INFORME N°2: CONSOLIDACIÓN Y PERMEABILIDAD DE UN SUELO

DOCENTEING.

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MECÁNICA DE SUELOS BOGOTÁ28-04-2014

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TABLA DE CONTENIDO

1. Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN 4

OBJETIVO 5-6

MARCO TEÓRICO 7-10

EQUIPOS 11-12

PROCEDIMIENTO 13-14

CÁLCULOS 15-31

CONCLUSIONES 32

BIBLIOGRÁFIA 33

LISTA DE TABLAS

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NÚMERO DE TABLAS TABLATabla 1.Tabla 2.Tabla 3Tabla 4.Tabla 5.Tabla 6.Tabla 7.Tabla 8.Tabla 9.Tabla 10.Tabla 11.Tabla 12.Tabla 13.Tabla 14.Tabla 15.Tabla 16.

Grado de Permeabilidad según Coeficiente kTipo de Suelo y Tipo de Drenaje según Coeficiente k

Tipo de Suelo según Coeficiente kHumedad Natural de las Muestras.

Datos Tomados en Laboratorio para el Cálculo de Gravedad EspecíficaDatos De Relación De Fase Y Gravimétricas.

Datos De Relación De Fase Y Gravimétricas Corregidos.Datos Toma de Muestra de Consolidación.

Asentamiento Primario y SecundarioDatos Para Cálculo de Coeficiente de Consolidación

Datos de Deformación Diales, Consolidación Inicial, Total y Porcentaje de CITabla de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e.

Datos Iniciales de Permeabilidad de Cabeza Constante.Datos Finales de Permeabilidad de Cabeza ConstanteDatos Iniciales de Permeabilidad de Cabeza Variable.Datos Finales de Permeabilidad de Cabeza Variable.

LISTA DE GRÁFICAS

NÚMERO DE GRÁFICA. GRÁFICAGráfica 1.Gráfica 2.Gráfica 3.Gráfica 4.Gráfica 5.Gráfica 6.Gráfica 7.Gráfica 8.

σ 1.25KPa / Brazo (0,402) (05-04/14).σ 2.5KPa / Brazo (0,402) (05-04/14).

σ 5.0KPa / Brazo (1,602)(07-04/14).σ 10.0KPa / Brazo (3,2)(07-04/14).σ 20.0KPa / Brazo (3,2)(07-04/14).

Presión Vs. Asentamiento Primario.Gráfica de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e.Gráfica de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e, con

ángulo de corte.

1. INTRODUCCION

El presente laboratorio se realizo con el objetivo de mirar como la consolidación mecánica o artificial de un suelo produce deformación o asentamientos en el proceso del aumento del esfuerzo efectivo y la disminución de presión de poros. Además se diferencia

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los tipos de consolidación en inicial, primaria y secundaria según su tipo de esfuerzo que se provoca sobre la fracción de suelo. En este laboratorio se usan dos muestras porosas y una muestra de suelo entre ambas, además del consolidímetro. Además de la identificación de la permeabilidad de suelo de acuerdo a dos condiciones según el tipo de material, las cuales corresponden a la permeabilidad de cabeza constante para arcillas cuyo flujo es mínimo o con una relatividad aproximadamente igual entre intervalos de tiempo, y la permeabilidad de cabeza variable para arenas por su alta velocidad de salida de los poros o los espacios vacíos del suelo, lo cual permite definir su grado de saturación.

La Consolidación de un suelo en sí da el asentamiento que un suelo puede llegar a tener, de acuerdo a unas propiedades Mecánicas específicas del suelo como el esfuerzo efectivo que puede aumentar a medida que se va disminuyendo la sección de espacios vacíos en el suelo o el esfuerzo en los poros, de esta forma permite considerar las relaciones de fases del suelo de acuerdo a la interacción que existe entre el espacios de vacíos y el de sólidos a nivel de masa y volumen, también correlacionar los sistemas de identificación del suelo como la permeabilidad que es factor implícito de esta consolidación y la relación de poros que existe en una muestra. En el siguiente informe daremos a conocer la prueba de consolidación de una muestra de suelo arcillosa, esta pruebas se llevara a cabo mediante las normas INV-E 151 del 2007 y la Permeabilidad de muestras arcillosas y arenosas con laboratorio de experiencia de cabeza constante y cabeza variable respectivamente según normas INV-E 130 del 2007, las Pruebas que se desarrollaran a continuación tienen el objetivo de caracterizar muestras de un Suelo según sus propiedades a la consolidación y permeabilidad que presenten.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL:

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Determinar los esfuerzos cortantes y normales, y de consolidación, además de la permeabilidad de Cabeza Constante y Variable, causados a las dos pruebas con variación de tiempo, basados en las normas INV E 151 e INV E 130 del 2007, relacionando ambos factores según los factores característicos del suelo.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Consolidación:

Determinar cómo parámetro inicial la Humedad, la Gravedad Específica, el Área,

el Volumen y Propiedades Intrínsecas como la Densidad de la muestra, y las

Relaciones de Fase y Gravimétricas posible a partir de esta experimentación de

una muestra de suelo arcillosa.

Determinar, la consolidación y su respectiva gráfica para la identificación de

propiedades mecánicas del suelo como el esfuerzo efectivo dial a partir de la raíz

del tiempo.

Diferenciar el asentamiento primario para cada uno de los esfuerzos y

correlacionar entre los diferentes coeficientes de consolidación dados para cada

uno de estos.

Graficar el esfuerzo efectivo o la deformación versus el coeficiente de

consolidación y la relación de vacios.

Permeabilidad:

Calcular la Permeabilidad en función de la velocidad de flujo en cm/seg. Para

determinar el tipo de suelo que se trabaja, y en función del Caudal y las

velocidades de flujo.

Diferenciar matemáticamente y experimentalmente entre los dos tipos de

permeabilidad dados en el laboratorio, entre cabeza constante y cabeza variable

para deducir el tipo de suelo que se da en cada caso dado.

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3. MARCO TEÓRICO

CONSOLIDACION

En el momento en el cual un estrato de suelo saturado se encuentra sometido a incrementos de esfuerzos, la presión de poros de este estrato aumentará repentinamente.

Esto se debe principalmente a que el drenaje del agua de los poros va acompañado por una reducción en el volumen de la masa de suelo, generando de esta manera un asentamiento.

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Como consecuencia del rápido drenaje del agua de los poros en los suelos arenosos, el asentamiento inmediato y la consolidación se presentan simultáneamente. Pero en el caso de los suelos arcillosos, que tienen baja permeabilidad, esto no sucede de manera simultánea.

En la consolidación, se presenta un incremento del esfuerzo, el cual es provocado debido a la construcción de cimentaciones, o a la aplicación de cargas que causan que se compriman los estratos de suelo.

La compresión en el suelo, es causada principalmente por tres factores:

Deformación de las partículas. Reacomodo de las partículas. Expulsión de agua o aire de los espacios vacíos.

El asentamiento se divide en tres categorías:

Asentamiento inmediato: Es aquel que es provocado por la deformación elástica del suelo seco y de suelos húmedos, sin ningún cambio en el contenido de agua. Los cálculos se basan en la teoría de la elasticidad, y el principal parámetro en que se fundamenta este tipo de asentamiento es en la reducción y compresión de los espacios del aire contenido en los vacíos del suelo.

Asentamiento por consolidación primaria: Es el resultado de un cambio de volumen en suelos saturados cohesivos debido a la expulsión de agua que ocupan los espacios vacíos.

Asentamiento por consolidación secundaria: Es aquella que se observa principalmente en suelos saturados cohesivos, y es el resultado del ajuste plástico de la estructura del suelo. Este sigue al asentamiento por consolidación primaria bajo un esfuerzo efectivo constante. Se da sobre la misma masa de sólidos del suelo.

En la consolidación se considera que los estratos depositados tienen gran extensión horizontal, en comparación con su espesor. Para la consolidación unidimensional o unidireccional, el volumen de la masa de suelo disminuye, pero los desplazamientos horizontales de las partículas sólidas son nulos.

El que los desplazamientos horizontales de las arcillas sean o no esencialmente nulos, dependerá si el estrato de arcilla es relativamente delgado y si está confinado entre estrato de arena o grava o de 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.El ensayo de consolidación se aplica únicamente para materiales de suelo arcillosos, limo-arcillosos, areno-arcillosos y Rocas. Para materiales arcillosos se satura la muestra, dejándola en agua durante unas 12 horas

PERMEABILIDAD:

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Es la propiedad de un suelo de dejar infiltrar o transmitir el agua y el aire a través de los poros de este.

En los suelos arenosos, que son altamente permeables, el drenaje causado por el incremento en la presión de poro del agua, se lleva a cabo inmediatamente, es a lo que llamamos a la identificación en el laboratorio de permeabilidad como de cabeza variable, mientras en los Suelos arcillosos la reducción de agua es decir la presión de poros es más pequeña y se va opacando más a medida que avanzamos en la sección determinada, es decir en el laboratorio a este factor de permeabilidad se conoce como cabeza constante.

Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales.

Los suelos se componen de capas y para evitar que se infiltre el agua debe procurarse que la capa del fondo sea lo menos permeable posible, si no debe construirse con un suelo añadido que sea impermeable al agua como en caso de los diques del estanque.

Las fisuras o grietas y los huecos o cárcavas son los principales factores que limita la impermeabilidad de un suelo. Las observaciones sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables como la roca madre y la roca arcillosa son las principales propiedades que caracterizan una muestra del suelo.

Los diferentes horizontes o capas del suelo son las que determinan la permeabilidad del suelo y debe evaluarse por separados.

El tamaño de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de filtración (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolación (movimiento del agua a través del suelo). El tamaño y el número de los poros guardan estrecha relación con la textura y la estructura del suelo y también influyen en su permeabilidad.

Mientras más fina sea la textura del suelo menor será su permeabilidad y para suelos arenosos mayor será su permeabilidad.

Medición de la Permeabilidad:

La Permeabilidad se calcula en función de la velocidad de flujo y el caudal que se evalúa en un punto y tiempo determinado según el nivel de porosidad que se tenga en cada punto de evaluación del sistema. Se expresa en unidades de longitud sobre unidad de tiempo.

Clasificación de los suelos según su coeficiente de permeabilidad

Grado de permeabilidad Valor de k (cm/s)

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Elevada Superior a 10 -1

Media 10 -1 a 10 -3

Baja 10 -3 a 10 -5

Muy baja 10 -5 a 10 -7

Prácticamente impermeable Menor de 10 -7

Tabla 1. Grado de Permeabilidad según Coeficiente k

He aquí dos tablas con unos datos de clasificación del suelo según el coeficiente de permeabilidad (k ¿, que contiene drenaje y valores típicos de conductividad hidráulica para tipos de suelos.

Tabla 2. Tipo de Suelo y Tipo de Drenaje según Coeficiente k

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Tabla 3. Tipo de Suelo según Coeficiente k

4. EQUIPOS

4.1. CONSOLIDACIÓN:

- Muestra del Suelo Grisácea Con impurezas de óxido.- Cámara de Consolidación, o Consolidómetro: Un dispositivo para mantener la muestra

dentro de un anillo el cual puede estar fijado a la base o puede ser flotante (sostenido por fricción sobre la periferia de la muestra) con piedras porosas sobre cada cara de la muestra. El Consolidómetro deberá proporcionar también medios para sumergir la muestra, aplicar la carga vertical, y medir el cambio de espesor de la misma (véase Figura No.1). (Mordaza. – Anillo. – Tornillos de giración.) (El anillo con la muestra debe ir en la parte de Corte Hacia Arriba del Consolidómetro. Se pone después la mordaza y se sujetan con los tornillo De giración)

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Figura No.1. Detalles del montaje de un ensayo de consolidación típico.

- Deformímetro vertical.- Cronometro.- Piedras porosas.- Piezómetro.- Pesas.- Horno.- Balanza.

4.2. PERMEABILIDAD:

- Bureta.- Recipiente: Rebose de Agua.- Embudo.- Tubo de Plástico.- Unión Universal.- Cámara de Permeabilidad: “Está formada por un cilindro rígido, construido de vidrio o

de metal no corrosible, de diámetro interior de 12.7 mm ± 0.10 mm. El interior de la cámara tendrá un acabado de 0.81 µm. La parte superior de la cámara está dispuesta en ángulo recto con respecto al eje de la misma. La parte inferior de la cámara ajusta

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herméticamente con la parte superior del manómetro. En el interior de la cámara y a 50 mm ± 15 mm de la parte superior, se hace un reborde de 0.5 mm a 1 mm, de ancho para soportar un disco metálico perforado. La parte superior de la cámara de permeabilidad se encajará con un collar sobresaliente para facilitar la remoción de la cámara del manómetro.” del Instituto Nacional de Vías. Norma INVIAS E 302 – 2.

5. PROCEDIMIENTOS5.1. CONSOLIDACIO:

1. Tomar una parte de la muestra a ensayar, pesar en estado húmedo, llevar al horno por 24 horas y pesar en estado seco. (“DETERMINACIÓN EN LABORATORIO DEL CONTENIDO DE AGUA (HUMEDAD) DEL SUELO…”) según NORMA INV 122 del 2007.

2. Realizar el experimento de DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SUELOS Y DEL LLENANTE MINERAL”, según NORMA INV 128 del 2007

3. Tomar las medidas de Masa y Diámetro de la muestra dentro del anillo y del anillo solo para calcular las relaciones de Fase y Gravimétricas, Teniendo la Gravedad Específica y la Humedad Relativa, y los Volúmenes Totales y Masa Totales.*Para la realización del ensayo de consolidación, lo primero que realizamos, fue:

1. Buscar previamente la muestra de arcilla inalterada. Para materiales arcillosos se satura la muestra, dejándola en agua durante unas 12 horas

2. Moldear posteriormente, la muestra de acuerdo con el interior del diámetro del consolidómetro, se forzó directamente dentro del mismo, y se emparejo con la superficie plana del anillo (Tomar Tres Muestras del mismo suelo, y realizar el laboratorio). La muestra se debió ajustar arriba y abajo con unas piedras porosas saturadas en la base del consolidómetro, se midieron sus dimensiones, Se colocó el consolidómetro en el aparato de carga.

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3. Permitir la compresión inicial de la muestra, y la toma de las diferentes cargas de deformación (diales) para realizar la gráfica de Taylor, y con este determinar el coeficiente de consolidación.

4. Aplicar, durante la prueba una serie de incrementos crecientes de carga y por efectos de estos el agua tendió a salir del espécimen a través de las piedras porosas colocadas en sus caras. Para cada incremento de carga aplicado se medían los cambios volumétricos, siempre usando intervalos apropiados para efectuar las mediciones.

5. Mantener el tiempo suficiente en cada incremento de carga, para que el tramo recto de consolidación secundaria se definiera claramente; después de lo cual se procedía a aplicar el siguiente incremento.

6. Tomar lecturas, con la ayuda del cronómetro cada 4 seg., 15 seg., 34 seg., 1 min, 1:34 min, 2:15 min, 3:04 min, 4:00 min, 6:15 min, 9:00 min, 12:15 min, 16:00 min, 25:00 min, 36:00 min, 45:00 min, 60:00 min (1 hora), 120 min (2 horas), 240 min (4 horas) y 480 min (8 horas)..

5.2. PERMEABILIDAD:

5.2.1. De cabeza constante:

- Conectar los elementos o materiales que se utilizan para el hallazgo de la permeabilidad de cabeza constante que son el Recipiente del Rebose de Agua, El Embudo, el Tubo de Plástico, la Cámara de Permeabilidad para el caso de suelos arcillosos.

- Dejar que el flujo comience y tomar medidas de flujo de entre 20 segundos y 60 segundos.

- Hallar los cálculos de permeabilidad con el flujo de líquido que recorre, de acuerdo con los datos arrojados y las fórmulas de la Norma INV-130, “PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CABEZA CONSTANTE)”.

5.2.2. De cabeza variable:

- Conectar los elementos o materiales que se utilizan para el hallazgo de la permeabilidad de cabeza variable que son la bureta, el Recipiente del Rebose de Agua, El Embudo, el Tubo de Plástico, la Cámara de Permeabilidad para el caso de suelos arenosos.

- Dejar que el flujo comience a descender a través de la bureta. y tomar medidas de flujo de entre 123,5 cm. hasta 57,5 cm, pasando por 97,5 cm. y 77,5 cm. Tomando medidas de caudal y tiempo.

- Calcular la permeabilidad en función del caudal, con las fórmulas que aparecen en la norma ASTM D 2434-68-2000.

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6. CÁLCULOS

6.1. DATOS DE RELACIÓN DE FASE Y GRAVIMÉTRICAS:

6.1.1. Contenido de Humedad del suelo:

1. Tomar medidas del recipiente donde se coloca la porción de suelo en un recipiente de molde para masa unitaria.

2. Pesar el Recipiente más la muestra de suelo húmeda.3. Colocar en el Horno para secado de materiales a 110+/-5°C., durante 16 horas, y se deja

enfriar.4. Tomar el peso de cada recipiente junto al Material Seco.

Se tiene la siguiente ecuación para el porcentaje de Humedad del Agregado Fino y Grueso, según norma INV-122-07:

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ω= P1−P2P 2−P3

∗100 %

, Siendo

ω =Humedad del Agregado

P1 (gr.) = Masa del recipiente + Suelo Húmedo.

P2 (gr.) = Masa del Recipiente + Suelo Seco

P3 (gr.) = Masa del Recipiente.

Se obtuvo que:

Humedad Natural (ωn)

MUESTRAHUMEDAD INICIAL

HUMEDAD FINAL

P1 (gr.) 60,9 53,1

P2 (gr.) 45,4

P3 (gr.) 26,8 19,3

ωn 0,83

%ωn 83,33Tabla 4. Humedad Natural de las Muestras.

6.1.2. Gravedad Específica De Los Suelos:

Para calcular la gravedad específica de los Suelos según Norma INVÍAS E – 128 del 2007, se procede de la siguiente forma:

Las siguientes cantidades se obtienen por pesada directa en laboratorio:Masa del

Picnómetro + Agua (gr.)

Masa del Suelo Seco

(g)

Masa del Picnómetro + Agua + Suelo (g)

94,34 g 19,18 gr. 105,51 grTabla 5. Datos Tomados en Laboratorio para el Cálculo de Gravedad Específica

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, y se aplica la siguiente fórmula:

Gs20 ° C=Ws∗K

Ws+Wb−Wa

La gravedad específica de los sólidos se calcula con tres decimales, mediante la siguiente fórmula:Donde:K = factor de corrección basado en la densidad del agua a 19°C , para expresar la gravedad específica a 19°C, K=(dwTx/dw20 °C)= 1,0002.Wa = Masa del picnómetro más agua a la temperatura del ensayo de gravedad específica (tx), en gramos = 94,34 gr.Ws = masa del suelo seco (g) =19,18 gr.Wb = masa del picnómetro + agua + suelo (g), a la temperatura de ensayo = 105,51 gr.

Gs19 °C=19,18 gr .∗1,0002

19,18 gr .+105,51 gr .−94,34 gr .

Gs19 ° C=19,81 gr .∗1,0002

19,18 gr .+105,51 gr .−94,34 gr .

Gs19 °C=19,813962 gr

30,35 gr .

Gs19 °C=0,632

6.1.3. Datos De Relación De Fase Y Gravimétricas:

Para estos datos se colocó información de laboratorio o en fase experimental (subrayada en amarillo), se colocó de igual forma datos dados en los cálculos anteriores como la ωn y el Gs (El cual se asumió porque era demasiado inferior), (subrayadas en azul) y los datos hallados por los cálculos con los mismos datos de la tabla en las ecuaciones que se muestran debajo de la tabla (subrayados de color rojo), de la siguiente manera:

Unidad/Muestras Muestra 1

Muestra 2 Muestra 3

W (g.) Anillo 72,20 74,60 58,00Ø (cm.) 6,36 6,30 5,05

Área (cm2) 31,77 31,17 20,03H (cm) 2,00 2,00 2,01

V (cm3) 63,54 62,34 40,26

W(g) Anillo+ Suelo Húmedo 165,5 164,8 116,3

Vt (cm3) 63,54 62,34 40,26Wt (g) 93,30 90,20 58,30ɣt (g/cm3) 1,468 1,447 1,448

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Wn 0,833 0,833 0,833Ws (g) 50,89 49,20 31,80Ww(g) 42,41 41,00 26,50ɣd (g/cm3) 0,801 0,789 0,790Gs Asumida 0,6 0,6 0,6Vs (cm3) 84,82 82 53,00Vw (cm3) 42,41 41 26,50Va (cm3) -33,927 -32,8 -21,20Vv (cm3) 8,48 8,20 5,30n 0,133 0,132 0,132e 0,1 0,1 0,1s 5,000 5,000 5,000ɣsat (g/cm3) 1,468 1,447 1,448ɣb (g/cm3) 0,468 0,447 0,448

Tabla 6. Datos De Relación De Fase Y Gravimétricas.

Estos cálculos se realizaron con las siguientes ecuaciones:

Á rea (cm2 )= π∗(Ø (cm .))2

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Vt (cm3 )=Á rea ( cm2 )∗H (cm)

Wt (gr )=(W ( g ) Anillo+Suelo H úmedo )−(W (g . ) Anillo)

ɣ t ( gcm3 )= Wt (g )

Vt ( gcm 3 )

Ws (g )= Wt (g)(ω n+1)

Ww ( g )=Wt ( g )−Ws ( g )

ɣ d( gcm3 )= Ws ( g )

Vt ( gcm3 )

Vs (cm3 )= Ws(gr )

Gsasumida∗ɣ w (1 gcm 3 )

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Vw (cm3 )=Ww ( g )

Va (cm3 )=Vt (cm3 )−(Vs (cm3 )+Vw (cm3 ))

Vv ( cm3 )=Vw (cm3 )+Va (cm3 )

n=Vv (cm3 )Vt ( cm3 )

e=Vv ( cm3 )Vs ( cm3 )

s=Vw (cm3 )Vv ( cm3 )

ɣ sat ( gcm3 )=Ws ( g )+Ww (g )

Vt ( gcm3 )

ɣ b=sumergido( gcm 3 )=ɣ sat ( g

cm3 )−ɣ H 2 O( gcm 3 )

*De acuerdo a la gravedad específica que nos dio se puede decir que los datos tomados en laboratorio no son los más adecuados, y presentan un error relativamente elevado. Por lo cual se utilizo una Gravedad Específica de 2,391, que fue la calculada por el laboratorista de tal forma que variaban los datos y reflejaban una coherencia más aproximada con respecto a la humedad y los volúmenes dados, de la siguiente manera:

6.1.3. Datos De Relación De Fase Y Gravimétricas Corregidos:

Para estos datos se colocó información de laboratorio o en fase experimental (subrayada en amarillo), se colocó de igual forma datos dados en los cálculos anteriores como la ωn y el Gs (El cual se asumió porque era demasiado inferior), (subrayadas en azul) y los datos hallados por los cálculos con los mismos datos de la tabla en las ecuaciones que se muestran debajo de la tabla (subrayados de color rojo).

Muestras / Unidad Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

W (g.) Anillo 72,20 74,60 58,00Ø (cm.) 6,36 6,30 5,05

Área (cm2) 31,77 31,17 20,03H (cm) 2,00 2,00 2,01

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Vt (cm3) 63,54 62,34 40,26

W(g) Anillo+ Suelo Húmedo 165,5 164,8 116,3

Vt (cm3) 63,54 62,34 40,26Wt (g) 93,30 90,20 58,30ɣt (g/cm3) 1,468 1,447 1,448Wn 0,833 0,833 0,833Ws (g) 50,89 49,20 31,80Ww(g) 42,41 41,00 26,50ɣd (g/cm3) 0,801 0,789 0,790Gs Asumida 2,391 2,391 2,391Vs (cm3) 21,28 20,58 13,30Vw (cm3) 42,41 41 26,50Va (cm3) -0,155 0,768 0,460Vv (cm3) 42,25 41,77 26,96n 0,665 0,670 0,670e 1,9852 2,02981 2,027061s 1,004 0,982 0,983ɣsat (g/cm3) 1,468 1,447 1,448ɣb (g/cm3) 0,468 0,447 0,448Tabla 7. Datos De Relación De Fase Y Gravimétricas Corregidos.

6.2. DATOS DE CONSOLIDACION

Raíz de Tiempo Vs. Deformación Dial

T (min)

T (seg)

T (seg)Tiempo (min)

√Tiempo (min1/2)

σ 12,5KPa / Brazo (0,402)

(05-04/14)

σ 25 KPa / Brazo

(0,806)(07-04/14)

σ 50 KPa / Brazo

(1,602)(07-04/14)

σ 100 KPa / Brazo (3,2)(07-04/14)

σ 200 KPa / Brazo (3,2)(07-04/14)

0 0 0 0,00 0,00 0 21 33,7 64,3 138,9

0 4 4 0,07 0,26 6 24 38 81 146

0 15 15 0,25 0,50 8 25 40 83,9 151

0 34 34 0,57 0,75 9 26 42 86 156

1 0 60 1,00 1,00 10 26,7 43,9 88,5 160

1 34 94 1,57 1,25 11 27,5 45,5 91 164,5

2 15 135 2,25 1,50 11,5 28 47,1 94 169

3 4 184 3,07 1,75 12 28,5 48,9 97 173

4 0 240 4,00 2,00 12,5 29 50 99 173,5

6 15 375 6,25 2,50 13,5 30 53 103 185,8

19

9 0 540 9,00 3,00 16 30,7 55 108 193,5

12 15 735 12,25 3,50 18 31,2 57 112,1 199,9

16 0 960 16,00 4,00 19,2 31,9 58,5 115,2 205,2

25 0 1500 25,00 5,00 20,4 32,4 60,9 120,5 213,5

36 0 2160 36,00 6,00 21 33 62,1 123,7 218,9

45 0 2700 45,00 6,71 33,3 63 125,3 222

60 0 3600 60,00 7,75 33,7 64,3 127,1

120 0 7200 120,00 10,95 130

240 0 14400 240,00 15,49

480 0 28800 480,00 21,91

Tabla 8. Datos Toma de Muestra de Consolidación.

6.2.1. Gráficas de Consolidación:

- σ 12,5 KPa / Brazo (0,402) (05-04/14):

Gráfica 1. - σ 1.25KPa / Brazo (0,402) (05-04/14).

- σ 25 KPa / Brazo (0,806)(07-04/14):

20

Gráfica 2. - σ 2.5KPa / Brazo (0,402) (05-04/14).

- σ 50 KPa / Brazo (1,602)(07-04/14):

Gráfica 3. - σ 5.0KPa / Brazo (1,602)(07-04/14).

- σ 100 KPa / Brazo (3,2)(07-04/14):

21

Gráfica 4. - σ 10.0KPa / Brazo (3,2)(07-04/14).

- σ 200 KPa / Brazo (6,4)(07-04/14):

Gráfica 5. – σ 20.0KPa / Brazo (3,2)(07-04/14)

TABLA DE ASENTAMIENTO DE ACUERDO A GRÁFICASPRESIÓN (Kpa)

ASENTAMIENTO PRIMARIO

CORRECCION (ASENTAMIENTO

22

SECUNDARIO)1,25 42 44,1

2,5 45 47,25

5 100 105

10 160 168

20 ∞ ∞Tabla 9. Asentamiento Primario y Secundario

0 50 100 150 200 2500

200

400

600

800

1000

1200

PRESIÓN (Kpa) VS. ASENTAMIENTO PRIMARIO

PRESIÓN (Kpa) VS. ASENTAMIENTO PRI-MARIOLinear (PRESIÓN (Kpa) VS. ASENTAMIENTO PRI-MARIO)

PRESIÓN (Kpa)

ASEN

TAM

IEN

TO P

RIM

ARIO

Gráfica 6. Presión Vs. Asentamiento Primario.

6.2.2. Cálculos

A partir de los incrementos de carga para los cuales se obtienen las lecturas del tiempo, se dibujan las curvas: deformación contra el logaritmo del tiempo (en minutos) y contra la raíz cuadrada del tiempo, (en minutos), por cada incremento de carga a medida que progrese el ensayo, y para los decrementos del rebote.

Se halla el Dial 50 de deformación promediando el Dial 100 y el Dial 0, y se halla la Raíz Del Tiempo interpolando entre los límites superior e inferior del Dial 50, y luego se halla el Coeficiente de Consolidación.

Para cada incremento de carga en el cual se obtuvieron lecturas de tiempo asentamiento, se calcula el coeficiente de consolidación, Cv, así:

C v=0,05∗H 2

t 50

23

PRESIÓN (Kpa) d50 (50%)√ t50√Tiempo

(min1/2) t 50 (años) H (m)Cv

(m2/año)1,25 10,5 1,125833 2,41E-06 0,0201 8,3766372,5 27,35 1,204478 2,76E-06 0,0201 7,3184575 49 1,773809 5,99E-06 0,0201 3,37445510 95,7 1,642341 5,13E-06 0,0201 3,93632420 130,6667 2,426829 1,12E-05 0,0201 1,802765

Tabla 10. Datos Para Cálculo de Coeficiente de Consolidación

Se halla el Dial 90 con la siguiente fórmula

d100=d0+109

(d90−d0)

Se Despeja el d90 de la siguiente forma:

109

(d90−d0 )=d100

−d0

(d90−d0 )= 910

(d¿¿100−d0)¿

(d90 )= 910

(d¿¿100−d0)+d0 ¿

Teniendo el d90 ,de acuerdo a la norma INV E 151 del 2007, las deformaciones correspondientes al (d50) 50 % y al (d100¿100 % de consolidación deberán calcularse así

D50=d0+59

(d90−d0 )

D100=d0+109

( d90−d0 )

D0, D20, D100serán las deformaciones correspondientes al 0 %, 50 % y 100 % de consolidación. Siendo la deformación al 0% (D0), la deformación al 100% (D100), de la anterior Presión.Consecuentemente Se calcula el CI que es la Consolidación Inicial y el CT que es la Consolidación Total, con las Siguientes ecuaciones:

CI=D100 (Carga Anterior )−D0(Carga en An á lisis)

CT =D100 (Carga Anterior )−D100(Cargaen An á lisis)

Para la Carga en Análisis se utiliza la Tabla 3. Datos Toma de Muestra de Consolidación, en la que el D0en la carga en análisis es el D100anterior y D100 de la Carga en Análisis es el último dato que aparece en cada esfuerzo de deformación (σ) en la Tabla 3..

24

Y finalmente el porcentaje de Carga Inicial se calcula con los dos valores hallados anteriores de consolidación:

%CI= CICT

∗100 %

Y se obtuvieron los siguientes resultados, para cada variable:

PRESIÓN (Kpa) d90 (90%) D50 (50%) D100 (100%) d0 (0%) CI CT CI (%)

12,3 18,9 10,5 21 0 21 0 (21/0)*100

24,5 32,430 27,35 252,73 21 231,73 219,03 105,80

49,0 61,240 49 958,70 252,73 705,97 894,40 78,932

98,1 120,82 95,7 3697,0 958,70 2738,3 3569,9 76,706

196,2 214,4 184 10062,4 3697,036 6365,4 9840,4 64,686

Tabla 11. Datos de Deformación Diales, Consolidación Inicial, Total y Porcentaje de CI

Gráfica de Logaritmo del Esfuerzo Efectivo (Kg/cm^2) Vs. El Coeficiente de Consolidación ((cm^2/seg*10^-1)) y la relación de Vacíos:

Para realizar la gráfica de Logaritmo del Esfuerzo Efectivo Vs. El Coeficiente de Consolidación (cm^2/seg*10^-1), y la relación de Vacíos, toca convertir el Esfuerzo efectivo en unidades de Kg/cm^2 y el coeficiente de consolidación en unidades de (cm^2/seg*10^-1), de esta forma dan los siguientes datos, y se gráfica:

σ(Kg/cm2) vs. Cv (cm2/seg*10-1) y eRelación de Brazo

(Kg) σ(Kg/cm2) Cv (cm2/seg*10-1) e

3,970,12496065

5 0,0002656211,985

2

7,940,24992130

9 0,0002320671,985

2

15,880,49984261

9 0,0001070031,985

2

31,77 1 0,000124821,985

2

63,54 2 5,71653E-051,985

2Tabla 12. Tabla de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e.

25

0.1 1 100

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.0002656214180442020.0002320667572

47005

0.000107003278470411

0.000124819999798471

5.71652912805233E-05

σ(Kg/cm2) vs. Cv (cm2/seg*10-1) y eLinear (σ(Kg/cm2) vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e)

Log. Esfuerzo Efectivo (kg/cm2)

Coefi

cient

e de

Con

solid

ació

n (c

m2/

seg*

10-1

)

Gráfica 7. Gráfica de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e.

Gráfica 8. Gráfica de Logaritmo del σ(Kg/cm2) Vs. Cv (cm2/seg*10-1) y e, con ángulo de corte.

6.3. PERMEABILIDAD:

26

Para la Permeabilidad de Suelos se evaluaron dos tipos:

6.3.1. De Cabeza Constante: La Presión Hidrostática en la presión de la cabeza de entrada, correlacionado con la permeabilidad del suelo es lo que se denomina como cabeza constante, esta permeabilidad se da cuando es muy reducido el flujo se da principalmente para arcillas, y se tomaron los siguientes datos para este caso:

Datos Iniciales de Permeabilidad - Cabeza Constante

Volumen desalojado (mlt.-(cm^3)

Tiempo=t (seg.)

Diámetro=∅ (cm.)

Altura= h

(cm.)

H (Embudo

) = Longitud

(cm)51 20 14,15 20 102,579 30 14,15 20 102,5107 40 14,15 20 102,5153 60 14,15 20 102,5

Tabla 13. Datos Iniciales de Permeabilidad de Cabeza Constante

Para el cálculo del Factor de Permeabilidad según la ecuación principal para hallar este dato por la norma INV E para la Permeabilidad de Suelos Granulares para Cabeza Constante, la cual se presenta a continuación:

k= Q∗LA∗t∗h

Donde:k = coeficiente de permeabilidad.Q = gasto, es decir cantidad de agua descargada.L = distancia entre manómetros.A = área de la sección transversal del espécimen.t = tiempo total de desagüe.h = diferencia de cabeza (altura) sobre los manómetros.

Se hallan estos datos con las siguientes fórmulas, teniendo en cuenta los datos de la Tabla 8. (Teniendo el Volumen Desalojado, Tiempo, Diámetro, Altura y Longitud):

- Para Caudal:

Q( cm3

seg )=V (cm3)t (seg)

27

- Para Área:

A(cm2)=π∗(∅ (cm))2

4

- Para Coeficiente de Permeabilidad de Cabeza Constante:

Y se aplica la Ecuación de coeficiente de permeabilidad:

k= Q∗LA∗t∗h

Permeabilidad - Cabeza Constante

Volumen desalojado (mlt.-(cm^3)

Tiempo (seg.)

Q = Caudal ((cm.^3)/seg.

)

Diámetro (cm.)

Área (c

m2)

Altura

(cm.)

H (Embudo

) = Longitud

(cm)

K (Factor de Permeabilidad

)

51 20 2,55 14,15157,

3 20 102,5 0,00416

79 30 2,63 14,15157,

3 20 102,5 0,00286

107 40 2,68 14,15157,

3 20 102,5 0,00218

153 60 2,55 14,15157,

3 20 102,5 0,00139Tabla 14. Datos Finales de Permeabilidad de Cabeza Constante

6.3.2. De Cabeza Variable: Esta permeabilidad se da cuando es bastante el flujo es bastante alto, se da principalmente para arenas:Se tomaron los siguientes datos para este caso:

28

Altura de la Bureta

(cm)

Diferencia entre

Altura de la Bureta (

∆ )(cm.)

Tiempo (seg.)

Longitud (cm.)

Diámetro (cm.)

Altura (cm)

121,8-101,8 20 14,15 20

101,8-77,5 20 16,9 77,50 14,15 2077,5-57,5 20 29,91 57,50 14,15 20

Tabla 15. Datos Iniciales de Permeabilidad de Cabeza Variable.

Permeabilidad en cabeza variable²En este tipo de permeámetro se mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador. Este permeámetro puede ser utilizado en suelos finos y gruesos variando el diámetro del tubo alimentador, pero lo más común es utilizarlo con los suelos finos pocopermeables. Al ejecutar la prueba se llena de agua el tubo vertical del permeámetro, observándose su descenso a medida que el agua atraviesa la muestra. Se hallan estos datos con las siguientes fórmulas, teniendo en cuenta los datos de la Tabla 8. (Teniendo la Altura de La Bureta, la diferencia entre la altura de la bureta, el Tiempo de dos datos, Diámetro, la Altura y Longitud):

- Para Área:

A(cm2)=π∗(∅ (cm))2

4

- Para Coeficiente de Permeabilidad de Cabeza Variable:Y se aplica la Ecuación de coeficiente de permeabilidad:

k=a∗LA∗t

∗lnh 1h 2

En este caso debemos tener en cuenta: a = Área del tubo vertical de carga.A = Área de la muestra.L = Longitud de la muestra.H1 = Carga hidráulica al principio de la prueba.H2 = Carga hidráulica al final de la prueba.Hc = Altura de ascensión capilar, que debe deducirse de la lectura total del tubo de carga.T = Tiempo requerido para la carga hidráulica pase de h1 a h2.

29

Área del Tubo (cm2)

Tiempo (seg.)

Longitud (cm)

Área de la

Muestra (cm2)

H1 (Altura Inicial) (cm)

H2 (Altura Final) (cm)

K (Factor de Permeabilidad)

3,1415927 16,9 123,5 157,2544 101,8 77,5 0,0398166

3,1415927 29,91 123,5 157,2544 77,5 57,5 0,0246225

30

7. CONCLUSIONES

- A mayor presión a la muestra, menor relación de vacios (e), ya que a mayor carga se expulsa el agua dentro de la muestra y haciendo que se consolide la muestra al no quedar espacios vacios.

- El ensayo de consolidación se realizo con una arcilla con una porosidad, saturación y una humedad aproximada del 83% la cual permitió dar un nivel de saturación casi total (del 98%). Se comprobó que era una arcilla con la densidad aparente o seca de 0,8 gr/cm3, como se demuestra una densidad aparente de un suelo arcilloso es de 1,1- 1,3 g/cm3, lo cual es aproximado, dando una porosidad de 0,65-0,67, lo cual es mayor que la de un suelo arenoso, y es un suelo pesado porque es para un suelo en estado natural que deja filtrar cualquier cantidad de material hidráulico y residual, y dando uno con pretensiones de saturación máxima como se vio en el Procedimiento, es decir totalmente ocupado de agua (Se dejo la muestra en agua previamente durante 12 horas).

- La gravedad específica como es muy baja (0,65), tocó tomarla como el valor indicado por el laboratorista, para asumir sólidos aproximadamente de un valor relativos con el valor de saturación y humedad dados. (con un error de cerca del 265%),

- La relación de vacios para esta misma muestra es de 120%.- La densidad total de la muestra de suelo utilizada para la consolidación es de 1,44 a 1,46

gr/cm3.- El asentamiento fue aumentando relativamente en niveles lineales proporcionales en casi

todos los esfuerzos tomados, desde 12,5 hasta 200 KPa, llegando a infinito en este último pues se desconocían los valores de corte entre los parámetros tomados en la gráfica.

- El porcentaje de la Consolidación Inicial va disminuyendo debido a que el esfuerzo va presentando una condición mayor de detenimiento de la consolidación, llegando al límite de la consolidación secundaria máximo.

- El valor de K depende de la forma, el tamaño y la distribución de sus partículas, de esto se infiere que la constante está dada en función del tamaño de los poros.

- Como se pudo demostrar en la experimentación es mayor la permeabilidad de cabeza variable que la de cabeza constante en casi un 100%, lo cual es verídico porque el flujo es mayor en condiciones variables, debido a que la de cabeza variable se da para suelos arenosos y mucho más porosa entre la partículas, por lo cual el primer dato dio (Permeabilidad De Cabeza Constante) con una permeabilidad Alta y el siguiente (Permeabilidad De Cabeza Variable) con una permeabilidad Elevada o más Alta que la Constante, por dicha razón para permeabilidades de cabeza constante se tiene una permeabilidad menor y una muestra menos porosa dando un coeficiente propio de una muestra más arcillosa que arenosa siendo clasificado como un “Suelo impermeable, por ejemplo arcilla homogénea, debajo de la zona de intemperización”, o una arena limpia, con un drenaje relativamente bueno, y en cuanto al coeficiente de cabeza variable, la muestra dio la clasificación de una “arena y grava mezclada”, o lo que es igual a una arena gravosa, con un drenaje relativamente alto.

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7. BIBLIOGRÁFIA:- INVIAS, (2007), NORMAS INVIAS 151 E y 130 E del 2007 correspondientes a

“CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS” y “PERMEABILIDAD DE SUELOS GRANULARES (CABEZA CONSTANTE)”NORMAS DE REFERENCIAAASHTO T 215 – 70 (2003)ASTM D 2434 – 68 (2000)

- “ASTM D 2434 – 68 (2000)”.- LISANDRO A. Capdevila, (2013), Comportamiento tenso-deformacional de suelos

loessicos contaminados con hidrocarburos , Valparaíso, Chile, Universidad Nacional de Córdoba /IMPAS, Congreso Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería Civil, COLEIC IX,

- POLIOTTI. Mario y SIERRA, Pablo, CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE SUELOS,- Universidad Nacional Del Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura,

Escuela de Ingeniería Civil- GEOLOGÍA Y GEOTECNIA.- CHAPARRO, Juan Camilo, MONTAÑEZ, Juan Carlos, MEDINA, Sergio Andrés,

URREA, Ricardo, (OCTUBRE DE 2012)ENSAYO DE PERMEABILIDAD CABEZA VARIABLE, Informe de Laboratorio de Ingeniería Civil, Bogotá D.C., Colombia

CIBERGRAFÍA:ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_training/FAO_training/general/x6706s/x6706s09.htm

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