LABO 1 SUELOS.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Facultad De Ingeniería Civil Departamento Académico De Ingeniería Geotécnica

Informe de Mecánica de Suelos II

INFORME Nº1: ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN FECHA DE ENTREGA:

06/09/2017.

PROFESOR:

CARRERA CONCHA, Engelbert.

ESTUDIANTES: AMPUERO INGA, Pedro Cristopher ATUNCAR LUCERO, Luis ALBINES LOZANO, Antony Juan SOTOMAYOR FLORES, Rodrigo Omar

2017–II

20150025C 20131140E 20150093I 20150071E

ÍNDICE 1. INTRODUCCION: ......................................................................................................................... 1 2. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA: ................................................................................................. 1 3. FUNDAMENTO TEORICO: ......................................................................................................... 1 4. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: ......................................................... 4 5. MENCIONE NORMAS, VALORES TIPICOS, ALCANCE Y POSIBLES FACTORES QUE CONLLEVEN AL ERROR DEL ENSAYO DE CONSOLIDACION: ................................................ 5 6. CUESTIONARIO: .......................................................................................................................... 7

6.1.¿Qué ocurre cuando se realiza un ensayo de consolidación en una arena de duna, como saldrían los gráficos? ..................................................................................................................................................... 7 6.2.¿En una arcilla saturada que ocurre cuando termina el proceso de consolidación, se incrementa o se reduce su resistencia?................................................................................................................................ 8 6.3.Explique el fenómeno de consolidación con la analogía mecánica de Terzaghi. ................................ 9 7. CON LOS DATOS QUE SE LE VA A PROPORCIONAR DETERMINAR: ........................... 10 7.1. Las curvas de asentamiento. ..............................................................................................................10 7.2. La curva de consolidación y determine el valor del esfuerzo de pre consolidación. ...........................10 7.3. Determine los índices de re compresión, consolidación y expansión. ................................................11 8. ANEXO ......................................................................................................................................... 12 

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UNIVERSIDAD NACIONA DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA GEOTECNICA FACULTAD DE INGENIRÍA CIVIL

1. INTRODUCCION: Si bien es cierto el conglomerado de lima es un buen suelo de cimentación para las estructuras, debido a los estratos con gravas, sin embargo no todas la zonas de lima o el Perú cuentan con un suelo firme, la presencia de arcilla con el agua bajo la acción de cargas, provoca lo que conocemos como asentamiento (deformación del terreno causado por los esfuerzo inducidos en el por la propia cimentación); este comportamiento del suelo al interactuar con la estructura depende del estudio de la mecánica de suelos y la cimentación que se va emplear, pues no debería de causar graves problemas si se toman las precauciones ante ello. En el presente trabajo al aplicar un incremento de carga a un suelo saturado, la energía que produce está carga se traspasa a la estructura del suelo en un intervalo de tiempo. El ensayo de consolidación, consiste en comprimir verticalmente una muestra confinada en un anillo rígido, bajo la acción de unos fluidos incompresible, como lo es el agua. En este caso, el agua recibe la carga de presión, y al cabo de un determinado tiempo se transfiere esa carga a la muestra de suelo, el resultado de las presiones son los asentamientos. Los tipos de consolidación que se pueden presentar en el suelo son: Consolidación inicial: Reducción instantánea en el volumen de una masa de un suelo bajo una carga aplicada en una consolidación primaria y que comprime y expulsa el aire contenido en los vacíos del suelo. Consolidación primaria: Reducción del volumen de una masa de un suelo por la aplicación de una carga permanente y la expulsión del agua de los vacíos, acompañada por transferencia de carga del agua a las partículas sólidas del suelo. Consolidación secundaria: Reducción del 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 solidad del suelo.

2. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA: Estimar la deformación de una masa de suelo sometida a carga y la afectación de la estructura que soporta. Dibujar las curvas de asentamiento. Dibujar la curva de consolidación y determinar el valor del esfuerzo de pre-consolidación. Determinar los índices de re-compresión, consolidación y expansión. 

  

3. FUNDAMENTO TEORICO: Asentamientos producidos en suelos compresibles y saturados, debido a las deformaciones volumétricas a lo largo del tiempo, ante la disipación por drenaje de las presiones transmitidas al agua intersticial por una carga aplicada y por la reducción de los poros del suelo.

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HIPOTESIS FUNDAMENTALES DE LA TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN:     

Se supone al suelo homogéneo, cohesivo y saturado. La compresión del suelo in situ es unidimensional. La variación de volumen tiene su origen en la relajación del exceso de presión de poros. El flujo es unidimensional. Ocurren pequeñas deformaciones.

CONSOLIDACION BAJO UNA CARGA CONSTANTE – CONSOLIDACION PRIMARIA Si se abre la válvula se permitirá que el exceso inicial de presión de agua en los poros drene.







 

Antes de que se abra la válvula, se crea una carga hidráulica inicial, Δuo/γw, por el esfuerzo

vertical aplicado. Cuando se abre la válvula, el exceso inicial de agua en los poros es forzado a salir por su carga hidráulica inicial. Con el tiempo la carga hidráulica inicial decrece y pequeñas cantidades de agua en los poros son forzadas a salir. A la respuesta del asentamiento inicial se llamará respuesta temprana o consolidación primaria. La consolidación primaria es el cambio de volumen del suelo causado por la expulsión de agua de los vacíos y la transferencia de carga del exceso de presión de poros a las partículas de suelo.

CONSOLIDACION BAJO UNA CARGA CONSTANTE – CONSOLIDACION SECUNDARIA 

Teóricamente la consolidación primaria termina cuando Δuo=0.



La respuesta del asentamiento a largos tiempos es llamada la compresión secundaria.

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UNIVERSIDAD NACIONA DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA GEOTECNICA FACULTAD DE INGENIRÍA CIVIL 



La tasa de asentamiento de la compresión secundaria es muy baja comparada con la de la consolidación primaria. Para estimar el asentamiento es conveniente separar la consolidación primaria y la compresión secundaria.

Una vez que se excede el esfuerzo máximo pasado σ’zc, la pendiente DE es aproximadam ente la

misma que la inicial AB. Se van a definir dos pendientes para la consolidación primaria.

Coeficiente de compresión o índice de compresión. Módulo de compresibilidad de volumen. HISTORIA DE CARGAS – ESFUERZO MAXIMO DEL PASADO. La historia de un suelo está encerrada en su estructura, y el suelo mantiene una memoria de los esfuerzos efectivos máximos pasados. El significado práctico del comportamiento de este suelo es que si la carga impuesta por una estructura es tal que el esfuerzo efectivo vertical en el suelo no excede su máximo esfuerzo vertical, el asentamiento de la estructura será pequeña de lo contrario ocurrirían asentamientos significativos permanentes. El esfuerzo efectivo máximo vertical (eemv)define el limite del comportamiento elástico. Para esfuerzos que son menores que el eemv, el suelo seguira la linea BC, y podemos asumir un comportamiento elástico. Para esfuerzos mayores que el eemv, el suelo se comportaría como un material elastoplástico. =(

^′

)/(

^′

)

Donde σ’zo es el esfuerzo efectivo vertical actual, y σ’zc es el máximo esfuerzo efectivo vertical del

pasado.

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UNIVERSIDAD NACIONA DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA GEOTECNICA FACULTAD DE INGENIRÍA CIVIL Un suelo sobreconsolidado sera cuando σ’zo sea menor a σ’zc y seguirá una trayectoria similar a CDE

durante la carga. Si OCR es 1, entonces el suelo es normalmente consolidado, esta clase de suelo siguen trayectorias similares a ABE.

4. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO: Se coloca una muestra perturbada de 20 mm de altura y 5 mm de diámetro, en un anillo indeformable. La muestra se ubica sobre una o dos piedras porosas que simulan las condiciones de drenaje. La muestra se mantiene sumergida bajo agua. 

 

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 

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 



Este ensayo representa un estrato saturado, cargado extensamente en sentido vertical y donde la deformación horizontal permanece nula al aplicar la carga. Dicha muestra e somete a cargas verticales que se aplican mediante un brazo de palanca. El problema se reduce a estudiar los esfuerzos y deformaciones en sentido normal (unidimensional) a los planos de estratificación. La compresión vertical (deformación) del suelo es registrada mediante extensómetros muy precisos. Se aplican varios incrementos de esfuerzos verticales durante el ensayo (doblado el incremento anterior). Por ejemplo 2.5, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 40Kg. Como hemos visto, en un primer momento toda la carga aplicada es recibida por la presión de poros (el agua es incompresible y no puede salir rápidamente por la baja permeabilidad). La compresión del suelo es posible solo cuando hay un incremento en los esfuerzos efectivos, que a su vez requiere que la relación de vacíos (e) disminuya por la expulsión del agua contenida en los poros. Luego de unos segundos el agua empieza a salir de los vacíos. Esto resulta en una disminución de la sobrepresión de poros y de la relación de vacíos en la muestra lo que trae consigo un incremento del esfuerzo efectivo. Como resultado la muestra de suelo se asienta como se muestra en la figura.

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







Se aplican varios incrementos de esfuerzos verticales durante el ensayo (doblando el incremento anterior). Previo al primer incremento se registra la lectura inicial del extensómetro, al colocar la primera carga se activa el cronometro y se registran las lecturas del extensómetro en intervalos de tiempo adecuados. Completando los procesos de carga se procede a quitar cargas en decrementos. Se toman las lecturas del extensómetro. Concluidos el ensayo se puede determinar el contenido de humedad final de la muestra ensayada.

5. MENCIONE NORMAS, VALORES TIPICOS, ALCANCE Y POSIBLES FACTORES QUE CONLLEVEN AL ERROR DEL ENSAYO DE CONSOLIDACION: 

NORMA I.N.V.E – 151 - CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS

5. EQUIPO 5.1 Dispositivos de carga.- Un dispositivo adecuado para aplicar cargas verticales a la muestra. El dispositivo deberá ser capaz de mantener las cargas especificadas durante períodos prolongados con una precisión de ± 0.5 % de la carga aplicada y deberá permitir la aplicación de un incremento de carga, dentro de un período de 2 segundos sin que se produzca ningún impacto de significación. 5.2 Consolidó-metro.- Un dispositivo para mantener la muestra dentro de un anillo el cual puede estar fijado a la base o puede ser flotante (sostenido por fricción sobre la periferia de la muestra) con piedras porosas sobre cada cara de la muestra. El consolidó-metro deberá proporcionar también medios para sumergir la muestra, aplicar la carga vertical, y medir el cambio de espesor de la misma (véase Figura No.1). El anillo del consolidó-metro deberá cumplir con los siguientes requisitos: - El diámetro mínimo de la muestra (anillo), deberá ser de 50 mm (2.00") y al menos 5 mm (1/4") menor que el diámetro interior del tubo de muestreo si las muestras son sacadas por extrusión y desbastadas. - El espesor mínimo de la muestra deberá ser de 13 mm (0.5") pero deberá ser menor de 10 veces el diámetro de la partícula de mayor tamaño. - La relación mínima del diámetro al espesor de la muestra deberá ser 2.5. - La rigidez del anillo deberá ser tal, bajo las condiciones de la presión hidrostática de la muestra, que el cambio del diámetro del anillo no pasará del 0.3 % del diámetro bajo la mayor carga que se aplique.

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- El anillo deberá elaborarse de un material que no sea corrosivo en relación con el suelo ensayado. La superficie interior deberá estar altamente pulida o deberá pulirse con un material de baja fricción. Para suelos no arenosos, puede usarse la grasa silicona o el politetrafluoroetileno. 5.3 Piedras porosas.- Las piedras porosas podrán ser de carburo de sílice, o de óxido de aluminio, o de un metal que no sea atacado ni por el suelo, ni por la humedad del mismo. La constitución de su porosidad deberá ser lo suficientemente fina para evitar la intrusión del suelo dentro de sus poros. Si fuera necesario, podrá usarse papel de filtro para evitarlo. Sin embargo la permeabilidad de éstas y del papel de filtro, cuando se use, deberá ser suficientemente alta para evitar retardo en el drenaje de la muestra. Las piedras deberán estar limpias y libres de grietas, astillas e irregularidades. - El diámetro de la piedra superior podrá ser entre 0.2 y 0.5 mm (0.01 a 0.02") menor que el diámetro interior del anillo. Cuando se emplee un anillo flotante, la piedra del fondo deberá tener el mismo diámetro que la piedra de la parte superior. Se recomienda el uso de piedras ahusadas con el diámetro mayor en contacto con el suelo. - El espesor de la piedra deberá ser suficiente para evitar su rotura. La piedra superior deberá cargarse a través de una platina resistente a la corrosión que deberá ser suficientemente rígida para evitar el rompimiento de la piedra. 5.4 Almacenamiento.- El almacenamiento de muestras selladas deberá ser tal que no pierdan humedad durante el mismo 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, particularmente cuando se espera que el suelo o la humedad reaccionen con los tubos de muestreo. - Cuarto húmedo para la preparación de la muestra.- Las muestras deberán prepararse en un cuarto donde el cambio de la humedad no sea mayor de 0.2 %. Debe emplearse preferiblemente una cámara con humedad elevada. 5.5 Temperatura.- Los ensayos deberán efectuarse en un ambiente donde las fluctuaciones de la temperatura no sean mayores que ± 4 °C (± 7 °F) y donde no haya contacto directo con la luz del sol. 5.6 Cizalla o cortador cilíndrico, para tallar la muestra hasta el diámetro interior del anillo del consolidómetro, con el mínimo de alteración. El cortador deberá tener una superficie altamente pulida y deberá cubrirse con un material de baja fricción. 5.7 Balanza, con aproximación a 0.1 g o a 0.1% del peso total de la muestra. 5.8 Horno, que pueda mantener una temperatura uniforme de 110° ±5 °C (230 ± 9 °F). 5.9 Deformímetro, para medir el cambio de espesor de la muestra con una sensibilidad de 0.0025 mm (0.0001"). 5.10 Equipo misceláneo: incluye espátulas, navajas y sierras de alambre para la preparación de la muestra. Además, cronómetro (ojalá con alarma programable). 5.11 Recipientes para el contenido de humedad, los cuales deberán estar de acuerdo con la Norma INV E-114. Un trapo húmedo, una membrana de caucho, o papel parafinado para proteger la muestra de pérdida de humedad debido a la evaporación.

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13. PRECISION Y EXACTITUD El numeral 5 de este método especifica la sensibilidad de las mediciones de carga y deformación. La precisión correspondiente de los esfuerzos aplicados y de la deformación resultante en la muestra puede calcularse a partir de las dimensiones de ésta. La precisión con la cual los resultados de ensayo puedan aplicarse al terreno varía de un caso a otro y depende de: - Calidad de las muestras empleadas. - Del número de muestras ensayadas. - De la distribución vertical y horizontal de las muestras ensayadas. - De la heterogeneidad del perfil de suelos en el sitio. 13.2 Es necesario un método estadístico que incluya tanto el programa de muestreo como los resultados del ensayo para establecer de manera significativa la precisión con la cual pueden aplicarse los resultados en el campo. A falta de un análisis de esta naturaleza, puede estimarse la aplicabilidad de los resultados en el terreno de una manera cualitativa, teniendo en cuenta la variación en los resultados de los ensayos y las variaciones en los sondeos. Puede notarse, en general, que la precisión de las predicciones de asentamientos con base en ensayos de consolidación. 

ASTM D-2435 CONSOLIDACIÓN

Encontramos factores similares a la norma anterior, como es la calibración y el muestreo.

6. CUESTIONARIO:

6.1.¿Qué ocurre cuando se realiza un ensayo de consolidación en una arena de duna, como saldrían los gráficos? Las curvas e-log p para una arena confinada lateralmente (fig. a) se parecen a las de las arcillas preconsolidadas. Las curvas e-p correspondientes (fig. b) son cóncavas hacia arriba; las curvas de descarga y de recompresión son muy planas. La fig. b indica que la compresibilidad de una arena dada depende en gran parte de su compacidad relativa. Las arenas sueltas son mucho más compresibles que las compactas; además, aun con las presiones más grandes la relación de vacíos de una arena suelta no puede llegar al valor de la misma arena cuando está muy compacta. Bajo grandes presiones los granos pueden romperse. Por otra parte, la relación de vacíos de la misma arena suelta puede disminuirse fácilmente a la de una arena compacta, valiéndose solamente de vibración. Las arenas bien graduadas son menos compresibles que las uniformes o las de granulometría discontinua, a la misma forma de granos e iguales compacidades relativas. Las arenas de partículas redondeadas son usualmente menos compresibles que las de partículas angulares comparables en todos sus demás aspectos. La adición de pequeños porcentajes de partículas de forma laminar, como la mica, pueden aumentar mucho su compresibilidad.

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Curvas 3-log p y e-p típicas de un área confinada latera1mente para (K1) inicialmente suelta y (Kd) inicialmente compacta.

6.2.¿En una arcilla saturada que ocurre cuando termina el proceso de consolidación, se incrementa o se reduce su resistencia? La consolidación tiene dos principales consecuencias: 



Reducción del volumen de poros, por lo tanto reducción del volumen total, produciéndose un asentamiento. Se considera que en el proceso de consolidación unidimensional la posición relativa de las partículas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente igual, el movimiento de las mismas sólo puede ocurrir verticalmente. Durante la disipación del exceso de presión intersticial, la presión efectiva aumenta y se incrementa la resistencia del suelo.

Por lo tanto cuando un suelo se consolida ante una carga externa se produce una disminución de la relación de vacíos y un incremento del esfuerzo efectivo. En los suelos granulares la permeabilidad es alta por lo tanto y se disipa rápidamente las presiones neutras. En consecuencia, el asentamiento se termina al final de la construcción. En los suelos finos arcillosos, la permeabilidad es muy baja y se disipa muy lentamente las presiones neutras. En consecuencia puede seguir deformándose varios años después de finalizada la construcción. El proceso de consolidación se aplica a todos los suelos, pero es más importante en aquellos donde la permeabilidad es baja. Es necesario predecir:  

El asentamiento total de la estructura El tiempo o velocidad a la cual se produce dicho asentamiento

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6.3.Explique el fenómeno de consolidación con la analogía mecánica de Terzaghi. Para comprender mejor el proceso de consolidación, Terzaghi propuso un modelo mecánico. Éste consiste en un cilindro de sección A con un pistón sin fricción el cual posee una pequeña perforación. Dicho pistón se encuentra unido a un resorte y el cilindro en su interior está lleno de un fluido incompresible, tal como se muestra en la Figura 1.

El proceso comienza con la aplicación de una carga de valor P sobre el pistón. En este primer instante el orificio se encuentra cerrado y el resorte no tiene posibilidad de deformarse, en consecuencia no ejerce fuerza alguna. Es así que la fuerza P es soportada en su totalidad por el fluido. En una segunda instancia se abre el orificio y se genera un gradiente de presiones P/A (A: área del pistón) entre el interior y el exterior del cilindro lo que ocasiona el flujo del líquido hacia el exterior, y a medida que el fluido sale, el resorte comienza a deformarse y por lo tanto comenzará a tomar una porción de la carga P. La velocidad a la cual se transfiere la carga desde el fluido al resorte depende del tamaño del orifico y de la viscosidad del fluido. Finalmente, la posición de equilibrio se da cuando la presión en el fluido iguala la presión exterior y el resorte ha tomado la totalidad de la fuerza P. En analogía con el caso del suelo, la estructura de partículas sólidas es representada por el resorte; el agua intersticial por el fluido incompresible; y, por último, las redes de capilares continuos (vacíos) son representadas por el orificio. Para entender mejor como varían las presiones dentro de un estrato de suelo saturado ante la aplicación de una carga durante el proceso de consolidación, se analiza una batería de cilindros comunicados, de acuerdo al esquema de la Figura 2.

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Análogamente a la situación de un cilindro individual, en un instante inicial ninguno de los resortes ha sido deformado por lo que la carga aplicada P, es soportada por el fluido con una sobrepresión neutra ∆u=P/A. Luego de transcurrido un tiempo, se abre el orificio y comienza el flujo del líquido hacia el exterior. Como éste sólo puede hacerlo por la parte superior del modelo, el resorte del cilindro superior comenzará a deformarse y la sobrepresión del líquido comenzará a transferirse desde el fluido hacia el resorte. Al reducirse la presión del fluido en el primer cilindro se genera un gradiente de presiones entre este cilindro y el contiguo a éste, por lo cual se inicia nuevamente el proceso de transferencias de presiones. En los cilindros inferiores las condiciones no han variado significativamente por lo que en ellos la carga aplicada aún es soportada por el fluido. A medida que pasa el tiempo y se completan los procesos de transferencia de presiones en todos los cilindros la carga será soportada por el conjunto de resortes y el flujo hacia el exterior se detendrá. Considerando que los cilindros tienen un volumen diferencial, se tiene un modelo de cómo se comporta un estrato de suelo, de altura h en condiciones en las que el flujo de agua se realice por la parte superior (esto ocurre, por ejemplo, cuando por debajo del mismo yace un estrato impermeable).

7. CON LOS DATOS QUE SE LE VA A PROPORCIONAR DETERMINAR:

7.1.Las curvas de asentamiento. Estas curvas se hallan graficando deformación vs tiempo (min) expresado en base logarítmica, estas se realizan para cada incremento de carga, realizándose 11 gráficas las cuales se hacen a mano y con papel milimétrico. Se anexan las gráficas al final del informe.

7.2.La curva de consolidación y determine el valor del esfuerzo de pre consolidación. La curva de consolidación se halla graficando la relación de vacíos vs el esfuerzo aplicado en escala logarítmica, para hallar la relación de vacíos en cada caso se procedió a hallar el volumen de vacíos inicial. Para esto se halla primero el peso de sólidos, esto con el volumen de la muestra y con la densidad seca: Vm=40x3=120cm3 Ws=120*1.49=178.8gr Luego se halla el volumen de solidos con el peso específico proporcionado Vs=178.8/2.49=65.25 cm3 Luego se halla el volumen de vacíos teniendo el volumen total y el volumen de vacíos: Vv=120-65.25=54.75 cm3 Luego para cada caso cuando ya se obtenga la lectura final, se procederá a multiplicar esta lectura por el área para poder así hallar el volumen retirado, luego el volumen de vacios en cada caso será: Vv=(54.75-(Lectura final)/1000*40)cm3 Este volumen luego será usado para hallar la relación de vacíos en cada caso:

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Con esta tabla se realiza la gráfica de consolidación. Se anexa al final del informe Para hallar el esfuerzo de pre consolidación se usará esta gráfica, y se seguirsu metodología ya está explicada y se puede notar en el gráfico trazado. El esfuerzo de pre consolidación es: ′  = 60 

7.3.Determine los índices de re compresión, consolidación y expansión. Para estos índices se necesita hallar primero el esfuerzo de pre consolidación, el cual es: ′  = 60  

Luego el índice de compresión será:

 =

 −  log(/)

Para cada parte en carga que haya superado el o’zc , esto botó 3 resultados: Cc

0.10996727

0.15680519

0.20160667

Para ello se toma un promedio de los 3 y el resultado final es :  = 0.1561 

El índice de expansión se hallar de:  =

 −  log(/)

Para cada parte en descarga, para así poder hallar la pendiente, esto botó 3 resultados: Cs

0.01629145

0.02341896

Por ello se toma un promedio y resulta el Cs final:  = 0.0263

11

0.02819923


8. ANEXO

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LABO 1 SUELOS.

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