LABORATORIO DE CONSOLIDACION Consolidación unidimensional
*Grupo No. 2 Jenny Esperanza Alvarado Sánchez Catalina María Camacho Ángel Giovanny Palacios Javier Andrés Quintero Parra
RESUMEN: Este documento presenta el ensayo de consolidación unidimensional que tiene como objeto determinar la rata y la magnitud de la consolidación de muestras de suelos cuando se confinan lateralmente y se drenan axialmente mientras se someten a increm increment entos os control controlados ados de esfuer esfuerzo zo vertic vertical, al, existi existiendo endo dos procedi procedimie miento ntoss como como alternativa a la realización del ensayo: Método A: Este procedimiento es desarrollado con incremento de carga constante durante veinticuatro (24) horas o un múltiplo de este. Método B: En este procedimiento las lecturas de tiempo deformación son requeridas par paraa todo todoss los incr ncremen ementtos de carg carga. a. Una Una vez vez alca alcanz nzad adoo el 100% 100% de la consolidación primaria, se aplican incrementos sucesivos de carga o en incrementos constantes de tiempo como se describe en el método A. PALA PALABR BRAS AS CLAVE CLAVE:: Cons Consol olid idac ació ión, n, Comp Compre resi sibi bili lidad dad,, Índi Índice ce de compr compres esió ión, n, permeabilidad presión de poros, asentamientos, incremento de esfuerzos. ABSTRACT: This document presents the one-dimensional consolidation test that is about to determine the rat and magnitude of consolidation of soil samples when there are confined laterally and drained axially while are subjected to controlled vertical load increases, existing two alternative procedures: Method A: This procedure is developed with constant load increment for twentyfour (24) hours or a multiple of this. Method B: In this procedure the time-deformation readings are required for all load incr increm ement ents. s. Once Once you you reac reachh 100% 100% prim primar aryy cons consol olid idat atio ion, n, appl applyy succ succes essi sive ve increments of load or time constant increases as described in method A.
KEYWORDS: consolidation, compressibility, compression index, pressure, settlements, increased efforts
permeability, pore
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.
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
El asentamiento 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. OBJETIVOS •
Obtener las curvas de consolidación por los métodos de Taylor y Casagrande para cada incremento de carga.
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•
Calcular el coeficiente de consolidación para cada incremento de carga. Calcular el coeficiente de permeabilidad del suelo en estudio.
PROCEDIMIENTO Se pretende describir en forma detallada el ensayo de consolidación de una muestra de arcilla practicado con fines docentes en La Universidad Nacional de Colombia por los estudiantes de la asignatura de Mecánica de suelos. El ensayo se basa en la norma I.N.V. E – 151 y la norma ASTM D 2435 – 034. 1. Se arma la muestra colocando la piedra porosa del fondo, por encima el conjunto del anillo y la pastilla, se ajusta el mismo y sobre la pastilla se pone otra piedra porosa. Se determinaron el peso, la altura y el diámetro del anillo, el peso de la esfera de carga (que asegura el reparto equitativo de la carga sobre toda el área) así como el peso de dicha esfera más la piedra porosa que fueron colocadas sobre la muestra. 2. Se tomó una muestra inalterada de suelo, y se talló dentro del anillo aprovechando los bordes cortantes que posee facilitando el proceso. Del suelo sobrante, se tomaron muestras representativas las cuales se usaron para determinar: la humedad natural, gravedad específica de los sólidos y los límites de consistencia. 3. Sobre cada cara de la probeta, se colocó una piedra porosa saturada, que se ajustaban perfectamente dentro del anillo. Este conjunto se coloco en el consolidómetro.
4. Se coloco el consolidómetro en el dispositivo de carga y se coloca el deformímetro en el aparato de carga con su dispositivo para sujetarse. 5. El ensayo de consolidación fue rápido ya que solo se disponía de 4 días para su realización, por lo tanto el proceso de carga se realizó bajo las siguientes condiciones: La carga debía doblarse cada cuatro horas iniciando con 0.5 kg hasta alcanzar un valor de carga de 32 kg en el brazo. 6. Para cada incremento de carga se tomaron los valores de deformación antes de la nueva carga y los valores de deformación para los siguientes tiempos luego de la carga (minutos: segundos): 0:0, 0:04, 0:15, 0:34, 1:00, 1:34, 2:15, 3:04, 4:00, 6:15, 9:00, 12:15, 16:00, 25:00, 36:00, 49:00, y 64:00. Los datos obtenidos en el laboratorio se presentan más adelante. . 7. Al completar el ciclo de carga se inició el de descarga el cual se realizó en forma proporcional a la carga (se quitó la mitad de la carga que se encontraba en el brazo), los valores de deformación se tomaron para los siguientes instantes de tiempo luego de la descarga: 0:0, 0:04, 0:15, 0:34, 1:00, 1:34, 2:15, 3:04, 4:00, 6:15, 9:00, 12:15, 16:00, 25:00, 36:00, 49:00, y 64:00. Los datos obtenidos se presentan más adelante. 8. Después de finalizado el ensayo, se desarma el equipo y se pesa la muestra para el cálculo del contenido de humedad. 9. Con los valores de gravedad especifica, humedad natural e índice de consistencia se calculó la relación de vacíos inicial eo. Con este valor se
halló el valor de la relación de vacíos e correspondiente a cada incremento de carga estos valores se presentan en los resultados. 10.Con base en los datos obtenidos en el laboratorio se graficaron las curvas de Deformación vs. Raíz de tiempo y de Deformación vs Log tiempo para cada uno de los incrementos de carga. 11.Se obtienen para cada nivel de carga los valores de coeficiente de permeabilidad (k) por los métodos de Casagrande y Taylor. 12. Hacer gráficos de Cv y de k vs nivel de carga, en escala logarítmica. 13.Se realiza el gráfico de relación de vacios (e) vs log del esfuerzo aplicado y el gráfico de relación de vacíos (e) vs el esfuerzo aplicado. 14.Se realiza la gráfica de volumen específico (1+e) vs el log del esfuerzo específico.
DATOS Y RESULTADOS
ANÁLISIS
DE
La norma de referencia internacional es la ASTM D 2435–034 comparada con la norma INV 151 es muy similar puesto que contiene los mismos métodos para realizar este ensayo las únicas diferencias son el tipo de suelo que se encuentra en nuestro país. 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 previamente la humedad de la muestra, se puede obtener el peso seco (Wd) y con ello la altura de sólidos (hs) y el peso específico seco inicial ( d), utilizando las siguientes expresiones:
Hs=Wd/(a*Gs*γw)
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Donde: Wd = peso del suelo seco en el anillo. = sección del anillo. Gs = peso específico relativo de los sólidos. γw= peso específico del agua. Luego es posible calcular para cada escalón la altura de la probeta (Hi), y la altura de vacíos (hvi), por medio de las siguientes expresiones: • •
Hi = H 0 - d i hvi = Hi - hs
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 vacíos para un escalón de carga. hs = altura de sólidos de la probeta. Con esto es posible calcular la relación de vacíos para cada incremento de carga (ei): e i= h vi / hs CURVA DE CONSOLIDACIÓN Con los datos registrados para cada escalón de carga, se 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. CURVA DE COMPRESIBILIDAD Para cada incremento de carga aplicado se tiene finalmente un valor de relación de vacíos 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 vacíos en escala natural. COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN (cv) Para el cálculo del coeficiente de consolidación, en cada escalón de carga, se utiliza la expresión: •
Cv= (T *H^2) / t
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%.
t = tiempo para el correspondiente factor de tiempo, obtenido de la curva de consolidación. Para calcular el delta de relaciones de vacios y las relaciones de vacios de carga y descarga se utilizan las siguientes expresiones:
Con los valores anteriores puede calcularse la permeabilidad del suelo ensayado asi: • • •
K=Cv*mv*γw Cv=(T*H^2)/t Mv= av/(1+e0)
se calcula para el tiempo correspondiente al 50% de consolidación del escalón aplicado; para ello se determina en la curva el 0% y 100% de consolidación y consecuentemente el tiempo para el que se cumplía la mitad del proceso (50%) el factor tiempo T para ese porcentaje de consolidación es teórico y • vale 0,197; el valor H es el espesor efectivo, en este caso la mitad del espesor de la probeta, por lo que es posible calcular Cv ; mv. Cv
H = longitud para el 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. A continuación presentamos los datos obtenidos en la siguiente tabla:
Tabla 1. Datos obtenidos en el laboratorio A. Curvas de asentamiento vs el log t (Casagrande) y la raíz cuadrada del tiempo (Taylor), por cada nivel de carga aplicado (esfuerzo aplicado) B. Obtención por cada nivel de carga de los valores de coeficiente de consolidación (Cv) por los métodos de Casagrande y Taylor C. Obtención por cada nivel de carga de los valores de coeficiente de permeabilidad (k) por los métodos de Casagrande y Taylor D. Gráficos de Cv y de k vs nivel de carga, en escala logarítmica E. Gráfico de relación de vacios (e) vs log del esfuerzo aplicado F. Gráfico de relación de vacíos (e) vs el esfuerzo aplicado G. Gráfico de volumen específico (1+e) vs el log del esfuerzo
INVESTIGACION ADICIONAL CORRELACIÓNES PROPUESTAS ENTRE PROPIEDADES INDICE DE LOS SUELOS Y PROPIEDADES INDICE DE COMPRESIBILIDAD(Aysen, 2002) La magnitud del índice de compresión CC en arcillas saturadas varía entre 0.1 a 0.5 dependiendo de su plasticidad e incrementa a medida que la plasticidad incrementa. En arcillas sobre consolidadas el índice de recompres ión es pequeño respecto al de compresión, tomando valores entre 0.015 a 0.035 y disminuyendo a medida que la plasticidad disminuye. La correlación entre la plasticidad y la compresibilidad ha sido extensamente investigada de lo cual han surgido numerosas expresiones lineales (Tabla 1) para el índice de compresión en términos del límite líquido y otras propiedades básicas como el contenido de humedad y la relación de vacíos inicial.
La ecuación propuesta por Terzaqui y Peck es ampliamente usada sin embargo, no debe usarse en arcillas con sensibilidades mayores a 4, limite líquido superior a 100 o con altos contenidos de materia orgánica. También se encuentra una tabla con diferentes expresiones halladas por Azzous, Krisek y Corotis en 1976 para diferentes tipos de arcillas.(Holtz, 1981)
Las anteriores fueron correlaciones propuestas como resultado de diferentes experimentos, sin embargo es posible establecer correlaciones mediante datos tomados en campo y en laboratorio a través del grafico de las propiedades índice a correlacionar, usando una línea de tendencia para establecer dicha relación. •
Ejemplo: Correlación entre índice de compresión y limite líquido.(Bolivar Jaramillo, 1997).
Se pretende establecer una relación, utilizando un modelo lineal, entre el índice de compresión y el límite liquido de las arcillas de la sabana de Bogotá, teniendo en cuenta los resultados de ensayos realizados a diferentes muestras.
Se realizó la gráfica de Límite Líquido vs. Índice de Compresión.
La nube de puntos se ajustó obteniendo una ecuación de pendiente positiva con un valor de 54,0921 y el intercepto con origen del eje Índice de Compresión, Cc 45,23; obteniendo la expresión: CC=54,0921 LL %+ 45,23 La relación dio un coeficiente de correlación r=0,8157 y un r2=0,6654; esto quiere decir que al usar la correlación se tiene un error probable critico de + 33% que es aceptable dado el grado de variabilidad de materiales que fueron usados para los ensayos. ZONIFICACIÓN POR COMPRESIBILIDAD PARA LA ZONA NORTE DE BOGOTÁ D.C.(CASAS GARCÍA, 1997) ➢ ➢
La zona comprendida entre las calles 68 y 72 al oriente de la avenida Carcas es de compresibilidad muy baja. La zona entre las calles 134 y 147 entre carreras 9 y 15 es muy compresible así como las comprendida entre las avenidas 116 y 127 al oriente de la Carrera 15. Un
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comportamiento similar se presenta en los alrededores de la calle 147 con carrera 50. El sector comprendido entre las calles 80 y 127 y las avenidas Suba y Boyacá, el corredor que continua desde la calle 138 a lo largo de la Autopista Norte hacia el occidente y la zona comprendida entre las avenidas 116 y 127 y las avenidas 19 y Suba, se consideran de alta compresibilidad El área restante corresponde a la franja media del sector se caracteriza por presentar compresibilidad media.
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA Aysen A. Soil Mechanics [Libro]. - Lisse : A.A. Balkema, 2002. Bolivar Jaramillo Luis Javier y Montaña Peña Miguel Angel Caracteristicas de Compresibilidad de las Arcillas de la Sabana de Bogotá [Informe] : Tesis de Pregrado. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, 1997. Casas García Hernando, Moreno Álvarez Zoraya y Rodriguez Portela Lucía Zonificación Geotécnica por Compresibilidad del Sector Norte de Santa Fé de Bogotá [Informe] : Tesis de Pregrado. - Bogotá D.C. : Universidad Ncional de Colombia, 1997. Holtz Robert D. y Kovacs William D. An Introduction to Geotechnical Engineering [Libro]. - New Jersey : Prentice Hall, 1981.
