a y e c to r i a d e l d r e n a j e ( H 2 ) p a r a cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión: H2 = ( H’ / 2 )2 ( cm2 )
-
O b t e n e r l o s p a r á m e tr o s d e c o n s o l i d a c i ó n p or u n o d e l o s d o s m é t od o s establecidos.
-
Método de la raíz cuadrada del tiempo o de Taylor. Consiste en graficar la curva lecturas de dial contra raíz cuadrada del tiempo para c a d a i n c r e me n t o d e c a r g a . P o r s u p a r t e r e c ta s e t ra z a u n a t a n g e n t e , prolongándola hasta cortar la ordenada, obteniendo así el origen corregido (Ds). Por este 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 (D90 ) y en la abscisa al tiempo de 90% de consolidación (T90). El 100% de consolidación (D100 ) se obtiene mediante la siguiente expresión:
D100 = Ds - ( 10 / 9 ) * ( D s - D90 ) -
M é t o d o d e l lo g a r i t m o d e l t ie m p o . C o n s i s t e e n g r af i c a r l a c ur v a lecturas de dial contra logaritmo del tiempo para cada incremento de carga. P o r s u s p a r t e s r e c t a s ( e n e l me d i o y f in a l d e l a c u r v a ) , s e trazan tangentes cuya intersección proyectada en la ordenada corresponderá al 100% de consolidación (D100 ) y en la abscisa al tiempo de 100% de consolidación (T 100 ).
•
El origen corregido (Ds) se obtiene seleccionando en la cercanía de 0.1’, un tiempo T1 y uno T2 = 4*T1. Desde T1 a T2 se mide la ordenada y este valor se fija v erticalmente sobre T1.
•
La operación se repite para otros tres puntos, los que deben estar en una recta aproximada. La intersección con la ordenada determina el
valor de Ds. El 50% de consolidación (D50) se obtiene mediante: D50 = ( Ds + D100 ) / 2 -
C a l c u l a r e l c o e f ic i e n t e d e c o n s o l id a c i ó n ( Cv ) , p o r e l m é t o d o d e l a r a í z cuadrada del tiempo o de Taylor: Cv = ( 0,848 * H2 ) / T90 ( cm2/seg ) -
C a l c u l a r e l c o e f ic i e n t e d e c o n s o l i d a c ió n ( C v ) , p o r e l m é t o d o d e l logaritmo del tiempo: Cv = ( 0,197 * H2 ) / T50 ( cm2/seg )
-
C a l c u l a r l a r a z ó n p ri m a r i a d e c o m p r e si ó n ( r ) , p o r e l mé t o d o d e l a raíz cuadrada del tiempo o de Taylor: r = ( 1 0 / 9 ) * ( D s - D 9 0 ) / ( D o - D f ) donde: Do = D f =
-
-
lectura del dial de compresión al tiempo cero (cm) lectura del dial de compresión al final del ensayo(cm)
C a l c u l a r l a r a z ó n p r i m a r i a de c o m p r e s i ó n ( r ) , p o r e l m é t o d o d e l logaritmo del tiempo: r = ( D s - D 1 0 0 ) / ( D o - D f )
G r a f i c a r l a c u r v a r el a c i ó n d e v a c í o s ( e ’ ) c o n t r a l o g a r i t mo d e p r e s i ó n . La pendiente de su parte recta determina el índice de compresión (Cc): Cc = ∆e / ( log ( P2 / P1 ) ) donde: ∆ e = d i f e r e n c i a d e v a c í o s p a r a d o s l o g a r i t m o d e p r e s i ó n ( P1 y P 2 ) d e la recta.
-
G r a f i c a r l a c u r v a d e f o r m ac i ó n u n i t a r i a ( ε ) v / s l o g a r i t m o d e p r e s i ó n . La pendiente de su parte recta determina la relación de compresión (Cc’): Cc’ = ∆ε / ( log ( P2 / P1 ) ) donde: d i f e r e n c i a d e d e f o r ma c i ó n u n i t a r ia ∆ε = presión (P1 y P2) de la recta.
-
para
G r a f i c a r l a c u r v a pr e s i ó n ( P) c o n t ra r e l a c ió n pendiente de su parte recta determina compresibilidad (av): av = ∆e / ∆p
dos
l o g ar i t m o
d e v a c í o s ( e’ ) . el coeficiente
de
La de
donde: ∆e = diferencia de vacíos para dos logaritmo de presión (P1 y P2) de la recta. = P2 - P1 ∆p Este coeficiente se puede calcular también, en función del índice de compresión, mediante la siguiente expresión: av = ( 0,435 * Cc ) / P donde: P = presión promedio en la obtención de Cc -
D e l a c u r v a l e c t u r a d e d i a l v / s l o g . d e l t i e m p o , l a p e n d ie n t e d e l a rama secundaria determina el coeficiente de compresibilidad secundaria (Cα). Cα = ∆h / ( log ( T 2 / T1 ) ) donde: ∆ h = d i f e r e n c i a d e a l t u r a p a r a d o s lo g a r i t m o d e t i e m p o ( T1 y T 2 ) d e la rama secundaria.
-
C a l c u l a r el c o e f i c i e n t e d e c o m p r e s i b i li d a d v o l u m é t r ic a ( m v ) : mv = av / ( 1 + eo )
-
Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) en resultados obtenidos para cada incremento de carga: K
=
( Cv * av *
γw ) / ( 1 + eo )
función
de
los
( cm/seg )
- Observaciones. -
L a p r e p a r a c i ó n d e la p r o b e t a d e b e r á se r r e a l i z a d a d e n t ro d e u n a s a l a o cámara húmeda.
-
La probeta al momento de ensayo, deberá quedar misma dirección que ocupaba en el estrato original.
-
E s t e e n s a y o e s u n i d i m e n s i o n a l , p o r e l h e c h o d e q u e u n a n i ll o m e t á l i c o 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.
-
Dependiendo de la capacidad de carga del edómetro, o b t e n e r e s f u e r z o s i g u a l e s o s u p e r i o r e s a 1 6 k g s / c m2 .
-
G e n e r a l m e n t e e l v a l o r d e l c o e fi c i e n t e d e c on s o l i d a c i ó n ( Cv ) e s m a y o r por el método de Taylor.
-
S i s e d e s e a c o n o c e r e l c o e f i c i e n t e d e r e c o m p r e s i ó n ( C r ) , c o n c l u í d a l a descarga, se vuelve a cargar la probeta en 2, 4 y 8 kgs/cm2, graficando los resultados a continuación de la curva d e descarga. La p e n d i e n t e d e e s t a n u e v a c u r v a d e t e r m i n a e l v a l o r d e C r . C r = ∆ e / ( log ( P2 / P1 ) )
-
S i s e d e s e a c o n o c e r e l c oe f i c i e n t e d e e x p a n s ió n o h i n c h a m i e n t o ( Cs ) , concluida la compresión de la probeta, se descarga esta a 4, 2 y 1 k g / c m 2 e n a l m e n o s 1 2 h o r a s d e a p l i c a c i ó n p a r a c ad a u n a . Los resultados obtenidos se grafican a continuación de la curva relación d e v a c í o s c o n t r a lo g a r i t m o d e p r e s i ó n . L a p e n d ie n t e d e e s t a n u e v a curva determina el valor de Cs. Cs = ∆e / ( log ( P 2 / P1 ) )
-
En caso de querer realizar el ensayo para arenas, gravillas o para muestras remoldeadas, se puede emplear un edómetro especial de gran diámetro propuesto por Rowe y Barden (1966) como se puede ver en la figura 4.3.
Figura 4.3.
E d ó m e t r o R o we . F u e n t e : E s p i n a c e R. , 1 9 8 4 .
orientada
es
en
la
posible
Este aparato tiene grandes ventajas con respecto a los edómetros convencionales, pues no presenta inconvenientes como el control de drenaje, medición de presiones instersticiales, existencia de fricción lateral, etc. La carga vertical se aplica por medio de presión de agua que actúa s o b r e u n a me m b r a n a f l e x i b l e d e g o m a . L a s m u e s t r a s e n s a y a d a s t ie n e n un diámetro de 10” (25,4 cm.) y una altura aproximada de entre 8 y 9 cm. dependiendo del tipo de dren poroso y placa utilizada.
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS ENSAYO EDOMETRICO ( CONSOLIDACION )
Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :
Características de la muestra Diámetro interior del molde ( cm ) : Area de la muestra ( cm 2 ) : Altura inicial de la muestra ( cm ) : Volumen inicial de la muestra ( cm 3 ) :
Gravedad específica de los sólidos : Altura de sólidos ( cm ) : Altura inicial de vacíos ( cm ) : Saturación inicial ( % ) : Relación de vacíos inicial :
Humedades Peso del molde Peso del molde + suelo húmedo inicial Peso del suelo seco Humedad inicial ( % ) Peso del molde + suelo húmedo final Humedad final ( % ) ( Suponiendo S = 100 % ) Carga aplicada : Fecha y hora
kgs Tiempo ( minutos ) 0 0,1 0,25 0,5 1 2 4 8 15 30 60 120 240 480 960 1440
Presión :
√ tiempo
kgs / cm2 Lectura del dial ( mm )
Método del logaritmo del tiempo
) m m ( l a i d a r u t c e L
Logaritmo del tiempo ( minutos )
Método de Taylor ( raíz cuadrada del tiempo ) Lectura dial(mm )
Raíz cuadrada del tiempo ( minutos )
Presió n Kg/cm
Lectura dial inicial final
Altura de vacíos
Parámetros de consolidación Relació Defor Altura Longitud Tiempos nde mUnita promedi promedio T50 T90 vacíos ria o
2
Coef. consolidac. Taylor Log ( t )
0 0,25 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00
Gráfico relación de vacíos ( e’ ) contra logaritmo de presión relación de vacíos e’
Cc = Cs = Cr =
log presión
Gráfico deformación unitaria (
ε ) contra logaritmo de presión
Deformación
Cc’ =
log presión Gráfico relación de vacíos ( e’ ) contra presión relación de vacíos ( e’ )
av = mv =
presión ( Kg / cm 2 ) Observaciones :
