UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CAMPECHE FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y ADMINISTRACIN

ELABORADO POR: GRAJAQLES LARA LUIS FRANCISCO

TEMA PRUEBA DE CONSOLIDACIN

GEOTECNIA I

MAESTRO: M. EN I. JORGE BERZUNZA VALLADARES OBSERVACIONES

SAN FRANCISCO DE CAMPECHE A 12/DIC/11

PRUEBA DE CONSOLIDACIN Introduccin

La prueba de consolidacin consiste en someter suelos cohesivos saturados a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga del agua a la estructura de suelo en el tiempo. La presin que resulta en el agua a causa del incremento de la carga es llamada exceso de presin hidrosttica. A medida que el agua drena de los poros del suelo, el incremento de carga es transmitido a la estructura del suelo. La transferencia de carga es acompaada por un cambio en el volumen del suelo igual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocido como consolidacin. Este proceso contiene un tiempo acotado de ocurrencia, y comienza cuando se aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presin de los poros es igual a la hidrosttica, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido la totalidad de la transferencia de carga del agua a la estructura de suelo. Terminado este proceso llamado consolidacin primaria, el suelo contina deformndose, aunque en menor magnitud, debido a un reacomodamiento de los granos. A este ltimo proceso se lo denomina consolidacin secundaria. El asiento total, suponiendo que el ltimo valor medido coincide con el momento en que desaparece toda la sobrepresin intersticial creada al aplicar la carga, es una medida de la deformacin del esqueleto del suelo. Si se realizan varios escalones de carga, se obtendr una curva de compresibilidad, que relaciona la presin efectiva (en escala logartmica) con la deformacin del esqueleto mineral, expresada por el ndice de poros o relacin de vacos. El propsito fundamental del ensayo de consolidacin es determinar ciertos parmetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Adems, el ensayo permite obtener informacin acerca de la historia de presiones a que ha sido sometido el suelo.

Teora de la consolidacin

Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de consolidacin, lo cual se conoce como analoga mecnica de Terzaghi. El mismo consiste en un recipiente cilndrico lleno de agua, con un resorte dentro y sobre l un pistn con una vlvula. El resorte representa el esqueleto mineral de un suelo y el agua sera el agua intersticial del suelo. Se supone que el pistn sin friccin es soportado por el resorte. Al

aplicar una carga al pistn con la vlvula cerrada, la longitud del resorte permanece invariable, puesto que el agua se considera incompresible. Si la carga induce un aumento de la presin total, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presin del agua. Cuando se abre la vlvula, el exceso de presin de agua en la cmara causa el flujo de sta hacia afuera, la presin disminuye y el pistn 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 presin efectiva es igual al aumento de la presin total, y el exceso de presin de agua se reduce a cero. La velocidad de compresin depende del grado de apertura de la vlvula, esto es anlogo a la permeabilidad del suelo.

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 slo puede escapar a travs de una superficie, el estrato es llamado semiabierto. El espesor de los estratos semiabiertos se denota por H. Ambos casos se muestran en la figura.

La notacin del espesor de los estratos se expresa de esa manera, dado que se considera a H como la mxima distancia que debe recorrer una partcula de agua, dentro del estrato, para drenar. El proceso de consolidacin puede describirse por las posiciones sucesivas de las curvas iscronas (ver figura de la pgina siguiente), que definen las proporciones relativas de la presin de consolidacin inicial que ya se han convertido en presin efectiva en relacin a las que siguen siendo presin neutra, en cada instante. Suponiendo que las leyes de la hidrulica gobiernen la disminucin de la presin del agua de los poros, y que la disminucin en volumen del suelo sea proporcional al aumento en presin efectiva y sea igual a la cantidad de agua expulsada, Terzaghi elabor una teora cuyo propsito es conocer la presin efectiva y la relacin de vacos 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 consolidacin. Se conoce como teora de la consolidacin.

Las hiptesis que se consideraron para el desarrollo de la teora son las siguientes:

1. El suelo est totalmente saturado y es homogneo. 2. Tanto el agua como las partculas del suelo son incompresibles. 3. Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo del agua. 4. La variacin de volumen es unidimensional en la direccin del esfuerzo aplicado. 5. El coeficiente de permeabilidad en esta direccin permanece constante. 6. La variacin de volumen corresponde al cambio en la relacin de vacos y permanece constante.

A partir de la informacin brindada por las curvas obtenidas de los ensayos de consolidacin puede calcularse el asentamiento de un estrato, lo cual contesta la primera de las cuestiones que plantea el estudio de la compresibilidad. Para arcillas normalmente consolidadas la variacin de la relacin de vacos con respecto a la presin est dirigida por el ndice de compresin Cc de la curva virgen (ver figura). El clculo del asentamiento por consolidacin de un estrato de espesor H, para arcillas normalmente consolidadas est dado por la siguiente ecuacin:

S!

Cc W ' (W z H v log 1 eo W'

Materiales Los parmetros ms importantes que se obtienen del suelo al realizar el ensayo son: a) El coeficiente de consolidacin (cv), que indica el grado de asentamiento del suelo bajo un cierto incremento de carga y vinculado a la velocidad del mismo. b) El ndice de compresibilidad (Cc), que expresa la compresibilidad de una muestra. c) La presin de preconsolidacin (Pc), que indica la mxima presin que ha soportado el suelo en su historia geolgica. Equipo necesario 1- Molde del consolidmetro, de seccin igual a 100 cm2, el cual est compuesto por: Base de bronce con canales para permitir el drenaje del agua. Anillo de bronce que contiene la muestra de arcilla saturada. Anillo de bronce, de sujecin, que vincula la base con el que contiene la muestra mediante tornillos. Tornillos de fijacin y juntas de goma para sellar las uniones. Tubos laterales que se comunican a travs de los canales de la base con la piedra porosa inferior. 2- Juego de dos piedras porosas. 3- Papel de filtro para ser utilizado entre la muestra de suelo y la piedra porosa. 4- Cabezal de carga. 5- Mecanismo de transmisin de carga a palancas. 6- Extensimetro con precisin 0,001. 7- Balanza de laboratorio sensibilidad 0,01 gr. 8- Horno de secado. 9- Elementos menores (cuchillo o esptula cortante, probeta, pesafiltros, etc.).

MTODO El ensayo de consolidacin se realiza siguiendo el mtodo dado a continuacin:

1. Obtencin y preparacin de muestras. 1.-Se extrae muestra del suelo lo mas inalterada posible de un tamao suficiente para poder trasportarla al laboratorio sin que sta se desintegre y no se produzcan grietas internas que puedan alterar los resultados del ensayo. 2.-Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquier alteracin, cambios en la seccin transversal y evitndose cualquier cambio en el contenido de agua del suelo.

2. Preparacin de la probeta. 1.-Se talla la muestra de tal manera que se obtenga un volumen igual al del anillo del consolidmetro, 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. 2.-El tamao 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. 3.-Antes del proceso de moldeo o tallado, se extraen porciones del suelo de la muestra para determinar el contenido de humedad exacto. 4.-Una vez colocado el espcimen dentro del anillo, se determina el peso hmedo de la muestra ms el equipo.

3. Procedimiento.

1.-Se arma el edmetro 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. 2.-Se ajusta el contrapeso del sistema de transmisin de cargas de manera que el brazo del mismo estuviese en equilibrio. 3.-Se coloca el edmetro 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 presin sea axial. 4.-Se ubica el deformmetro adosndolo al yugo de manera que tuviera contacto con el anillo, permitiendo medir la variacin en la altura de la pastilla. 5.-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 presin correspondiente al primer escaln de carga programado de 0,25 kg/cm, considerando que cada kilogramo de las pesas trasmite 0,25 kg/cm a la pastilla. El trabado del brazo impide el impacto de las cargas sobre la muestra. 6.-Ubicadas las pesas, se procedi a destrabar el brazo considerando ese momento como el inicio del escaln de carga y a partir del cual se tomaron las lecturas del flexmetro. 7.-Las lecturas son tomadas y anotadas en intervalos de tiempo adecuados. Se utiliza como gua la siguiente secuencia. Se registran las lecturas del deformmetro 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. 8.-Se dibuja la curva de consolidacin en escala semilogartmica.

9.-Este procedimiento se repite en cada ciclo, aumentando la carga sucesivamente, sin embargo, por razones de tiempo, en este ensayo slo se midi la consolidacin para la primera carga. 10.-Despus de finalizado el ensayo, se desarma el equipo y se pesa la muestra para el clculo del contenido de humedad.

RESULTADOS

Peso molde = 70,40 grs Peso molde + material = 131,94 grs Peso molde + material seco = 102,20 grs Peso material = 61,54 grs Peso material seco = 31,80 grs Contenido de humedad = 93,52 % Dimetro de la muestra = 5 cm Area de la muestra = 19,64 cm2 Altura inicial de la muestra = 2 cm Volumen inicial de la muestra = 39,27 cm3 Carga = 1 kg Presin = 0,25 kg/cm2

Los valores obtenidos en el laboratorio se muestran en la siguiente tabla.

Tiempo Fecha Hora seg hrs min 15-jun-2004 10:36 6 15 30 60 0,10 0,25 0,50 1,00 2,25 4,00 6,25 9,00 0,32 0,50 0,71 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 t

Lectura 0,002 mm 108 112 114 116 121 122 122 122 123 123 123 124 124 124 124

Deformacin mm 0,216 0,224 0,228 0,232 0,242 0,244 0,244 0,244 0,246 0,246 0,246 0,248 0,248 0,248 0,248 0,248 0,250 0,252 0,252

12,25 3,50 16,00 4,00 20,25 4,50 25,00 5,00 40,00 6,32 11:36 12:06 12:36 13:36 18:00 16-jun-2004 9:00 1 60,00 7,75

1,5 90,00 9,49 2 3 8 120 180 480

10,95 124 13,42 125 21,91 126

24 1440 37,95 126

De esta tabla podemos obtener la curva de consolidacin para la carga de 1 kg, la cual se representa en el siguiente grfico. Por medio del mtodo de Casagrande, hallamos que el 50% de la consolidacin se produce para un t = 12 min.

MTODO DE CASAGRANDE PARA LA DETERMINACIN GRFICA DE LA TENSIN DE PRECONSOLIDACIN, PC . En el grfico e Log v : 1. Ubicar punto 1, punto de mxima curvatura 2. Trazar la recta 2, tangente por el punto 1 3. Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1 4. Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3 5. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada 6. La interseccin de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de pc

Estableciendo si la Arcilla es NC o PC Debemos comparar la tensin vertical efectiva de terreno, vo con la tensin de preconsolidacin, pc , para saber si la arcilla est normalmente consolidado (NC) o preconsolidada (PC). y y Si vo ~ pc se trata de una arcilla NC Si vo < pc se trata de una arcilla PC, siempre que estas diferencias sean significativas

En la curva de consolidacin (figura 2): 1. Ubicar pc . 2. Ubicar el punto ( vo , eo), tensin vertical efectiva de terreno e ndice de vacos en terreno. 3. Ubicar el punto 0.4 eo en la prolongacin de la recta de carga normalmente consolidado, tambin denominada curva virgen. 4. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta curva es el Indice de Compresibilidad, Cc.

MTODOS DE DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE CONSOLIDACIN, CV (a) Segn mtodo de Taylor

En el grfico deformacin vs raz cuadrada del tiempo (Figura 3): 1. Trazar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del grfico 2. La interseccin entre la recta definida en 1 con el eje de las abscisas, define una distancia a . 3. Se define en el eje de las abscisas el punto A distanciado del origen en 1.15A 4. Se une el punto 0 y A. 5. La interseccin de esta recta con la curva define el valor t90 en el eje de las abscisas. 6. Con este valor de t90 calcular el coeficiente de consolidacin con la frmula:

Donde Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.848 H = la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje)

Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar cv en funcin de v . El valor de cv a utilizar ser aquel correspondiente al incremento de carga que se tendr en terreno, es decir, desde vo a la tensin vertical efectiva final. (b) Segn mtodo de Casagrande En el grfico deformacin vs log t (figura 4): 1. En la parte inicial parablica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parablica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4). 2. Marcar t2 = 4 t1. Definidos t1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical . 3. Dibujar la distancia 2 , y encontrar D0 en el eje de las ordenadas. 4. Dibujar la proyeccin horizontal del final de la curva de deformacin e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100. 5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las ordenadas. 6. Proyectar D50 en la curva de deformacin y encontrar t50 en el eje de las abscisas. 7. Calcular cv como:

donde Tv es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0.197 H = la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)