UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – E.A.P.: ING.HIDRAULICA

PRIMERA PRACTICA DE LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS II

ENSAYO DE CONSOLIDACION DE SUELOS

I. INTRODUCCIÓN

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.

El estudio de la relación existente entre los esfuerzos y las deformaciones, nos permitirá comprender con mayor detalle los efectos causados por los materiales utilizados en edificación sobre el suelo.

Se realiza sobre muestras inalteradas y para efecto de éste ensayo se utilizó una muestra extraída de la cercanía del campus universitario (área verde).

De los resultados obtenidos se realiza la gráfica de Tiempo vs Deformación, aquí se observa la variación de deformación conforme los esfuerzos aplicados al suelo se incrementan.

II. OBJETIVOS. Conocer a priori el comportamiento de los suelos compresibles

frente a la acción de cargas (curva e – log p´) Determinar el coeficiente de consolidación, comprensibilidad,

permeabilidad y módulo de elasticidad. Verificar los datos para luego aplicar las gráficas respectivas. Determinar el asentamiento total de la muestra

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III. MATERIALES Y EQUIPOS

1.

Consolidómetro o edómetro compuesto por: Una caja de bronce sellado que recibe un cilindro, ambos

equipados de piedras porosas, las que comprimen a la muestra del suelo.

Un anillo atornillador que sujeta el piston a la base del consolidómetro.

2. Dial con sensibilidad de 0.01mm3. Aparato de carga4. Balanza con sensibilidad de 0.01gr.5. Horno de secado controlado termostáticamente.6. Un cronometro.7. Espátula, platos de evaporación, escobillas.

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IV. MARCO TEÓRICO.

El ensayo de consolidación unidimensional de un suelo, es uniaxial y la probeta se mantiene sin ningún respaldo lateral mientras soporta la compresión vertical. Este ensayo es muy parecido al tradicional de un cilindro de hormigón, salvo que las probetas son muchas más pequeñas así como las cargas necesarias para romperlas. Se realiza corrientemente sobre una muestra inalterada de suelo con el contenido natural de humedad. Este ensayo se limita a suelos cohesivos, ya que los que no tiene cohesión (tal como la arena seca) no pueden permanecer sin algo que lo sostenga.

La carga se aplica por medio de una manivela de mano y una caja de engranaje de precisión. La velocidad de deformación se puede regular girando la manivela a la velocidad conveniente.

Consolidación de los suelos.

Cuando la compresión de una masa de suelo depende del tiempo, ésta se denomina consolidación. Al igual que todos los asentamientos del suelo, la consolidación es una deformación elasticoplástica que resulta en una permanente reducción de la relación de vacíos debido a un incremento de los esfuerzos. La diferencia esencial entre compresión ordinaria y asentamiento por consolidación es que ésta última depende del tiempo.

El proceso de consolidación en los suelos ocurre de tal forma que la posición relativa de las partículas no varía y únicamente existe un desplazamiento vertical de las mismas, a este fenómeno se lo conoce como Consolidación Unidimencional o Unidireccional, si bien en la realidad, esto no sucede exactamente, se puede considerar como tal, ya que los estratos de suelos son de gran extensión horizontal, en comparación con su espesor. En consecuencia, el volumen de la masa de suelo disminuye pero los desplazamientos horizontales de las partículas son nulos.

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Las características de consolidación de estratos de arcilla, pueden estudiarse y cuantificarse mediante ensayos de consolidación Unidireccional, llevadas a cavo en el laboratorio, sobre muestras cilíndricas achatadas (de mayor diámetro que altura), obtenidas tan inalteradamente como sea posible. En estas pruebas el fenómeno real de consolidación que usualmente tarda años en desarrollarse, es reproducido en tiempos relativamente muy cortos (4 días), pero en el que las constantes de consolidación son las mismas en ambos procesos.

Ensayo de Consolidación Unidimensional.

El ensayo se lleva a cabo sobre muestras cilíndricas de poca altura totalmente confinadas lateralmente por un anillo de bronce. En las bases superior e inferior se colocan piedras porosas de diámetro ligeramente menor al de la muestra. El conjunto se coloca en la llamada cazuela del consolidómetro. Por medio de un marco se carga se aplican deferentes cargas sobre la muestra que son repartidos en toda la sección (carga uniformemente repartidas). Mediante un extensómetro se registra la deformación que ocurre en la muestra.

Las cargas son aplicadas en ciclos, permitiendo que cada carga produzca en la muestra, toda la deformación posible antes de incrementarla. Se toman lecturas del extensómetro a diferentes tiempos con lo que se obtienen las curvas de Consolidación.

Curva de Consolidación.

Se dibuja a escala semilogarítmica, es decir, el tiempo de ensayo a escala logarítmica en el eje de abscisas y como ordenadas a escala natural, las lecturas del extensómetro. Se obtiene una curva por cada incremento de carga.

Consolidación Secundaria.

La consolidación ocurre, como ya se dijo, por la desaparición del agua intersticial libre, sin embargo, una vez evacuada el agua el suelo se sigue deformando debido al rompimiento de partículas sólidas a causa de la presión así como al reacomodo de las mismas. A esta última etapa

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del proceso de consolidación se la conoce como consolidación secundaria, y a la anterior, primaria.

Determinación de la Consolidación Primaria.

De suelo cohesivo e inalterado sometido a la prueba de compresión confinada en el consolidómetro generalmente demuestra curvas características asentamiento - vs - tiempo.

En esta gráfica puede distinguirse entre el primer tramo de consolidación primaria y el segundo tramo de consolidación secundaria. Sin embargo, no es tan fácil determinar exactamente el punto teórico de 100 de consolidación primaria. En el trazo semilogarítmica normalmente encontramos este punto en la zona en transición entre la parte inclinada de amplia curvatura y del tramo casi recto final. Coincide con esta deformación del 100% de consolidación el tiempo t100 transcurrido durante el ensayo. Por otro lado, con el 50% de consolidación primaria el tiempo t50. Se determina a partir de la curva de consolidación para cada incremento de carga.

O% de consolidación primaria

Debido a que la curva de consolidación inicialmente es una parábola, puede ubicarse gráficamente en el O% de consolidación primaria mediante el siguiente método:

Escoger un tiempo cualquiera tal que tenga notoriamente menos del 50% de consolidación, obteniendo el punto "b".

Ubicar el punto 'c' sobre la curva correspondiente a un cuarto de tiempo del punto "b" y determinar la ordenada "a".

Ubicar una posible posición del O% a una distancia "a" arriba del punto "c".

Repetir el proceso hasta obtener tres posibles ubicaciones, luego, asignar en definitiva a la posición intermedia de las tres.

100% de consolidación primaria

La consolidación secundaria se presenta en la curva correspondiente como un tramo sensiblemente recto y hacia el final de ella, por lo que

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podrá asignarse como el 100% de consolidación al punto obtenido como sigue:

Prolongar el tramo recto final de la curva. Trazar una recta tangente por el punto de inflexión de la

curva hasta cortar la recta anterior. El punto de intersección de las dos rectas tiene como abscisa el

tiempo en que alcanza el 100% de consolidación primaria en la muestra para el incremento de carga de que se trata.

Curva teórica de consolidación

Se define Grado de Consolidación "Uz(%)" del suelo a una profundidad "Z" y en un tiempo "t" a la relación entre la consolidación habida a esa profundidad y la total a producirse bajo el incremento de carga impuesto.

El grado de consolidación es función del llamado Factor Tiempo "T" que es una cantidad dimensional resultante de la solución de la ecuación diferencial de consolidación, definida como:

T= K (1+e )tAv .W H 2

Dónde:

T = Factor Tiempo dependiente Uz(%)

e = Relación de Vacíos inicial

Av = Coeficiente de Comprensibilidad

W = Peso Específico del agua (gr/cm2)

t = Tiempo necesario para alcanzar Uz(%)

H = Espesor Efectivo, depende de condiciones de drenado.

Parámetros de Consolidación

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Coeficiente de Comprensibilidad (Av).

Es un índice que se relaciona con la magnitud de asentamiento total que puede producirse bajo cierto incremento de carga. Matemáticamente es la pendiente de la curva de comprensibilidad en el punto de que se trate, es decir expresa la relación entre la diferencia en proporción de vacíos y la diferencia entre presiones.

Coeficiente de Consolidación (Cv).

Es un índice que se relaciona con el tiempo necesario para que el suelo alcance una determinada cantidad de consolidación. Es una relación teórica que expresa en forma simplificada la ecuación diferencial del proceso de consolidación, dada por la expresión:

Cv = 15 (H 2t 50

) (cm2/min).

Dónde:

H: Máxima trayectoria de agua (depende de las condiciones de drenado).

t50: Tiempo en minutos correspondiente al 50% de consolidación para el incremento de carga considerado.

Coeficiente de Variación Volumétrica (Mv).

Expresa la comprensibilidad del suelo relacionándolo con su volumen inicial.

Cv = Av(1+e )

(cm2/Kg) .

Dónde:

Av: Coeficiente de Comprensibilidad.

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e: Relación de Vacíos inicial en dicho incremento de carga.

Determinación del Coeficiente de Permeabilidad

Mediante la prueba de consolidación puede obtenerse el coeficiente de permeabilidad de suelos muy finos que resulta difícil y hasta imposible con permeámetros corrientes. Por existir una correlación entre la permeabilidad y el proceso de consolidación, el coeficiente de permeabilidad se calcula como:

K= Av .W H 25(1+em) t 50

Donde:

Av = Coeficiente de Comprensibilidad (cm2/seg) para cierto incremento de carga.

H = Máxima trayectoria de agua (cm) teniendo en cuenta las deformaciones anteriores.

W = Peso Específico del agua.

em = Relación de vacíos medio para el incremento de carga.

t50 = Tiempo del t50 de consolidación primaria para el incremento de carga.

Módulo de elasticidad.

Por medio del proceso de consolidación también puede obtenerse el módulo de elasticidad de un suelo que es un requisito indispensable para los cálculos de asentamiento de estructuras.

E= Ph /h0

= P2−P1(h2−h1)/h0

(Kg /cm2)

O sea, la diferencia de presiones (según incremento de carga) dividida entre las diferencia de las deformaciones unitarias (para el mismo incremento de carga).

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Asentamiento Total Primario.

El asentamiento total primario de suelo en función del tiempo, puede calcularse usando los parámetros de consolidación tal como sigue:

St=H .Uz()100

V. PROCEDIMIENTO

a) Preparación de la muestra.

se prepara las piedras porosas lavando y escobillando cada una de ellas, para posteriormente saturarlas con agua.

Con el anillo metálico previamente pesado y medido el diámetro y su altura, se obtiene una muestra inalterada orientada en la misma dirección y de la profundidad del estrato en estudio.

Con la espátula alisar cuidadosamente las

caras de la muestra

Determinamos su contenido de humedad inicial:

Tomamos una porción del material a estudiar para el estudio respectivo

Se pesan taras. Colocamos muestra humedad en las taras antes de

colocarlo al horno lo pesamos Luego de estar la muestra en el horno a 110 grado

durante 24 horas se extrae para pesar y realizar los cálculos respectivos.

La densidad natural.

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El peso específico.

Con una porción de muestra seca y con la ayuda de la bomba de vacíos se realiza los cálculos respectivos de peso específicos.

Colocamos cuidadosamente el anillo con la muestra en el consolidometro que ya está equipado con una piedra porosa.

Colocamos la otra piedra porosa sobre la muestra. Colocamos el anillo atornillador y ajustar colocamos la

placa de distribución de carga sobre la piedra porosa.

b) Compresión de la muestra:

Colocamos el consolido metro en el equipo de consolidación.

Colocamos en ceros la escala de precisión.

Giramos el tornillo hasta hacer contacto con la placa de distribución de cargas.

Colocamos el dial en el porta dial y hacemos que tenga un simple contacto con el tornillo de cargas y ajustamos la lectura hasta ceros.

Aplicamos el primer incremento de cargas (0.25kg/cm2)y tomamos las lecturas en el dial en los siguientes tiempos: 0”, 15”,30”, 1’, 2’, 4’, 8’, 15’, 30’, 1hs,2hs, 4hs, 8hs, 24hs. O si en necesario hasta que no exista cambios volumétricos o aproximadamente hasta alcanzar el 90% de consolidación.

Es recomendable en suelos arcillosos el incremento de cargas cada 24hs, aun cuando a veces las arcillas necesiten bastante tiempo de diferencia para realizar el incremento de cargas.

Cumplido el incremento de cargas se incrementa esta al nuevo valor, luego de tomar las lecturas respectivas del

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dial en los tiempos ya mencionados.

Tratamos de conocer el hinchamiento mediante la descarga.

Terminado el proceso de descarga se saca la muestra del consolidómetro, se seca se pesa y se coloca al horno durante 24 hs y luego determinamos el peso seco de la muestra.

Determinamos la humedad final de la muestra.

Con los datos obtenidos, se deberá dibujar las curvas de consolidación, curva de compresibilidad curva de variación de cv50.

VI. CALCULOS Y RESULTADOS

Una vez obtenida la muestra, procederemos a calcular sus respectivas propiedades físicas de dicho suelo.

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VII. CONCLUSIONES Se determinó que el ensayo resulto exitoso aunque con

errores que hicieron corregir el ensayo para obtener datos más exactos y se ajusten a los resultados convencionales.

Se reconocieron los materiales y equipo usado en el ensayo de consolidación, y se permitió valorar la importancia que tienen los mismos.

se reconoció la determinación de la consolidación y la lectura de datos en el consolidómetro

VIII. RECOMENDACIONES

Una forma de obtener óptimos resultados de éste ensayo, sería si los responsables del mismo consideren las siguientes recomendaciones:

1. Obtener una muestra bien enrasada, evitar la presencia de vacíos y dar una completa área de contacto entre la muestra de suelo y la placa de aplicación de carga.

2. Colocar la muestra en forma correcta es decir mantener una verticalidad que permita un buen resultado.

3. Realizar las medidas lo más exactamente posible para evitar errores al hacer la gráfica TIEMPO - DEFORMACION.

4. Conservar la muestra inalterada en un lugar adecuado para que no sufra alteraciones.

5. Realizar un buen pesado y medida del anillo.

IX. BIBLIOGRAFIA

LAMBE, William - WHITMAN, Robert. "MECANICA DE SUELOS". Editorial Limusa, Tercera Reimpresión, Méjico, 1979.

JUAREZ BADILLO, Eulalio - RICO RODRIGUEZ, Alfonso. "MECANICA DE SUELOS". Editorial Limusa, Tercera Edición, Méjico, 1982.

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BRAJA M. DAS Fundamentos de Geotecnia.

X. ANEXOS

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