PRUEBA DE CONSOLIDACION DE LOS SUELOS 1. RESUMEN Este ensayo describe el procedimiento para determinar el grado de asentamiento que experimenta una muestra de suelo al someterla a una serie de incrementos de presión o cargas.
2. 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. La consolidación es el proceso de asentamiento de los suelos antes mencionados, cuando están saturados y sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros. Todo lo anterior se refleja en los resultados obtenidos a partir del ensayo, el cual entrega la curva de esfuerzo deformación, la presión de pre consolidación y el coeficiente de consolidación. 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 D2435.
3. OBJETIVOS 3.1.OBJETIVOS GENERALES
Determinar el índice de expansión, el índice de compresión y el respectivo esfuerzo de pre-consolidación en una muestra de suelo inalterada.
Estimar el asentamiento, para lo cual se cuenta con dos métodos, en el presente informe se utilizó el método utilizado por Taylor conocido como “Raíz cuadrada del tiempo” y el método utilizado por Casagrande conocido como “el método logarítmico del tiempo”.
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Determinar el coeficiente de consolidación, esfuerzo de
pre consolidación, índice índice de compresión, índice de consolidación consolidación e índice e expansión. expansión.
Graficar el comportamiento del asentamiento teniendo en cuenta al tiempo y a las cargas que es sometido el suelo.
3.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS
Representar gráficamente las variables de relación de vacíos contra esfuerzos efectivos.
Considerar las variables relación de vacíos y esfuerzos efectivos como parámetros relevantes al momento de considerar las deformaciones o asentamientos ocurridos en una masa de suelo.
Comprender la experiencia realizada, asimilando la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e intervalos de medición.
Conocer la magnitud y rapidez de los cambios de volumen de una muestra al ser sometida a un ensayo de consolidación.
Construir las curvas de consolidación y establecer los puntos importantes a través del método de Casagrande, para la determinación de las características de compresibilidad del suelo y rapidez de consolidación.
Aprender experimentalmente el fenómeno de la consolidación.
4. MARCO TEORICO Según la norma ASTM-D2435. La consolidación unidimensional es la deformación plástica o una relación de vacíos del suelo lo cual es dependiente de un factor como: presión de poros, la permeabilidad del suelo en un determinado tiempo. El proceso de consolidación es un proceso de disminución de volumen, que tiene en un lapso provocado por un aumento de las cargas sobre el suelo. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma; así, el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir solo en dirección vertical. Aquí se vio tres tipos de suelos que son: SP;CH;GW, con un nivel freático que es lo de rojo que se puede hacer de varias formas como es del tipo De Sondeo y otros. Y mediante esto puedo obtener mi muestra de suelo.
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La prueba de Consolidación Estándar consiste en comprimir verticalmente una muestra de suelo en estudio, confinándola en un anillo rígido. El suelo está sujeto a un esfuerzo en sus dos superficies planas; toda deformación ocurre en el eje vertical, las deformaciones elástica y cortante son insignificantes debido a que toda la superficie de la muestra se carga y no permite deformación lateral. Los esfuerzos se aplican siguiendo una secuencia de cargas normalizadas o establecidas previamente, las cuales estarán de acuerdo al nivel de cargas que el suelo en estudio soportará en el futuro. En todos los casos y para cada incremento de carga la muestra sufre una primera deformación correspondiente al retraso hidrodinámico que se llama consolidación primaria y también sufre una deformación adicional debido a un fenómeno secundario. Teóricamente es factible el fenómeno de consolidación cuando la muestra está saturada, sin embargo, en la práctica se admite que también se genera un proceso similar en masas de suelos que no están 100% saturadas y por lo tanto, para estos casos se aplica también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de una interpretación aproximada y que las conclusiones finales deben darse en base a las propiedades físicoquímicas y límites de consistencia, acompañadas de una buena descripción de campo.
4.1. TEORIA DE LA CONSOLODACION. Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de consolidación, lo cual se conoce como analogía mecánica de Terzaghi. El mismo consiste en un recipiente cilíndrico lleno de agua, con un resorte dentro y sobre él un pistón con una válvula. El resorte representa el esqueleto mineral de un suelo y el agua sería el agua intersticial del suelo. Se supone que el pistón sin fricción es soportado por el resorte. Al aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la longitud del resorte permanece invariable, puesto que el agua se considera incompresible. Si la carga induce un aumento de la presión total, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presión del agua. Cuando se abre la válvula, el exceso de presión de agua en la cámara causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se hunde a medida que se comprime el resorte. En esta forma, la carga se transfiere en forma gradual al resorte, reduciendo su longitud, hasta que toda la carga es soportada por el mismo. Por consiguiente, en la etapa final, el aumento de la presión efectiva es igual al aumento de la presión total, y el exceso de presión de agua se reduce a cero. La velocidad de compresión depende del grado de apertura de la válvula, esto es análogo a la permeabilidad del suelo.
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Si el estrato que consolida es libre de drenar por sus caras superior e inferior, el mismo es llamado capa abierta, y su espesor se denota por 2H. Si el agua sólo puede escapar a través de una superficie, el estrato es llamado semiabierto. El espesor de los estratos semiabiertos se denota por H. Ambos casos se muestran en la figura.
La notación del espesor de los estratos se expresa de esa manera, dado que se considera a H como la máxima distancia que debe recorrer una partícula de agua, dentro del estrato, para drenar. El proceso de consolidación puede describirse por las posiciones sucesivas de las curvas isócronas que definen las proporciones relativas de la presión de consolidación inicial que ya se han convertido en presión efectiva en relación a las que siguen siendo presión neutra, en cada instante. Suponiendo que las leyes de la hidráulica gobiernen la disminución de la presión del agua de los poros, y que la disminución en volumen del suelo sea proporcional al aumento en presión efectiva y sea igual a la cantidad de agua expulsada, Terzaghi elaboró una teoría cuyo propósito es conocer la presión efectiva y la relación de vacíos en cualquier punto de un estrato y en cualquier intervalo de tiempo para una capa de suelo de un cierto espesor que se encuentra en proceso de consolidación. Se conoce como teoría de la consolidación.
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Las hipótesis que se consideraron para el desarrollo de la teoría son las siguientes:
El suelo está totalmente saturado y es homogéneo.
Tanto el agua como las partículas del suelo son incompresibles.
Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo del agua.
La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado.
El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante.
La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos y permanece constante.
A partir de la información brindada por las curvas obtenidas de los ensayos de consolidación puede calcularse el asentamiento de un estrato, lo cual contesta la primera de las cuestiones que plantea el estudio de la compresibilidad. Para arcillas normalmente consolidadas la variación de la relación de vacíos con respecto a la presión está dirigida por el índice de compresión Cc de la curva virgen (ver figura). El cálculo del asentamiento por consolidación de un estrato de espesor H, para arcillas normalmente consolidadas está dado por la siguiente ecuación:
' z S H log 1 eo ' Cc
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4.2.
¿QUE ES CONSOLIDACION? La consolidación es un proceso que se produce en los suelos y consiste en la reducción del volumen total del suelo provocado por la colocación de una carga o el drenaje del terreno. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación permanece esencialmente igual la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal. Así, el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir sólo en la dirección vertical, proceso denominado consolidación unidimensional. La consolidación de un suelo es un proceso lento, puede durar meses y hasta años. Es un proceso asintótico, es decir, que al comienzo es más veloz, y se va haciendo cada vez más lento, hasta que el suelo llega a una nueva situación de equilibro en la que ya no se mueve.
Diferencia entre Compactación y Consolidación
Proceso de consolidación: Cuando el suelo se somete a una sobrecarga, los esfuerzos totales se incrementan en esa misma cantidad. En suelos saturados, esto conduce al incremento de la presión de poros; pero dado que el agua no resiste esfuerzos cortantes, sin que se modifique el nuevo esfuerzo total, el exceso de presión intersticial se disipa a una velocidad controlada por la permeabilidad k del suelo, con lo que el esfuerzo efectivo se va incrementando a medida que el agua fluye.
Consecuencias de la consolidación
Incremento en el esfuerzo efectivo.
Reducción en el volumen de vacíos.
Reducción en el volumen total.
Asentamientos en el terreno.
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Asentamientos en la estructura.
4.3. SUELOS QUE PRESENTAN CONSOLIDACION. Como ya vimos 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 generalmente largo. Producen asientos, es decir, hundimientos verticales, en las construcciones que pueden llegar a romper si se producen con gran amplitud.
4.4. ENSAYOS PARA DETRMINAR LA CONSOLIDACION.
4.4.1.METODO DE SOLUCION DE TERZAGHI.
El estudio de la consolidación de suelos fue estudiado por Terzaghi, y en su estudio propone hacer un estudio de consolidación unidimensional con varias suposiciones acerca del comportamiento del suelo, estas son:
El suelo está totalmente saturado y es homogéneo.
Tanto el agua como las partículas de suelo so incomprensibles.
Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo de agua.
La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado.
El coeficiente de permeabilidad en la dirección del cambio unidimensional es constante.
La variación de volumen corresponde al cambio de la relación de vacios y permanece constante.
Terzaghi llegó con estas suposiciones a ciertas relaciones que necesitan ser ensayadas para determinar valores con los cuales se pueda cuantificar la consolidación, siguiendo estas relaciones
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es que se plantearon dos métodos de solución el raíz cuadrada del tiempo y el logarítmico que nos representan que tanto se consolida con el tiempo.
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En el laboratorio se usa el edómetro para analizar la
consolidación. En la figura se muestra la forma en la que muestra es analizada.
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Equipo:
Consolidómetro
Discos porosos
Anillos del espécimen
Deformímetro
Equipamiento complementario
Balanza
Horno
Procedimiento: Luego de obtenida la muestra de ensayo, de modo que las piedras porosas calcen dentro del anillo, se deberá rebajar la altura de la muestra. Utilizando el disco de moldeo se empuja la muestra y al otro extremo, con un cuchillo se corta el suelo sobrante y se coloca un disco de papel filtro. Por la cara recién cortada, se empuja la muestra con el disco de moldeo y se determina la altura inicial
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(Ho) 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. Luego se centra el conjunto dentro de la caja, se coloca el 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 sin retirar esta carga.
La compresión de la muestra consiste en aplicar el incremento de presiones o escalones de carga en kg/cm2. En cada una de ellas se registra la lectura del dial de deformación, en periodos de tiempos. Finalmente, se descarga la muestra ensayada, se retira el consolidómetro y del anillo de bronce, se extrae el total de la muestra, se pesa (W2) y se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco (W3).
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3.4.2- EL ENSAYO EDOMETRICO DE CONSOLODACION. El ensayo Edo métrico de consolidación nace con la intención de medir los asentamientos producidos por una carga en suelo parcial o totalmente saturado, en este procedimiento se somete a una muestra de suelo a un estado de carga y descarga. La intención de cargar un suelo es el de reducir los espacios vacíos para observar y cuantificar que tanto influyen en la consolidación, además de obtener valores para los esfuerzos que las cargas producen a la estructura del suelo (esfuerzo efectivo).
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En la figura se muestra de manera gráfica el procedimiento y así como los result
MATERIALES Los materiales utilizados en el ensayo de consolidación o compresión confinada son los siguientes:
1. Aparato de consolidación: el aparato de consolidación corresponde a un brazo de longitud definida, por medio del cual es posible aplicar una carga a la muestra.
2. Piedras porosas: estas piedras sirven para sujetar el suelo en el porta probetas, pero permitiendo el drenaje del agua.
3. Porta probetas o celda de compresión : se usa para afirmar y confinar al suelo durante el ensayo.
4. Juego de pesas: son necesarias para aplicar las cargas al suelo en estudio. Son de distintos pesos, lo que permite ir colocándolas en forma gradual, conforme se avanza en el ensayo.
5. Deformímetro: el indicador de deformaciones debe ser un dial graduado a 0,02 mm, y con un rango de medición de por lo menos un 20% de la longitud del espécimen para el ensayo, o algún otro instrumento de medición, como un transductor que cumpla estos requerimientos.
6. Instrumentos de medición: micrómetro, u otro instrumento adecuado para medir las dimensiones físicas del espécimen dentro del 0,1% de la dimensión medida. Los pie de metro o calibradores Vernier no son recomendados para especímenes blandos que se deformarán a medida que los calibradores se colocan sobre el espécimen.
7. Cronómetro: un instrumento de medición de tiempo, que indique el tiempo transcurrido con una precisión de 1 segundo para controlar la aplicación de las cargas.
8. Balanza: la balanza usada para pesar los especímenes, debe determinar su masa con una precisión de 0,01 gramos.
9. Equipo misceláneo: incluye las herramientas para recortar y labrar la muestra, instrumentos para remoldear la muestra, y las hojas de datos.
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PROCEDIMIENTO 1. Se extrae muestra del suelo lo más inalterada posible de un tamaño suficiente para poder trasportarla al laboratorio sin que ésta se desintegre y no se produzcan grietas internas que puedan alterar los resultados del ensayo. 2. Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquier alteración, cambios en la sección transversal y evitándose cualquier cambio en el contenido de agua del suelo. 3. Se talla la muestra de tal manera que se obtenga un volumen igual al del anillo del consolidómetro, este tallado se realiza de forma muy cuidadosa, en lo posible tratando que el material no se agriete en el tallado, realizado con un cuchillo. 4. El tamaño de la probeta se mide con el mismo anillo, de esta manera se llega a una probeta bien tallada cumpliendo con la condiciones anteriormente mencionadas. 5. Antes del proceso de moldeo o tallado, se extraen porciones del suelo de la muestra para determinar el contenido de humedad exacto. 6. Una vez colocado el espécimen dentro del anillo, se determina el peso húmedo de la muestra más el equipo. 7. Se arma el edómetro 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. 8. Se ajusta el contrapeso del sistema de transmisión de cargas de manera que el brazo del mismo estuviese en equilibrio. 9. Se coloca el edómetro debajo del yugo de carga interponiendo entre ambos una esfera de acero y la zapata de igual superficie que la piedra porosa, para distribuir la carga. El conjunto se centra para que la presión sea axial.
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10. Se ubica el deformímetro adosándolo al yugo de manera que tuviera contacto con el anillo, permitiendo medir la variación en la altura de la pastilla. 11. Se traba el brazo con el yugo en contacto con la bola de acero sobre la zapata y se colocan las pesas necesarias para transmitir a la muestra la presión correspondiente al primer escalón de carga programado de 0,25 kg/cm², considerando que cada kilogramo de las pesas trasmite 0,25 kg/cm² a la pastilla. El trabado del brazo impide el impacto de las cargas sobre la muestra. 12. Ubicadas las pesas, se procedió a destrabar el brazo considerando ese momento como el inicio del escalón de carga y a partir del cual se tomaron las lecturas del flexómetro. 13. Las lecturas son tomadas y anotadas en intervalos de tiempo adecuados. Se utiliza como guía la siguiente secuencia. Se registran las lecturas del deformímetro en los tiempos dados en minutos: 0 – 0,1 – 0,25 – 0,5 – 1,0 – 2,25 – 4,0 – 6,25 – 9,0 – 12,25 – 16,0 – 20,25 – 25 – 40 – 60 – 90 – 120 – 180 – 480 – 1440. 14. Se dibuja la curva de consolidación en escala semilogarítmica. 15. Este procedimiento se repite en cada ciclo, aumentando la carga sucesivamente, sin embargo, por razones de tiempo, en este ensayo sólo se midió la consolidación para la primera carga. 16. Después de finalizado el ensayo, se desarma el equipo y se pesa la muestra para el cálculo del contenido de humedad.
Resultado Peso molde = 70,40 gr.
Peso material seco = 31,80 gr.
Peso molde + material = 131,94 gr.
Contenido de humedad = 93,52 %
Peso molde + material seco = 102,20 gr.
Diámetro de la muestra = 5 cm
Peso material = 61,54 gr.
Área de la muestra = 19,64 cm2
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Carga = 1 kg
Altura inicial de la muestra = 2 cm
Presión = 0,25 kg
Volumen inicial de la muestra = 39,27 cm3
Los valores obtenidos en el laboratorio se muestran en la siguiente tabla. Tiempo Fecha
16-jun-2004
3.5.
Deformación
Hora min
√t
0,002 mm
mm
6
0,10
0,32
108
0,216
15
0,25
0,50
112
0,224
30
0,50
0,71
114
0,228
60
1,00
1,00
116
0,232
2,25
1,50
121
0,242
4,00
2,00
122
0,244
6,25
2,50
122
0,244
9,00
3,00
122
0,244
12,25
3,50
123
0,246
16,00
4,00
123
0,246
20,25
4,50
123
0,246
25,00
5,00
124
0,248
40,00
6,32
124
0,248
seg 15-jun-2004
Lectura
10:36
hrs
11:36
1
60,00
7,75
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0,248
12:06
1,5
90,00
9,49
124
0,248
12:36
2
120
10,95
124
0,248
13:36
3
180
13,42
125
0,250
18:00
8
480
21,91
126
0,252
9:00
24
1440
37,95
126
0,252
TIEMPO DE CONSOLIDACION.
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Dependiendo del material la consolidación puede variar entre un proceso en segundos (como la arena) o un proceso que dure décadas como la arcilla debido a la diferencia de conductividad hidráulica. A partir de la diferencia en el tiempo de la consolidación,
Podemos hablar de consolidación primaria (duración de meses o unos pocos años) y consolidación secundaria (décadas o cientos de años). Evaluación de asentamientos. La consolidación impone la necesidad de evaluar la magnitud y la velocidad de los asentamientos. Si las deformaciones totales del terreno varían en la dirección horizontal, se producen asentamientos diferenciales. Si el suelo es altamente deformable, las sobrecargas cargas altas producen asentamientos excesivos. Si el suelo es un limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer asentamientos rápidos que suelen darse durante la construcción. Si el suelo es limo arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse darse un tiempo importante después de terminada la obra. Análisis de asentamientos. Pueden considerarse dos casos: asentamientos por una sobrecarga q en un área infinita, o asentamiento por sobrecarga q en un área de tamaño finito. Lo anterior se define según la extensión del área cargada en comparación con el espesor de la capa de subsuelo que se considera deformable. Para el caso de un área cargada de extensión infinita, según Terzagui, las deformaciones y el flujo de agua se dan en una dimensión que es la dirección vertical, e interesa la permeabilidad vertical del suelo. En este caso se considerará el efecto de la sobrecarga constante a cualquier profundidad del terreno deformable.
3.6. CURVA DE COMPRESIBILIDAD.
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Gráfica Presión vs. Relación de Vacíos
Características de la Curva de Compresibilidad
Tramo de curvatura creciente: Se presenta cuando s’ aplicada < s’ históricamente sufridas
Tramo de Recarga
Tramo recto: Se presenta cuando s’ aplicada > s’ históricamente sufridas Tramo Virgen
Tramo de descarga: Lineal porque recuperación es elástica
“Pendiente” de Tramo de Recarga Pendiente de Tramo de descarga
Coeficiente de Compresibilidad (av): Pendiente de la recta tangente a la Curva de
Compresibilidad
av
e
'
av
Pendiente del Tramo virgen: Índice de Compresión (Cc)
Pendiente del Tramo descarga: Índice de Hinchamiento (Cs )
C c
de
d
'
einicial e final ' final log ' inicial
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3.7. CURVA DE CONSOLIDACION.
C s
e final einicial ' inicial log ' final
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APLICACIONES PRÁCTICAS.
20
1.-Calcular el asentamiento por consolidación primaria de la
fundación.
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2.- Un ensayo de consolidación en laboratorio de arcilla normalmente consolidada mostro lo siguiente: Relación de vacíos Carga p (KN/m²) al final de la consolidación 140
0.92
212
0.86
La muestra ensayada tenía 25.4 mm. De espesor y estaba drenada por ambos lados. El tiempo requerido para que el espécimen alcanzara un grado de consolidación del 50% fue de 4.5 minutos. Si una capa similar de arcilla en el campo, de 2.8 m de espesor y drenada por ambos lados se somete a un incremento similar de presión pr omedio(es decir, Po=140KN/m² y Po +ΔP = 212 KN/m²), determine: a) El asentamiento máximo por consolidación esperado en el campo b) El tiempo requerido para que el asentamiento total en el campo de 40mm. (suponga un incremento uniforme del exceso de presión intersticial del agua inicial respecto a la profundidad).
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4.- 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 y que pasan gran parte de los años saturados, porque son precisamente éstas las condiciones básicas, además de la aplicación de una carga constante, para que se produzca el fenómeno de la consolidación. 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.
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Tratar de comprender teóricamente la elasticidad ya es bastante difícil, y 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.
Con respecto a la experiencia en el laboratorio, es necesario recalcar que por motivos de tiempo no se hizo el ensayo completo, por lo que muchas mediciones no pudieron realizarse, sin embargo nos sentimos satisfechos con el trabajo realizado, tanto en este como en los anteriores laboratorios, los cuales han sido fundamentales para comprender mejor las materias vistas en las clases teóricas.
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