Informe de Consolidacion

La Universidad Católica de Loja

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

CICLO: Quinto.

PROFESOR: Ing. Angel Tapia NOMBRE: Leandro Yair Torres Berru

LOJA-ECUADOR

SUELOS Y ROCAS II

Tema: ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN

Objetivos:

Determinar el t50 para cada uno de los ensayos de carga

Determinar la velocidad y la magnitud de la consolidación de muestras de suelos cuando se confinan lateralmente y se cargan y drenan axialmente.

Equipo:

Dispositivos de carga.

Consolidómetro de tipo fijo.

Anillo del consolidómetro con un diámetro de 6.36 cm.; con un área de 31.76 cm2

y una

altura de 2.2 cm.

Piedras porosas de 6.25 cm. de diámetro.

Deformímetro, para medir el cambio de espesor de la muestra con una sensibilidad de 0.0025

mm. (0.0001").

Equipo misceláneo: incluye espátulas, navajas y sierras de alambre para la preparación de la

muestra.

Cronómetro.

Recipientes para el contenido de humedad, los cuales están de acuerdo con la Norma INV E-

114.

Un trapo húmedo, una membrana de caucho, o papel parafinado utilizado para proteger la

muestra de pérdida de humedad debido a la evaporación.

Marco Teórico:

Consolidación inicial (CI).- Reducción casi instantánea en el volumen de la masa de un suelo bajo una carga aplicada, que precede a la consolidación primaria, debida principalmente a la expulsión y compresión del aire contenido en los vacíos del suelo.

Consolidación primaria.- Reducción en el volumen de la masa de un suelo originada por la aplicación de una carga permanente y la expulsión del agua de los vacíos, acompañada por una transferencia de carga del agua a las partículas sólidas del suelo.

Consolidación secundaria.- Reducción en el 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 sólidas del suelo.

Preparación de la muestra: La muestra se prepara en un ambiente conforme al numeral 5.4. La muestra se moldeará de acuerdo con el interior del diámetro del consolidómetro, forzándola directamente dentro del mismo. Se cortará cuando haya que emparejarla con la superficie plana del anillo. En suelos blandos a medianos, deberá usarse una sierra de

alambre para cortar la parte superior e inferior de la muestra con el fin de disminuir las zonas con agrietamientos. Una regla con un borde cortante podrá usarse para el corte final después de que el exceso de suelo haya sido removido con una sierra de alambre. Para suelos duros, una regla con borde cortante podrá usarse simplemente para perfilar el fondo y la parte superior. Si se desea, el espesor de la muestra podrá hacerse menor que la altura del anillo mediante extrusión y corte, pero deberá cumplirse con el espesor mínimo de la muestra a que se refiere el numeral 5.2. Un anillo para muestreo con el borde cortante debidamente acondicionado proporciona el ajuste más adecuado, en muchos suelos.

Calibración:

Para su calibración ármese el consolidómetro con un disco de cobre o de acero duro aproximadamente de la misma altura que la muestra de ensayo y de 1 mm (0.04") menor que el diámetro del anillo en el sitio de la muestra.

Humedézcanse las piedras porosas y si se usan filtros de papel (véase numeral 5.3), deberán humedecerse igualmente y dejar tiempo suficiente para permitir que la humedad salga de ellos durante el proceso de calibración.

Cárguese y descárguese el consolidómetro como si se tratara del ensayo y mídase la deformación para cada carga aplicada.

Dibújense o tabúlense las correcciones que puedan aplicarse a las deformaciones de la muestra de ensayo para cada carga aplicada. Nótese que el disco de metal puede deformarse también. Sin embargo, la corrección debida a esta deformación será despreciable para todos los suelos, excepto para los extremadamente duros. Si fuere necesario, podrá calcularse la compresión del disco de metal y aplicarse a las correcciones.

Procedimiento:

El objetivo de la preparación de las piedras y de los restantes elementos antes de que se pongan en contacto con la muestra es el de evitar cambios en el contenido de humedad de ésta. En esta forma, suelos altamente expansivos, muy secos, deberán colocarse sobre piedras secas, pero muchos suelos parcialmente saturados podrán colocarse sobre piedras que hayan sido simplemente humedecidas.

Si la muestra está saturada y si no se cree que tenga una elevada afinidad con el agua, deberán hervirse las piedras porosas después de limpiarlas con un cepillo no abrasivo y mantenerse saturadas hasta cuando se pongan en contacto con la muestra.

Armese el anillo, la muestra y las piedras porosas. Con el conjunto del consolidómetro ensamblado, envuélvase la muestra, el anillo, el papel de filtro (cuando se use) y las piedras porosas con un plástico suelto o con una membrana de caucho para evitar el cambio en el volumen de la muestra por evaporación. Podrá omitirse esta etapa cuando la muestra se inunde después de aplicado el primer incremento de carga como se prevé en el numeral 10.8.

Colóquese el consolidómetro en el dispositivo de carga y aplíquese una carga de asentamiento de 5 kPa (0.05 kg/cm²) o de 100 lb/pie². Dentro de los cinco minutos siguientes a la aplicación de ésta, ajústese el deformímetro para la lectura inicial o para la lectura de cero. Para los suelos muy blandos es deseable por lo menos una presión de (0.025 kg/cm² o 2 o 3 kPa, alrededor de 50 lb/pie²).

Colóquense cargas sobre el consolidómetro para obtener presiones sobre el suelo de aproximadamente 0.025, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 kg/cm² etc. o de 5, 10, 20, 40, 80, etc. kPa, o (100, 200, 400, 800, 1600, etc. lbf/pie²), con cada carga mantenida constante como se describe en el numeral 10.4 (pueden requerirse incrementos más pequeños sobre muestras muy blandas o cuando se desee determinar con mayor precisión la carga de preconsolidación). El proceso del cargue de la muestra deberá continuarse dentro de la zona de la compresión virgen de manera que pueda apreciarse la forma de la curva en la parte correspondiente a éste. Típicamente, una carga final igual o cuatro veces mayor que la de preconsolidación de la muestra puede ser requerida con este fin. En particular en el caso de arcillas preconsolidadas, puede ser deseable un ciclo de carga-descarga para evaluar mejor los parámetros de recompresión, pero dicho procedimiento es opcional.

Al menos para dos incrementos de carga incluido uno que exceda la preconsolidación, anótese el espesor de la muestra o el cambio de ésta antes de aplicar cada incremento y con intervalos de aproximadamente 0.1, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos, 1, 2, 4, 8, etc. horas, contados a partir del momento cuando se aplicó la carga. Estas lecturas de tiempo-asentamiento sólo son requeridas para muestras saturadas. Las lecturas deberán continuarse por lo menos hasta que se haga patente la pendiente de la compresión lineal secundaria característica del asentamiento, contra el logaritmo del tiempo (véase el numeral 11.1), a menos que se use el método del numeral 11.6, en cuyo caso, la carga siguiente pueda aplicarse tan pronto como se complete el 100 % de la consolidación. Para suelos con una baja consolidación primaria, las cargas deberán mantenerse por lo menos durante 24 horas. En casos extremos o cuando quieran evaluarse las características de consolidación secundaria, deberán aplicarse durante un período más largo.

Se aplica luego el incremento siguiente de carga. Cuando no se requieran datos de tiempo contra asentamiento deberá mantenerse la carga sobre la muestra esencialmente durante el mismo tiempo que cuando se hacen lecturas del tiempo contra cada deformación. Deberá disponerse de suficientes lecturas cerca del final

del período del incremento de carga para permitir cualquier extrapolación de la curva de tiempo vs. asentamiento.

Cuando se vayan a dibujar las deformaciones contra la raíz cuadrada del tiempo, los intervalos pueden ajustarse a aquellos que correspondan a raíces cuadradas, como por ejemplo 0.09, 0.25, 0.49, 1 minuto, 4 minutos, 9 minutos, etc.

Rebote. Cuando se deseen conocer las características del rebote o de la descarga, deberá descargarse el suelo mediante reducciones de la carga en orden inverso. Sin embargo, si se desea, cada carga sucesiva puede ser tan sólo un cuarto de la carga que la precede. Regístrense los intervalos de tiempo como se sugirió en el numeral 10.4. Nótese, sin embargo, que para muchos suelos el rebote se completará en menor tiempo del que había sido requerido para un incremento de carga durante la consolidación primaria, pero deberán hacerse suficientes lecturas para verificar que el rebote esté esencialmente completo.

T50 y CALCULOS

PROCEDIMIENTO

o Para disminuir la expansión durante la descarga, deberá descargarse la muestra hasta la carga establecida de 5 kPa (100 lb/ft 2 ) para suelos firmes y de 2 ó 3 kPa (alrededor de 50 lb/ft 2 ) para suelos blandos. Una vez que se ha concluido el ensayo, quite la carga final y desarme rápidamente la caja de consolidación.

o Pese la masa de la muestra extraída de la caja de consolidación (M Tf ) pesando el conjunto anillo más muestra y restando la masa del anillo, con una precisión de 0.01 g.

Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos PROCEDIMIENTO

o Seque la muestra en el horno hasta una masa constante a una temperatura de 110 ± 5 °C (230 ± 9 °F), pese su masa seca (M Sf ) y determine el contenido de humedad final, (W f ) de acuerdo con la norma ASTM D 2216.

Foto Nº 13: Secado al horno de la muestra. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos CÁLCULOS

o Calcule el contenido de humedad inicial y final, mediante la siguiente ecuación:

o Contenido de humedad inicial:

Donde:

M HO =Peso del recipiente + muestra húmeda antes del ensayo, g.

M S =Peso del recipiente + suelo seco antes del ensayo, g.

M recipiente =Peso del recipiente, g.

W o =Contenido de humedad inicial, %

Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos CÁLCULOS

Contenido de humedad final:

Donde:

M Tf =Peso del anillo + muestra húmeda después del ensayo, g.

M Sf =Peso del anillo + suelo seco después del ensayo, g.

M anillo =Peso del anillo, g.


o Calcule la densidad seca inicial de la muestra, como se indica:

Donde: Ρ d =Densidad seca de la muestra, g/cm 3 ó Kg/m 3 . V o =Volumen inicial de la muestra, cm 3 ó m 3 . Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos CÁLCULOS

o Calcule el volumen de los sólidos, como se indica:

Donde:

V s =Volumen de sólidos, cm 3 .

G=Gravedad específica de los sólidos.

Ρ w =Densidad del agua, 1.0 g/cm 3 ó Mg/m 3 .


o Calcular la altura de los sólidos, como sigue:

Donde:

H s =Altura de sólidos, cm (in).

A=Área de la muestra, cm 2 (in 2 ).


o Si no se conoce el valor de G, la altura de sólidos (Hs) de la probeta, se puede calcular una vez concluido el ensayo, mediante la expresión:

Donde:

H o =Altura inicial de la muestra, cm (in).

ΔH=Asentamiento total de la muestra al finalizar el ensayo, cm (in).


o Calcule la relación de vacíos inicial y final, mediante la siguiente ecuación:

o Relación de vacíos inicial

o Relación de vacíos final


o Por lo tanto, la altura final se determina así:

Donde:

H o =Altura inicial de la muestra, cm (in).

H f =Altura final de la muestra para cada incremento de carga, cm (in).

H f = H o – ΔH Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos CÁLCULOS

o Calcule el grado de saturación inicial y final, mediante la siguiente ecuación:

o Grado de saturación inicial

o Grado de saturación final

Donde:

S o =Grado de saturación inicial, %

S f =Grado de saturación final, %

Ρ w =Densidad del agua= 1 g/cm 3


o Calcule la relación de vacíos para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:

Donde:

e o =Relación de vacíos inicial.

ΔH c =Variación de asentamiento para cada incremento de carga, cm (in).

H s =Altura de sólidos, cm (in).


o Calcular la altura final para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:

Donde:

ΔH c-1 =Variación del asentamiento para un incremento de carga anterior, cm (in)

H fc =Altura final para cada incremento de carga , cm (in)


o Calcular la altura promedio (H) para cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión:

o Donde:

H o =Altura inicial de la muestra, cm ó mm.


o Calcular la longitud promedio de la trayectoria de drenaje (Hm), para cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión:

o Donde:

H=Altura promedio para cada incremento de carga, cm (in).

Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método del Logaritmo del Tiempo

Se grafica en escala semilogarítmica la curva deformación (ordenadas) vs log tiempo (abscisas ).

Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90 Fig. 5.1 Curva deformación versus Log tiempo Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método del Logaritmo del Tiempo

Procedimiento para determinar el 100, 0 y 50% teórico de consolidación primaria:

Trace una línea recta (C) a través de los puntos que representan las lecturas finales y que exhiben una tendencia recta y una inclinación suave.

Trace una segunda recta tangente a la parte más pronunciada de la curva (D). La intersección entre las dos rectas representa la deformación d100, y tiempo t100, correspondiente al 100% de la consolidación primaria. La consolidación que sobrepase el 100% se define como consolidación secundaria.



Determine la deformación que representa el 0% de la consolidación primaria, escogiendo un punto de la curva próximo al eje de deformaciones (t1), observe el tiempo que le corresponde, localice sobre la curva el punto cuya abscisa sea cuatro veces la del punto originalmente elegido (t2); la diferencia de ordenadas entre ambos puntos se duplica y éste valor se lleva a partir del segundo punto mencionado, sobre una paralela al eje de ordenadas obteniéndose de este modo un tercer punto sobre el cual se hará pasar una paralela al eje de los tiempos que es la que define el 0% teórico de consolidación.



Al punto medio del segmento entre el 0 y 100% teóricos de consolidación corresponderá el 50%. El tiempo correspondiente a este porcentaje t50, queda determinado por la abscisa del punto de intersección de la curva y una paralela al eje de los tiempos, trazada por el punto medio del segmento. La determinación de t50 debe hacerse para cada una de las curvas obtenidas en el proceso de consolidación.

Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo

Se grafica en escala aritmética la curva deformación (ordenadas) vs raíz cuadrada del tiempo (abscisas ).

Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90 Fig. 5.2 Curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo

Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de consolidación primaria:

Trace una segunda línea recta (C) tomando dos o más puntos de la línea correspondiente del 0% de consolidación y multiplique las abscisas correspondientes por la constante 1.15. La intersección de ésta con la curva define por su abscisa el tiempo que corresponde al t90.

La deformación al 100% de la consolidación primaria es 1/9 mayor que la diferencia entre las deformaciones a 0 y 90% de consolidación.


Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de consolidación primaria:

Trace una línea recta (A) a través de los puntos que representan las lecturas iniciales que muestra una tendencia de línea recta. Extrapole la línea hasta t = 0 y obtenga la ordenada de deformación que representa el 0% de la consolidación primaria.


o Calcule el coeficiente de consolidación para cada incremento de carga, como sigue:

Para curva deformación versus log tiempo


o Calcule el coeficiente de consolidación para cada incremento de carga, como sigue:

Para curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo

Donde: Cv= Coeficiente de consolidación, cm 2 /s. Hm 2 =Longitud promedio de la trayectoria de drenaje para cada incremento de carga. t50, 90=Tiempo correspondiente al grado de consolidación para 50% ó 90%, s ó min. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo

o Grafique la curva relación de vacíos (e) versus presión (P) en escala semilogarítmica.

Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90 Fig. 5.3 Curva relación de vacios versus presión Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo

Esta gráfica es conocida como: Curva de compresibilidad , que permite determinar la carga de preconsolidación Pc, en kg/cm 2 , los índices de compresión, expansión y comprensibilidad, de la siguiente manera:


Carga de Preconsolidación

Estime el punto máximo de curvatura, en la rama de carga (B).

En el punto (B) dibuje una línea tangente (C), y una línea paralela al eje de las presiones (D), y trace la bisectriz de estas dos rectas (E).

Extienda una tangente que pase por la parte lineal de la curva de carga (curva virgen) (F), hasta la intersección con la bisectriz (E) en el punto (G).

La proyección del punto (G) sobre el eje de las abscisas define la carga de preconsolidación, Pc.


Índice de compresión

La pendiente de la curva virgen del tramo de carga determina el índice de compresión Cc, mediante la siguiente expresión:

Donde:

Δe=Variación de la relación de vacíos.

ΔP=Variación de los logaritmos de la presión .


Índice de expansión

La pendiente de la parte recta del tramo de descarga determina el índice de expansión Ce, mediante la siguientes expresión:

Donde:

e3– e2=Variación de la relación de vacíos.

P2-P3=Variación de los logaritmos de la presión.


Coeficiente de compresibilidad

La pendiente de la curva virgen del tramo de carga determina el índice de compresibilidad a v , mediante la siguiente expresión:


o Determine y registre el coeficiente de permeabilidad (k), mediante la siguiente ecuación:

o Por lo tanto C vm y e m, se determinan así:


Donde:

C v1 =Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la presión del punto e1.

C v2 =Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la presión del punto e2.

C vm =Media aritmética entre el coeficiente Cv 1 y Cv 2 .

E m =Media aritmética entre e1 y e2.

K=Coeficiente de permeabilidad en cm 2 / s.

Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos

Bibliografía:

I.N.V. E - 151 AASHTO T 216 ASTM D 2435 ICONTEC C 4.129

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