UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULT FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CIVI L Departamento Académico Académico de Ingeniería Geotécnica
“Laboratorio de consolidación uniaxial de suelos INTEGRANTES: CALISAA CALISAA C!ND!RI" C!ND!RI " Fran#
$%&'%%(')
CC!*A !S!RI!" Danie+ )onatan
$%&$$,'')
D!CENTES: Ing- Ata+a A.ad" Cé/ar A0g0/to Ing- 1a/0rto Ra2ic3ag0a" Danie+ )e/4/
LI!A " #ER$ %&'( 1
1. INTRODU INTRODUCCIÓN CCIÓN Cuando se somete un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suel suelo o en el tiem tiempo po.. Inic Inicia ialm lmen ente te,, de acue acuerd rdo o a la teor teoría ía,, ese ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a que por una parte es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos en la presión neutra por sobre las presiones hidrostticas. !l cabo de un tiempo, parte de este exceso de presión neutra es disipado, trans"ri#ndose esa parte de la carga a la estructura de suelo, resultando en un incremento de tens tensio ione nes s e$ec e$ecti tiva vas. s. El resu result ltad ado o de este este incr increm emen ento to grad gradua uall de tensiones verticales e$ectivas produce asentamientos en el terreno. terreno. Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo "no seco %o con bajo grado de saturación&, el proceso de de$ormación con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el proceso como instantneo. En estos casos existe una de$ormación vert vertic ical al prc prcti tica came ment nte e inme inmedi diat ata, a, pero pero no se recon econoc oce e como como consolidación. 'a consolidación de un suelo tiene tres $ases, las cuales se mencionan a continuación( •
•
•
Consolidación inicial.) *educción de vacíos por eliminación de aire. Consolidación primaria.) *educción de vacíos por eliminación de agua. Consolidación secundaria.) *eacomodo *eacomodo de las l as partículas sólidas.
'a velocidad de consolidación se caracteri+a por medio del coe"ciente de cons consol olid idac ació ión n Cv, Cv, aunq aunque ue este este no es cons consta tant nte e dura durant nte e la consolida idación y depende de la sobrecarga aplicada ada y de la permeabilidad del suelo.
2. OBJETIVOS Este ensayo se utili+a para determinar las características de consolidación de los suelos. -ara ello, una probeta cilíndrica con"nada lateralmente, se somete a di$erentes presiones verticales, se permite el drenaje por sus caras superior e in$erior, y se miden los asentamientos correspondientes. Este ensayo es aplicable a suelos homog#neos, en los que el tamao mximo de la partícula no sea superior a la quinta parte de la altura de la probeta. 'os datos obtenidos en con la prueba de consolidación son usados para estimar la magnitud y el tipo asentamiento de una estructura o terraplenes. 'a deducción del tipo de asentamiento que se trata es muy importante en el diseo de estructuras y en la evaluación de la magnitud del mismo.
3. NORMA DEL ENSAYO ENSAYO ASTM D 2435-80 /orma estndar de ensayo para propiedades de consolidación unidimensional de suelos %!02 3 456)78&. Este m#todo comprende un procedimiento para determinar la velocidad y la magnitud de la consolidación del suelo cuando #ste est con"nado lateralmente y adems est cargado y drenado axialmente. El m#todo requiere que un elemento de suelo sea con"nado lateralmente y cargado axialmente mediante incrementos, bajo la aplicación de un es$uer+o constante, hasta que todo el exceso de presiones de poro se haya disipado en cada incremento. 3urante el proceso de compresión se toman medidas del decremento en la altura de la muestra, y estos datos son utili+ados para calcular los parmetros que determinan la relación entre el es$uer+o e$ectivo, y la relación de vacíos o la de$ormación, y para calcular la velocidad a la cual la compresión puede ocurrir. 'a compresibilidad de los suelos, tal como se determina en este ensayo, es una de las propiedades ms 9tiles que pueden ser obtenidas de los ensayos de laboratorio. 'os datos del ensayo de consolidación pueden ser utili+ados para desarrollar un estimado de la 5
velocidad y la cantidad de los asentamientos totales y di$erenciales de una estructura o un terrapl#n. 3e esta manera, los valores calculados son $recuentemente de importancia clave, en primer lugar en la selección del tipo de cimentación y en segundo lugar en la evaluación de su competencia.
4. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO CONSOLIDÓMETRO Este equipo permite determinar el asentamiento, que puede su$rir un suelo cuando es sometido a diversas cargas bajo condiciones de saturación o en estado natural. Est constituido por una celda de consolidación, que consta de un anillo en el cual se encuentra con"nado lateralmente un esp#cimen, de suelo el cual lleva en su parte superior e in$erior una piedra porosa que permite la :uide+ del agua que se encuentra en los poros de la muestra al aplicarle carga. En la parte superior del anillo se encuentra un vstago de carga en el que se aplican las presiones de asentamiento a las que se desea someter la muestra. 'as de$ormaciones que experimenta el esp#cimen son medidas a trav#s de un de$ormimetro.
Fig. 1 – Consolidómetro del laboratorio de suelos de la Facultad de Ingeniería Civil
4
PARTES DEL CONSOLIDOMETRO El consolidometro consta de las siguientes partes( a& 2olde del consolidometro( El cual est compuesto por( 5 ;ase con canales para permitir el drenaje de agua. 5 !nillo que contiene la muestra de arcilla saturada. 5 !nillo de sujeción que vincula la base con el que contiene la muestra mediante tornillos. 5 ornillos de "jación. 5 ubos laterales que se comunican a trav#s de los canales de la base con la piedra porosa in$erior. b&
6
Fig. 2 – Se observan las diferentes partes que conforman el molde del consolidometro
Fig. 3 – muestra de suelo
>
Fig. 4 – Papel filtro colocado sobre la piedra porosa
)i*+ , 6 De7ormimetro
5. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO 1& 0e coloca en el interior de la base del molde del consolidometro, la piedra porosa in$erior y sobre esta un papel "ltro. & 'uego se introduce el anillo que contiene la muestra de suelo a ensayar, colocndose sobre la muestra papel "ltro y la piedra porosa superior. 5& -osteriormente se "ja con los tornillos correspondientes en anillo de sujeción de la piedra porosa superior. -ara prevenir que las piedras porosas tomen humedad de la muestra, deben estar libres de aire entrampado antes de armar el consolidometro. 4& 3espu#s del armado, el consolidometro se ubica sobre la plata$orma del mecanismo de transmisión de cargas, ubicando el cabe+al de carga sobre la piedra porosa superior, y se llenan
?
de agua los tubos laterales que comunican con la piedra porosa in$erior, comen+ando con la saturación de la muestra. 6& 0e constata que el de$ormimetro $ue colocado correctamente. >& 'uego aplicamos una carga de 8.6 @gAcm y se comien+a a tomar lecturas de tiempo y de$ormaciones verticales, para conocer la de$ormación correspondiente a distintos tiempos. 'os tiempos para tomar lecturas sern( 7 seg, 16 seg, 58 seg, 1 min, min, 4 min, 7 min, 16 min, 58 min, >8 min, hr, 4 hr, 7 hr y 4hr. ?& 'uego de obtenida la lectura "nal de un escalón, se prosigue en ensayo aplicando ms carga y anotando las de$ormaciones de la misma manera que se hi+o en el paso >.
6. MTODOS !R"#ICOS PARA VISUALI$AR E INTERPRETAR EL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIRECCIONAL CURVA DE COMPRESIBILIDAD 0i dibujamos la gr$ica 'og %B& vs *elación de vacíos, obtendremos una gr"ca que es el tramo %-&-' de la gr"ca mostrada El tramo a)b)c)d, no lo conocemos porque suponemos pertenece a un estado muy pasado del suelo. 0i en el pasado el suelo soporto una carga mayor a la de ahora, entonces podemos interpretar nuestra gra"ca obtenida de laboratorio como( Demos en el tramo d)$, que el suelo se resiste a ser de$ormado y esto es debido a que ya tuvo una presión mayor en el pasado. En el tramo $)g, vemos que el suelo sede de $orma ms acelerada que el tramo d)$, entonces se podría decir que en esta etapa del ensayo, la presión ejercida supera a la presión mxima que el suelo tenía en el pasado. En conclusión lo que busca esta gr"ca es obtener el punto C que nos representaría la mxima presión que el suelo tuvo en el pasado.
7
OBTENCIÓN DEL PUNTO C
En nuestra gr"ca ubicamos el punto que indica la mayor curvatura de nuestra gr"ca. En este punto le tra+amos la tangente y una recta hori+ontal. 'a tangente y la recta hori+ontal $orman un ngulo del cual tra+amos su bisectri+. En el tramo "nal de la gr"ca, %3onde suponemos que la carga administrada ya venció a la carga de mxima del suelo&, tra+amos una recta tangente del tal $orma que interseca a la bisectri+ anteriormente tra+ada. El punto de intersección representa el es$uer+o de pre consolidación que representa la mayor carga a la cual el suelo estuvo sometido.
CURVAS DE CONSOLIDACIÓN Es aquella curva que se obtiene de gra"car %para una determinada carga& la de$ormación que su$re nuestra muestra de suelo a medida que transcurre el tiempo. •
'a de$ormación %3& que registra el de$ormimetro se representa en el eje de las ordenadas, de manera creciente hacia abajo y en milímetros.
El tiempo %t& se representa en el eje de las abscisas, y estar expresado en minutos. 3e esta curva se obtiene un parmetro muy importante( el coe"ciente de consolidación %Cv&. -ara un incremento de carga dado sobre un esp#cimen, existen dos m#todos gr"cos com9nmente usados para determinar Cv. •
Como bien sabemos el valor del $actor tiempo est ligado al grado de consolidación y en consecuencia con el coe"ciente de consolidación. -ara el clculo de este tiempo se tienen dos m#todos gr"cos, los cuales explicaremos a continuación(
MTODO DE LA RA($ CUADRADA DEL TIEMPO O DE TAYLOR E) *+ ',/ D*&,/) R7 %*+ *9: Consiste en gra"car la curva lecturas de de$ormación contra la raí+ cuadrada del tiempo para cada incremento de carga. -or la parte recta se tra+a una tangente, prolongndola hasta cortar la ordenada y de esta manera hallamos el origen corregido. -or este punto se tra+a una línea recta con una inclinación del 15; <, a la tan gente, hasta cortar la curva, cuya intersección proyectada en la ordenada corresponder al 8F de consolidación y en la abscisa al tiempo de 8F de consolidación %8&. 1. ra+ar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del gr"co. . 'a intersección entre la recta de"nida en 1 con el eje de las abscisas, de"ne una distancia GaH 5. 0e dibuja en el eje de las abscisas la distancia 1.16a, el cual representa el punto !. 4. 0e une el punto 8 y !. 6. 'a intersección de esta recta con la curva de"ne el valor t8 en el eje de las abscisas. >. Calcular Cv como( 18
C v =
0.848∗( H dr )
2
t 90
3ónde(
>0 J iempo correspondiente al 8 F de
la consolidación
v % J 8F& = 0.848
MTODO DEL LO!ARITMO DEL TIEMPO -ropuesto por Casagrande y Kadum %148& Consiste en gra"car la curva lecturas de dial contra logaritmo del tiempo para cada incremento de carga. -or sus partes rectas %en el medio y "nal de la curva&, se tra+an tangentes cuya intersección proyectada en la ordenada corresponder al 188F de consolidación y en la abscisa al tiempo de 188F de consolidación %188&. 1. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t 1. 0i la parte inicial no es parabólica, utili+ar 3o asociado a tJ8 y seguir en el paso 4. . 2arcar tJ 4 t1. t1 y t, evaluados en la curva de"nen la distancia L. 5. 3ibujar la distancia L, y encontrar 3o en el eje de las ordenadas. 4. 3ibujar la proyección hori+ontal del "nal de la curva de de$ormación e interceptarla con el eje de las ordenadas, punto que de"ne 3188. 6. Encontrar 368, como la distancia promedio entre 3o y 3 188 en el eje de las ordenadas. 11
>. -royectar 368 en la curva de de$ormación y encontrar t 68 en el eje de las abscisas. ?. Calcular Cv como. 3ónde( C v =
0.197∗( H dr )
50 J iempo correspondiente
2
t 50
al 68 F de la consolidación primaria.
@%, J rayectoria de drenaje
?.
C"LCULOS Y RESULTADOS
SERIE ' Estudiante- CALISAA C!ND!RI" Fran#
Códi*o- $%&'%%(')
Dato/:
Datos Iniciales Gra2edad de S8+ido/ Dimetro ;cm< A+t0ra ;cm< *e/o Ani++o ;gr< *e/o Ani++o ? e/pecimen ;gr<
$-9% 9-%% &-=> (=-=' &(>-''
1
Contenido de .u/edad )inal N@ Tara *e/o Tara ;gr< *e/o Tara ? S0e+o B4medo ;gr< *e/o Tara ? S0e+o Seco ;gr<
, &$-( &&$-$( >,-%&
Con e/to/ dato/ pa/amo/ a 3acer +o/ /ig0iente/ c+c0+o/: Peso seco (Ws)
/>,-%&5&$-( /=$-9' gr
olumen inicial (o)
Vo&-=>;;
π
;9-%%<$<'<
Vo,(-'(= cm (
olumen de solidos (s)
V//;;G/<; γ << V/=$-9';$-9% &< V/(&-=, cm ( A+t0ra de+ /8+ido ;B/< B/V/Hrea B/(&-=,;;
π
;9-%%<$<'<
B/&-&&,, cm De +o/ dato/ de carga 2/ +ect0ra/ de+ de7ormimetro /e re/0me:
carga % %-& %-$ %-' %-=
+ect0ra 9-%9& ,-9= ,-9$ ,-'', ,-&=(
15
&-9 (-$ 9-' (-$ &-9 %-= %-' %-$ %-&
'-=,= '-'> (->( '-%( '-%=, '-&, '-$$& '-$=> '-(,
!elación de vacíos (e)" GS e
$%-=((99=> $-9% %-,'&&,(>
Entonce/ 0edaría:
carga % %-& %-$ %-' %-= &-9 (-$ 9-' (-$ &-9 %-= %-' %-$
+ect0ra 9-%9& ,-9= ,-9$ ,-'', ,-&=( '-=,= '-'> (->( '-%( '-%=, '-&, '-$$& '-$=>
2ar B %-%%% %-$>( %-(=> %-9&9 %-== &-$%( &-,& $-%== $-%(& &->9 &->&& &-='% &-$
e %-,99%'>''= %-,((=&%%$ %-,&,%%=( %-'>($>=,= %-'99(9>&,= %-'(,=99 %-(>(%(=$& %-(>9&$= %-'%$(&=,9' %-'%%'''> %-'&(,='>$ %-'&>$$&>,,
14
%-&
'-(,
&-&&
%-,'&&,(>
Gra7icando e 2/ * en 0na e/ca+a /emi+ogaritmica
Entonce/" de+ gra7ico /e o.tiene: Presión efectiva de preconsolidación (#$ c )
!Jc%-9 Kgcm$ Coeficiente de compresibilidad (Cc)
Se /a.e 0e e+ Cc e/ +a pendiente de +a recta 2irgenCctan;(-(@< Cc%-%,= Coe7iciente de epan/i8n ;C/< E+ coe7iciente de epan/i8n e/ +a pendiente 7ormada por +o/ p0nto/ en +a etapa de de/carga16
C/tan;%-,@< C/%-%&
#ara una car*a #01+% 2*3c/% E/to/ /on +o/ dato/ de tiempo +ect0ra/ para 9-' Kgcm $: Tiempo &':%% = &, (% & min $ min ' min = min &, min (% min &,:%% &9:%% &=:%% &':%%
Tiempo ;/< % = &, (% 9% &$% $'% '=% >%% &=%% (9%% $%% &''%% =9'%%
Tiempo ;min< % %-&(( %-$, %-, & $ ' = &, (% 9% &$% $'% &''%
RaíM;tiempo< % %-(9, %-, %-% & &-'&' $ $-=$= (-=( ,-' -'9 &%->,' &,-'>$ (->'
de7ormaci8n '-=,= '-9'% '-9$> '-9&( '-,>> '-,=( '-,9, '-,'> '-,(, '-,$$ '-,%> '-,%% '-'>, '-'>%
!plicamos el m#todo de aylor y gra"camos lectura del de$ormimetro vs raí+ del tiempo.
1>
curva de consolidacion 4.88 4.768 4.788 4.?68 4.?88 4.>68 4.>88 4.668 4.688 4.468 4.488
8
4
>
7
18
1
14
1>
17
8
Entonce/" de+ gra7ico /e o.tiene: t>%&-> L0ego: C2%-='=Bdr $t>% *ero: Bdr B$ Bdr &-9=&$%-='%, cm OP =-'%, mm Entonce/: C2(&-,(
SERIE % Estudiante- CC!*A !S!RI!" Danie+ )onatan Datos Iniciales Gra2edad de S8+ido/
Códi*o- $%&$$,'')
$-9$
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Dimetro ;cm< A+t0ra ;cm< *e/o Ani++o ;gr< *e/o Ani++o ? e/pecímen ;gr<
9-%% $-%% (=-=' &'-$
Contenido de .u/edad )inal N@ Tara *e/o Tara ;gr< *e/o Tara ? S0e+o B4medo ;gr< *e/o Tara ? S0e+o Seco ;gr<
' &,-9 &($-$$ &&,-%'
#rocesa/iento de datos *e/o Q0e/tra Inicia+ Hrea Q0e/tra Vo+0men Q0e/tra *e/o E/pecí7ico Sat0rado *e/o S8+ido/ *e/o E/pecí7ico S8+ido/ Vo+0men Tota+ Vo+0men S8+ido/ Vo+0men Vacio/
&%=-== $=-$ ,9-,' &->$, &&,-%' $-9$ ,9-,' '(->& &$-9(
Re+aci8n de 2acio/ Inicia+ e%
%-$==
Vo+0men S8+ido/ Hrea Q0e/tra B/8+ido/ B2acio/
'(->& $=-$ &-,,( %-''
gr cm$ cm$ grcm( g gcm( cm( cm( cm(
cm( cm$ cm cm
CURVA DE CO!#RESI4ILIDAD Re+aci8n de 2acio/ 2/ E/70erMo E7ecti2o
17
CARGA #gcm$ mm % %-$& %-%, %-$& %-& %-$& %-$ %-$& %-' %-99( %-= %-9%= &-9 %-,' (-$ %-'( 9-' %-(&( DESCARGA (-$ %-($, &-9 %-('( %-= %-(9 %-' %-(> %-$ %-(>, %-& %-'&
De7ormacion mm % % % % %-%,= %-&&( %-&' %-$>& %-'%= De7ormacion 5%-%&$ 5%-%( 5%-%' 5%-%99 5%-%=$ 5%-%>
B Fina+ ;mm< $% $% $% $% $% &>->'$ &>-== &>-=$9 &>-%> &>-,>$ B Fina+ ;mm< &>-9%' &>-9$$ &>-9(> &>-9,= &>-9' &>-9=>
B/o+ido/ ;mm< &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( B/o+ido/ ;mm< &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,( &,-,(
B Vacio/ ;mm< '-' '-' '-' '-' '-' '-'&$ '-(, '-$>9 '-&> '-%9$ B Vacio/ ;mm< '-%' '-%>$ '-&%> '-&$= '-&'' '-&,>
ei %-$==(%%& %-$==(%%& %-$==(%%& %-$==(%%& %-$==(%%& %-$='%>,( %-$=%,,( %-$99$,=> %-$9>%>$%= %-$9&,,=$ ei %-$9$((%> %-$9('>%%$ %-$9',='9 %-$9,=%=&& %-$99=(=(= %-$9=%'$,
#AR5!E6ROS O46ENIDOS DEL AN5LISIS !ANUAL 1& Cs %Coe"ciente de expansibilidad& 0.288 −0.280
Cs J
log
( ) 0.9 0.2
CrJ 8.81
& Cc %Coe"ciente de compresión& 0.275 −0.262
Cc J
log
() 6 2
Cc J 8.8?
5& Es$uer+o de -re consolidación BMc J 1.>? NgAcm
CURVA DE CONSOLIDACI7N 5
GRHFICA DE RAI CUADRADA DEL TIEQ*!
CARGA #gcm$
de7 mm
t
min
1
(-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$
%-&' %-$&$ %-$&( %-$&' %-$&= %-$$& %-$$( %-$( %-$(( %-$'$ %-$, %-$9( %-$& %-$>&
% = &, (% & min $ min ' min = min &, min (% min 9% min &$% min $'% min &''% min
5 %-(9& %-,%% %-% &-%%% &-'&' $-%%% $-=$= (-=( ,-' -'9 &%->,' &,-'>$ (->'
*ARAQETR!S BALLAD!S ANHLISIS QANUAL T>% &'' min
C2 >% %-='=Bdr $t>% Bdr & cm C8 9& 0 ,+:9 x'&;1 c/% 3/in 5
GRHFICA DE L!GARITQ! DEL TIEQ*!
CARGA #gcm$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$ (-$
De7ormaci8 n ;mm< % %-%(= %-%(> %-%' %-%'' %-%' %-%'> %-%,9 %-%,> %-%9= %-%9 %-%=> %-%> %-&&
T ;min<
min
% = &, (% & min $ min ' min = min &, min (% min 9% min &$% min $'% min &''% min
% %-&( %-$, %-, & $ ' = &, (% 9% &$% $'% &''%
*ARAQETR!S BALLAD!S ANHLISIS QANUAL T,% 9, min
C2 ,% %-&>Bdr $t,% Bdr & cm C8 ,& 0 1+&1' x'&;1 c/% 3/in
8. CONCLUSIONES YO RECOMENDACIONES 5
El ensayo solo permite medir la consolidación del suelo uniaxialmente, ya que al estar con"nado lateralmente, este solo se mover %asentar& en la vertical, pero para ello se debe 8
5
5
5
5 5
eliminar cualquier $ricción que pueda haber entre el suelo y el anillo. 0i bien para el clculo de las curvas de compresibilidad y compresión, se utili+aron m#todos aproximados estos suelen muy problemticos si no se conocen muy a $ondo estos m#todos y su procedimiento de clculo. El coe"ciente de permeabilidad del suelo generalmente mayor en el :ujo paralelo a los planos de estrati"cación que a ngulos rectos. -or lo tanto no es generalmente permisible utili+ar el coe"ciente de permeabilidad determinado en un ensayo de consolidación unidimensional en problemas de drenaje multidireccional en el campo. 'os resultados de este ensayo son usados para estimar la magnitud y la velocidad de los asentamientos totales y di$erenciales de una estructura o terrapl#n, in$ormación que es de suma importancia en el diseo de estructuras y la evaluación de su per$ormance. 'a muestra siempre debe estar saturada, para esto se debe cuidar que el agua desairada est# por encima de la piedra superior. En consolidación se consideran los es$uer+os cortantes igual a cero y es por eso que resulta mucho ms $cil estudiar la de$ormación por compresión vertical.
>. BIBLIO!RA#(A 5
2ecnica de suelos en ingeniería practica O @. er+aghi L *.;. -ecN
5
2ecnica de suelos y cimentaciones O Crespo Dillala+
5
Kundamentos de ingeniería geot#cnica O ;raja 2. 3as
5
2ecnica de suelos 1 y -roblemas resueltos O ;raja 2. 3as
1
