labmsii_consolidacion

UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA

LABORATORIO DE MECNICA DE SUELOS

(adaptacin ASTM-D-2435)

CONSOLIDACIN

1.- INTRODUCCIN

El conocimiento del proceso de consolidacin es fundamental dentro del campo de laconstruccin, ya que la mayora de los grandes asentamientos producidos en las estructurasfundadas sobre suelos compresibles (principalmente arcillas), se originan por este motivo.

El problema se produce cuando una masa de suelo saturada o semi saturada, essometida a incrementos de carga, puesto que dicha carga es tomada en un principio,fundamentalmente por el agua existente en los poros debido a que ella es incompresible,comparada con la estructura del suelo. Sin embargo con el transcurso del tiempo, a medidaque el agua escurre desde los poros del suelo, es la estructura del suelo la que va recibiendola carga inicialmente asimilada por agua.

Este proceso de transferencia de carga origina cambios en el volumen de la masa desuelo, iguales al volumen de agua drenada, lo que recibe el nombre de Consolidacin.

Obviamente, se deduce que este proceso est directamente relacionado con lapermeabilidad del suelo y es por ello que los estudios de laboratorio son limitados slo asuelos de baja permeabilidad.

Este problema de la consolidacin afecta tanto a fundaciones de edificaciones como aterraplenes, estribos de puentes y pasos superiores, etc. Lo grave de ello es cuando sepresentan asentamientos diferenciales, puesto que pueden originar roturas completas en laestructura de puentes, roturas de losas e carreteras de hormign y otros problemas msgraves an.

Ante esta gravedad, una serie de investigadores y en especial K. Terzaghi por medio desu Teora Matemtica de la Consolidacin, han desarrollado una teora que permitecalcular con bastante precisin, tanto la velocidad como el grado de asentamiento queexperimentar una determinada estructura, cimentada sobre arcillas principalmente. Estoslo persigue como fin, reducir los efectos provocados por los movimientos diferenciales.

Los clculos necesarios para la obtencin de dichos resultados son realizados con losdatos obtenidos en el laboratorio, donde los aparatos reproducen (o deberan reproducir)fielmente en el ensayo, las condiciones formuladas en la teora de consolidacin.

El procedimiento especfico empleado para la obtencin de dichos resultados en esteensayo, depender del equipo utilizado y del tipo de suelo a analizar, debido a lo cual no sepueden establecer reglas generales. Sin embargo, el presente trabajo servir de gran ayudaal interesado.



2.- EQUIPO NECESARIO

2.1.- Aparato de carga con permemetro.2.2.- Consolidmetro o edmetro, compuesto de:

- Una caja o ring edomtrico de bronce sellado que recibe un cilindro, ambosequipados de piedras porosas, las que comprimen a la muestra de suelo de undimetro de 6,35[cm] y una altura de 2, 54 cm.

- Anillo atornillador que sujeta el pistn a la base del consolidmetro.2.3.- Un juego de masas con un total de 80[kg], divididas en: tres de 1[kg], tres de

20[kg], una de 2[kg], una de 10[kg] y una de 5[kg]1.2.4.- Dos comparadores o diales con un curso de 10[mm] y sensibilidad de 0,00012.5.- Un cronmetro.2.6.- Horno de secado controlado termostticamente.2.7.- Caja talladora de muestras.2.8.- Dos balanzas de capacidad mayor a 300[gr] y 2.000[gr] cada una, con

sensibilidad de 0,01[gr] y 0,1[gr] respectivamente.2.9.- Cortador de alambre.2.10.- Desecador con Cloruro de Calcio.2.11.- Equipo miscelneo: cuchillo, esptula, platos de evaporacin, cpsulas petri,

reglas, agua destilada, escobillas.

3.- PROCEDIMIENTO

3.1.- Preparacin de la muestra:3.1.1.- Se preparan las piedras porosas lavando y escobillando cada una de ellas para

posteriormente saturarlas con agua destilada.Esto se realiza con el fin de limpiar completamente los poros.

3.1.2.- Se pesa la caja edomtrica (WR), midiendo adems su dimetro (D) y su altura(H), que deberan ser las mismas dimensiones de la muestra.

3.1.3.- Se prepara cuidadosamente una muestra de suelo inalterada2, en la cajatalladora, debiendo quedar la probeta orientada en la misma direccin queocupaba en el estrato. Esto se realiza alisando una cara de la muestra y cortandosus esquinas, luego de lo cual sta se rota hasta obtener la altura y dimetrodeseados3. Enseguida se vuelve a alisar cuidadosamente una cara de lamuestra4.

3.1.4.- Con el suelo extrado durante el tallado de la probeta, se obtienen 3 muestrasrepresentativas para determinar la humedad. Adems, se deben obtenermuestras para determinar la gravedad especfica. Como complemento esnecesario obtener los lmites de consistencia, los que sern agregados comodatos del ensayo junto con una descripcin visual del suelo.

3.1.5.- Se coloca cuidadosamente la muestra de suelo en la caja edomtrica y se enrasasu cara libre con un cuchillo y una esptula.

3.1.6.- Se pesa la caja edomtrica con la muestra de suelo (W1), para obtener el pesodel suelo hmedo. Este peso se compara con aquel obtenido en funcin de lahumedad (punto 3.1.4.) y el peso seco (punto 3.2.5.).

3.1.7.- Se levanta el nivel del agua sobre la piedra porosa de la base y se colocainmediatamente la caja edomtrica sobre sta, para luego ajustar a ambos pormedio del anillo atornillador.

3.1.8.- Se ajusta el conjunto (caja edomtrica y base) al aparato de carga. 1 El aparato de carga puede recibir hasta un mximo de 140[kg].2 Los ensayos con muestras de muestras de suelos remoldeados, entregan una curva presin versus razn devacos cuya inclinacin es generalmente ms pronunciada, que aquellas originadas por probetas con suelosinalterados.3 Se ha comprobado que el tamao de la muestra incide en los coeficientes de consolidacin obtenidos, ya queestos son mayores en muestras de mayor tamao. Sin embargo, la curva presin versus razn de vacos, esindependiente del tamao de la muestra.4 Estas etapas del procedimiento deben ser realizadas en lo posible en una sala o cmara hmeda.



3.2.- Compresin de la muestra:3.2.1.- Se ajustan los diales a una lectura 0 y se determinan adems, conociendo de

antemano el rea de la muestra, las cargas necesarias para obtener la siguienteprogresin geomtrica de presiones (en [kg/cm2]): 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 85.

3.2.2.- Se aplica el primer incremento de carga (0,25[kg/cm2]) y se toman las lecturasde los diales exactamente a los siguientes tiempos: 0, 6, 15, 30, 1, 2, 4,8, 16, 30, 1[hr], 2[hr], 4[hr], 6[hr], 12[hr], 24[hr]..., hasta encontrar el 90% deconsolidacin6.Se recomienda, sin embargo, para suelos arcillosos el incremento de carga cada24[hr], an cuando algunas arcillas necesitan a veces de tiempo bastantediferente para realizar el incremento de cargas siguiente.

3.2.3.- Cumplido el tiempo de aplicacin de carga, se incrementa sta al nuevo valor,tomando lecturas de diales en los tiempos sealados en el punto anterior.Este proceso de incremento de cargas y toma de lecturas debe continuar hasta laltima carga indicada (punto 3.2.1.).

3.2.4.- Se intenta conocer el hinchamiento del suelo bajo cargas decrecientes, sedescarga la muestra a 2, 0.5 y 0.1[kg/cm2] en al menos 12[hr] de aplicacinpara cada uno. Este procedimiento es arbitrario y debe informarse si esnecesario.

3.2.5.- Terminado el proceso de descarga, se saca la caja de consolidacin con el suelodel aparato de carga, se seca superficialmente, se pesa y se coloca en el hornodurante 24[hr], tiempo al cabo del cual se determina su peso seco (W2), con elobjeto de obtener la humedad final de la probeta7.

4.- CLCULOS8

4.1.- De la muestra analizada se realizan las siguientes determinaciones:4.1.1.- Humedad inicial.4.1.2.- Area inicial.4.1.3.- Peso seco, comparando los dos mtodos empleados.4.1.4.- Gravedad Especfica.4.1.5.- Lmites de Consistencia (WL y WP).

4.2.- Se calcula la altura de los slidos en la muestra (H0), mediante la siguienteexpresin:

WsH0 =

Gs w ADonde:Ws = peso seco de la muestra.Gs = gravedad de especfica.

w = densidad del agua.A = rea inicial de la muestra.

4.3.- Se calcula el grado de saturacin inicial de la muestra (Si) mediante la siguienteexpresin:

5 Otras alternativas de secuencias de cargas pueden ser empleadas, dependiendo esto del equipo utilizado y delas especificaciones dadas. Tambin si es necesario pueden emplearse esfuerzos iguales o mayores a16[kg/cm2], lo que depender de la capacidad del aparato.6 Para obtener este punto se analiza la curva: lecturas de diales, ver su raz cuadrada en el tiempo, mientras sedesarrolla el ensayo (ver punto 4.- Clculos).7 Existe un procedimiento a seguir con el equipo mencionado, mediante el cual se puede obtener directamenteel coeficiente de permeabilidad del suelo (k), pero que no ser analizado en este captulo. Sin embargo, serecomienda una frmula para obtener este coeficiente.8 Una forma prctica de presentar los resultados finales, se anexa en las figuras que acompaan a las fichas deeste ensayo. En ambos, se ve ejemplificados cada uno de los clculos a mencionar, cuyos datos fueronobtenidos en el libro: Soil Testing de William Lambe.



Wt WsSi = Hv A

Donde:Wt = peso de la muestra hmeda.Hv = altura de los vacos (ver punto 4.5.3.)

4.4.- Se obtienen los parmetros de consolidacin por alguno de los siguientemtodos:

4.4.1.- Mtodo de la raz cuadrada del tiempo o de Taylor, el que consiste en graficarla curva del dial versus raz cuadrada del tiempo, para cada incremento decarga. Por su parte se traza una tangente recta, la que se prolonga hasta cortar lalnea del tiempo o cero, obteniendo de este modo el origen corregido de lacurva (DS)

9. Por este punto se traza una lnea recta, con una inclinacin del 15%mayor (1,15 veces) a la tangente anterior. Esta nueva recta cortar a la curva enun 90% de consolidacin de la muestra de suelo (D90), la que se obtiene en laordenada correspondiente en este punto. Por su parte la abscisa determinar elpunto T90 definido como el tiempo al 90% de consolidacin.El 100% de compresin primaria o consolidacin (D100) se obtiene por lasiguiente expresin:

D100 = DS 10/9 (DS D90)

4.4.2.- Mtodo del Logaritmo del Tiempo; el que consiste en graficar la curva lecturadel dial versus logaritmo del tiempo, para cada implemento de carga. Enseguidase trazan tangentes en el medio y parte final de la curva, en cuya interseccin seproyecta una horizontal a la ordenada, obteniendo de este modo el punto D100.La proyeccin a la horizontal a la curva y bajada de este punto a la abscisadetermina T100. Adems se debe obtener grficamente el punto correspondienteal 50% de consolidacin (D50), el cual es el promedio de la deformacincorrespondiente al DS y D100. Sin embargo este punto se puede obtenermediante la siguiente expresin:

DS + D100D50 = 2

El DS es el valor terico del dial en el tiempo cero, pero debido a que no sepuede graficar su logaritmo en la curva, este se obtiene seleccionando en lascercanas de 0,1 un tiempo t1 y uno t2 = 4 t1. Desde t1 a t2 se mide la ordenadaen la curva y este valor se fija verticalmente sobre t1. Esta operacin se repitepara otros tres puntos, los que deben estar en una recta horizontal aproximada,cuya interseccin con la ordenada determinar el punto t0.

10

4.5.- Se calculan los siguientes datos, los cuales se anotan en la columna de la fichade resultados.

9 Esto se realiza basado en la emisin de Terzaghi, en que la curva mencionada durante el proceso deconsolidacin debe ser recta.10 Si el valor obtenido es muy diferente a la lectura del dial correspondiente al tiempo 0,1 o si la parte inicialde la curva no resulta parablica, se obtiene Ds con la lectura correspondiente al tiempo cero.



4.5.1.- Pesos aplicados a la muestra (Pi), correspondientes a cada nuevo esfuerzo11:

Pi = i * ADonde:i = esfuerzo aplicado [kg/cm

2].A = rea de la muestra [cm2].

4.5.2.- Alturas totales de la muestra (H), para cada incremento de carga:

H = Hi - HfDonde:Hi = altura inicial de la muestra [cm].Hf = asentamiento final de la muestra despus de cada incremento de carga [cm].

4.5.3.- Altura de los vacos (Hv), para cada incremento de carga:

Hv = H H0Donde:H0 = altura de los slidos.

4.5.4.- Razn de vacos de la muestra (e):

Hve =H0

4.6.- Los valores obtenidos de t90 y t50, se anotan en la ficha de resultados y con ellosse obtiene el coeficiente de consolidacin (Cv), mediante la siguienteexpresin:12

0.197*H2Cv = T50

[cm2/min]Por el mtodo dellogaritmo del tiempo

:0.848*H2

Cv = T90[cm2/min]

Por el mtodo de la razcuadrada del tiempo

Donde:H2 = longitud promedio de la trayectoria del drenaje para el incremento de carga dado (H =

H/2, punto 4.5.2.)

4.7.- Se calcula la razn primaria de compresin (r), por medio de la siguienteexpresin:

Ds D100r =D0 - Df

Por el mtodo del logaritmodel tiempo

o tambin:10 Ds D90 r =9

*D0 - Df

Mtodo de Taylor

Donde:D0 = lectura de compresin del dial al tiempo cero.Df = lectura final del dial.

4.8.- Se grafica la curva presin (p) en escala logartmica versus razn de vacos (e)en escala natural, donde la pendiente de la recta de la lnea, es el llamado ndicede compresin (cc):

-ecc = (log10p):

11 Para cada clculo se debe considerar la relacin de esfuerzos (R) del equipo.12 Generalmente el Cv obtenido por el mtodo de Taylor, es mayor al obtenido por el mtodo del logaritmo,siendo este ltimo el que suele diferir.



ecc = log p2/p1

Desde esta misma curva, es posible calcular estimativamente la mxima presinde preconsolidacin (si es aplicable). Para ello se dibuja en la parte superior dela curva (en el punto de mnimo radio de curvatura) una tangente estimada aojo a travs de cuyo punto de tangecia se dibuja una lnea horizontal. Ambasrectas formarn un ngulo, el que se bisecta. Se extiende la lnea recta del lacurva edomtrica a intersectar la lnea del ngulo bisectado. Desde estainterseccin se deja caer una vertical a la abscisa, la que determinar el valorestimado de la mxima presin de preconsolidacin: (vm)

4.9.- Se grafica la curva de presin (p) versus razn de vacos (e), ambas en escalanatural. Su pendiente determina el coeficiente de compresibilidad (av):

-eav = p

Como la curva mencionada en el punto 4.8. es casi recta y su pendiente es fcilde determinar, es posible calcular av, en funcin de cc mediante la siguienteexpresin:

0.435 ccav = pDonde:p = presin promedio para el incremento desde la presin p1 a p2.p = [(p1 + p2)/2].

4.10.- Se calcula el coeficiente de permeabilidad (k), en funcin de los valores antesmencionados:

cv*av*w cv c0-ck =1+e

k=1+c0

*p

Donde:c0 = razn de valor inicial.c = razn de valor bajo presin p.

5.- POSIBLES ERRORES

5.1.- Alteraciones sufridas por la muestra durante su extraccin en terreno.5.2.- Perturbacin de la estructura del suelo durante su preparacin, lo que implicar

variaciones en la humedad y/o densidad del suelo debido al mal uso manipuleo,vibraciones o compresiones.

5.3.- Temperatura ambiente en la sala de ensayo, lo que incidir directamente en latemperatura de la muestra, ante lo cual es imprescindible realizar este ensayo enuna sala hmeda.

5.4.- Desprecio del incremento de carga originado por la friccin entre los lados de lamuestra y las paredes de la caja de consolidacin. Esto es evitable en parte conla colocacin de aceites.

5.5.- Mal ajuste de la caja de compensacin.5.6.- Distinta orientacin de la muestra en ensayo, con aquella que ocupaba el estrato5.7.- Deficiencia en la lectura de los diales o del tiempo.5.8.- Deficiencia en la determinacin de la humedad, gravedad especfica u otras

constantes anexas a este ensayo.5.9.- Desecacin de la muestra durante el ensayo, por eso tanto el tubo de salida de la

caja de consolidacin como la manguera de conexin deben encontrarse llenasde agua.



PRESENTACIN DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYODE CONSOLIDACIN (Fig. N17)



APARATO DE CONSOLIDACIN (Fig. N18)

Carga mxima 140[kg]

CAJAS EDOMTRICAS




CONSOLIDACIN (1)

Obra:________________________________________ Ensayo N:______________Ubicacin:____________________________________ Muestra N:_____________Descripcin del suelo:___________________________ Profundidad:____________

___________________________ Fecha Ensayo:______________________________________ Realiz:________________

Presin[kg/cm2]

Fecha yhora

Tiempo[min]

tiempoLect.Dial

[mm]

MTODO DE TAYLOR

Lec

tura

de

dial

[m

m]

tiempo en min.

MTODO DEL LOG. TIEMPO

Lec

tura

de

dial

[m

m]

Log. tiempo en min.

Observaciones:



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LABORATORIO DE MECNICA DE SUELOS.A.S.T.M.D-2435.CONSOLIDACIN (2)

Obra:_________________________ Ubicacin:___________________________ Ensayo N:_____________ Muestra N:_____________ Realiz:____________

CARACTERSTICA DE LA CAJA EDOMTRICA CARACTERSTICA DE LA PROBETATipo:________________ Dimetro:_________[cm] Altura inicial:____________[cm] Humedad inicial Prom:________[%] Altura de slidos (H0)Altura(H):________[cm] rea (A):_________[cm2] G.Especfica (Gs):____________ Humedad final:______________[%] H0=Ws/(GswA)=_________

HUMEDADES Ubicacin de la Muestra superior inferior lado Prob.Ini Prob.FinRecipiente N Peso seco calculado:_______________[gr]Rec. o Caja+SueloHm. Altura Inicial de Vacos (Hvi):________[cm]Rec.o Caja+SueloSeco Altura Final de Vacos (Hvf):_________[cm]Recipiente o Caja Saturacin (S) = (Wt Ws) / (HviA)AguaSuelo Seco Saturacin Inicial (Si):______________Humedad Saturacin Final (Sf):______________

LECTURA DIAL TIEMPOS ENCONTR. COEF.CONS.(cv) [cm/seg] Observaciones:PRESIN[Kg/cm2]

PESO[kg] FINAL DIFERENC

ALTURAS(H)[cm]

ALT.VACIOS(Hv) [cm]

RAZN DEVACIOS t90 t50 0.848(H

2/t90) 0.197(H2/t50)



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