MECAANICA DE SUELOS II 1

DOCENTE: ING. S.

ENSAYO DE CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS II

ALUMNO: TINTAYA HUISA LUIS A.

AREQUIPA - 2013

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DOCENTE: ING. S.

1. INTRODUCCION

El ensayo de consolidación, también llamado ensayo de compresión confinada, esde 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 D-2435.

2. OBJETIVOS

Al terminar este trabajo en el laboratorio el alumno será capaz de:

Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar

el ensayo de consolidación, aprendiendo las características de cada uno, y los

cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia.

Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en una tabla ordenada diseñada

especialmente para este ensayo.

Interpretar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de

manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.

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.

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3. MARCO TEORICO

COMPRENSIBILIDAD DE ESTRATOS CONFINADOS

No es fácil estudiar el caso general de compresión, pero cuando se considera la

compresión en una sola dirección el análisis es más sencillo. Un estrato de suelo puede

cargarse por la aplicación de una presión sobre su superficie, como puede ser

naturalmente por sedimentación sucesiva en las capas superiores, o artificialmente por

el emplazamiento de terraplenes, estructuras o fundaciones.

Cuando un estrato de gran área en comparación con su espesor se carga uniformemente,

todos los elementos de suelo a cada profundidad se encuentran confinados por los

elementos adyacentes que están bajo el mismo estado de carga. De esta forma, se

mantiene la posición relativa de las partículas sólidas ubicadas sobre un mismo plano

horizontal y el movimiento de las mismas sólo puede ocurrir en dirección vertical. El

hecho de que los desplazamientos horizontales de la arcilla sean o no nulos depende de

varios factores. Si el estrato de arcilla es relativamente delgado y está confinado entre

estratos de arena, grava o materiales más rígidos, o si el estrato de arcilla aun siendo

grueso, contiene gran cantidad de capas delgadas de arena, ocurre que la deformación

lateral de la arcilla se restringe tanto que puede despreciarse en comparación a los

desplazamientos verticales.

Al ocurrir la compresión de un suelo, como se explicó anteriormente, tiene lugar un

escape de agua de los poros. Este escape se produce de acuerdo a la ley de Darcy. Si el

suelo tiene bajo coeficiente de permeabilidad, se requerirá un largo tiempo para que se

desarrolle completamente el fenómeno descrito. El proceso gradual que involucra una

disminución de volumen y un escape del agua, provocado por un aumento de presión

efectiva sobre el suelo y que tiene lugar a lo largo de un cierto lapso, se denomina

consolidación. Cuando se aplica una carga a un suelo se produce un incremento de las

presiones totales en el mismo. Si el suelo se encuentra saturado, inicialmente este

incremento es absorbido por el agua intersticial, y luego va transmitiéndose

gradualmente al esqueleto del suelo a medida que el agua sale de los poros. Se

denomina consolidación primaria al proceso de cambio de volumen dependiente del

tiempo que tiene lugar con la expulsión de agua de los vacíos, disipándose la presión de

poro e incrementándose la presión efectiva del suelo. En cambio, se denomina

consolidación secundaria al proceso de cambio de volumen dependiente del tiempo que

ocurre luego de la consolidación primaria y tiene lugar esencialmente a presión efectiva

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constante. La consolidación secundaria es un fenómeno de flujo viscoso. El efecto se

atribuye hoy, generalmente, al deslizamiento progresivo diferido en el tiempo, entre las

partículas del material que se reacomodan, tendiendo a estados más compactos, para

adaptarse a la nueva condición de carga.

TEORIA DE LA CONSOLICADION

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 semi abierto. El espesor de los estratos

semi abiertos 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 (ver figura de la página siguiente), 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.

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.

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MATERIALES USANDO EN LABORATORIO

• Aparato de carga: con una precisión de 0.5% de la carga aplicada.• Cajas de consolidación.• Piedras porosas.• Anillo cortante cilíndrico con altura de 2.54 cm y el diámetro de 6.35 cm.• Deformimetro con una sensibilidad de 0.01 mm.• Balanza.• Horno.

METODOS QUE USAMOS EN EL LABOTORIO PARA EL ENSAYO DE

CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL

OBTENCION Y PREPARACION DE LA MUESTRA.

Se extrae muestra del suelo lo mas 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.

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.

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PREPARACION DE LA PROBETA.

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.

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.

Antes del proceso de moldeo o tallado, se extraen porciones del suelo de la muestra

para determinar el contenido de humedad exacto.

Una vez colocado el espécimen dentro del anillo, se determina el peso húmedo de

la muestra más el equipo.

PROCEDIMIENTO.

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.

Se ajusta el contrapeso del sistema de transmisión de cargas de manera que el brazo

del mismo estuviese en equilibrio.

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.

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.

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.

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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

flexímetro.

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.

Se dibuja la curva de consolidación en escala semilogarítmica.

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.

Después de finalizado el ensayo, se desarma el equipo y se pesa la muestra para el

cálculo del contenido de humedad.

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FOTOS “ TEORIA EXPLICATEIVA SOBRE EL ENSAYO”

“MATERIALES”

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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.