UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Mecánica de suelos II FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL EC513-G DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE MECÁNICA DE SUELOS 2012-II INTRODUCCION Cuando se somete a un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suelo en el tiempo. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a que, por una parte, es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos en la presión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. Al cabo de un tiempo t, parte de este exceso de presión neutra es disipado, transfiriéndose esa parte de la carga a la estructura de suelo, resultando en un incremento de tensiones efectivas. El resultado de este incremento gradual de tensiones verticales efectivas produce asentamientos en terreno. Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo fino seco (o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el proceso como instantáneo. En estos casos existe una deformación vertical prácticamente inmediata, pero no se reconoce como consolidación. 1
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Mecánica de suelos II FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL EC513-G DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE MECÁNICA DE SUELOS 2012-II
INTRODUCCION
Cuando se somete a un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suelo en el tiempo. Inicialmente, de acuerdo a la teoría, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a que, por una parte, es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos en la presión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. Al cabo de un tiempo t, parte de este exceso de presión neutra es disipado, transfiriéndose esa parte de la carga a la estructura de suelo, resultando en un incremento de tensiones efectivas. El resultado de este incremento gradual de tensiones verticales efectivas produce asentamientos en terreno.
Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga se aplica a un suelo fino seco (o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación con reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el proceso como instantáneo. En estos casos existe una deformación vertical prácticamente inmediata, pero no se reconoce como consolidación.
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ENSAYO DE CONSOLIDACION
1. OBJETIVOS:
Determinar los parámetros que definen el comportamiento de la deformación de un suelo fino saturado bajo una carga estática y que se deforma con el tiempo.
Determinar la deformación total de la muestra de suelo durante el ensayo, mediante las lecturas del deformometro y encontrar el asentamiento que genera el suelo.
Conocer el comportamiento de los suelos compresibles frente a la acción de cargas (curva e – log p´).
Predecir la magnitud de los asentamientos y su evolución en el tiempo (parámetros Cc, Cr, Cv).
Conocer sobre la consolidación primaria y la consolidación secundaria, además de conocer la precarga.
Conocer el comportamiento y el proceso de disminución de volumen que experimenta un suelo provocado por las cargas de largo plazo.
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2. FUNDAMENTO TEORICO:
2.1. CONSOLIDACION:
Disipación del exceso de presión de poro debido al flujo de agua hacia el exterior . Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal permanece esencialmente la misma; así, el movimiento de las partículas de suelo puede ocurrir solo en dirección vertical.
2.2. HIPOTESIS DE LA TEORIA DE CONSOLIDACION:
Se supone al suelo homogéneo, cohesivo y saturado. La variación de volumen tiene su origen en la relajación del exceso de presión de
poros. El flujo es unidimensional El Coeficiente de Consolidación Cv y Permeabilidad K, permanecen constantes a lo
largo del proceso.
2.3. PROCESO DE CONSOLIDACION:
Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada (arcilla NC) o preconsolidada (arcilla PC). Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca fue sometida en su pasado geológico a cargas mayores que las existentes ahora en terreno. Por otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo que fueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una época glacial, se la denomina preconsolidada (también existe la preconsolidación por secamiento o por descenso de la napa freática con posterior recuperación).
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2.4. ENSAYO DE CONSOLIDACION:
La prueba de Consolidación Estándar consiste en comprimir verticalmente una muestra de suelo en estudio, confinándola en un anillo rígido. El suelo está sujeto a un esfuerzo en sus dos superficies planas; toda deformación ocurre en el eje vertical, las deformaciones elástica y cortante son insignificantes debido a que toda la superficie de la muestra se carga y no permite deformación lateral.Los esfuerzos se aplican siguiendo una secuencia de cargas normalizadas o establecidas previamente, las cuales estarán de acuerdo al nivel de cargas que el suelo en estudio soportará en el futuro. En todos los casos y para cada incremento de carga la muestra sufre una primera deformación correspondiente al retraso hidrodinámico que se llama consolidación primaria y también sufre una deformación adicional debido a un fenómeno secundario.Teóricamente es factible el fenómeno de consolidación cuando la muestra está saturada, sin embargo, en la práctica se admite que también se genera un proceso similar en masas de suelos que no están 100% saturadas y por lo tanto, para estos casos se aplica también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de una interpretación aproximada y que las conclusiones finales deben darse en base a las propiedades físico-químicas y límites de consistencia, acompañadas de una buena descripción de campo.
3. DESCRIPCION DEL EQUIPO:
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3.1. CELDAS DE CONSOLIDACION:
3.1.1. ANILLO FLOTANTE:
La muestra de suelo tiene drenaje doble las piedras porosas superior e inferior son lo suficiente pequeñas para que se deslicen dentro del anillo durante la consolidación. Su ventaja es que la resultante de la fricción entre el suelo y el anillo es la mitad del error en un anillo rígido.
3.1.2. ANILLO RIGIDO:
El anillo está firmemente sujeto a la base de la celda de consolidación y la piedra porosa interior no entra al anillo durante la consolidación.Su desventaja es que la resultante del ángulo de fricción es el doble que en el de anillo flotante.
3.1.3. PÓRTICOS DE CARGA:
El aparato de carga debe de ser capaz de mantener con precisión una determinada presión por un periodo de tiempo, debe de tener la capacidad adecuada para ensayos a presiones altas y ser sensible para presiones bajas.Son pórtico de carga que van tener brazos donde se colocaran las cargas a someter al suelo durante el ensayo y además cuenta con un deformometro que nos indicara cuanto se deforma el suelo para un tiempo determinado.
4. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO:
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1) Primero tallamos la muestra para luego colocarlo en un anillo de 10cm. De diámetro, para luego llevarlo al anillo donde se aplicara las cargas. La muestra debe de estar lo uniforme posible sin presentar vacios. Determinar la gravedad específica Gs y pesar la muestra, determinar la altura Hi y el diámetro de la muestra.
2) Colocar la muestra de suelo en el consolidómetro con una piedra porosa saturada sobre cada cara. Asegurándose que las piedras estén bien colocadas para que puedan entrar en el anillo y el ensayo pueda avanzar satisfactoriamente.
3) Colocar el consolidómetro en el aparato de carga y ajustar el deformímetro, aplicamos una carga de asiento y luego llenar la celda con agua, veremos que la muestra comenzara a expandirse como debemos mantener la deformación en cero colocaremos una carga que contrarreste la expansión y esta carga será pequeña.
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4) En el momento conveniente, aplicar el primer incremento de carga (carga adicional suficiente para desarrollar el primer incremento de carga) y simultáneamente tomar lecturas de deformación a tiempos transcurridos de 0.13, 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15, 39, 60, 120 min, a continuación por ejemplo, 4, 8, 16, horas etc.Y hasta que haya poco cambio en la lectura (lectura de deformación contra log t).
5) Después de 24 horas o como se haya llegado a alcanzar una deformación casi constante se cambiara la carga por una del siguiente valor que es el doble del primer valor y nuevamente tomar lecturas en intervalos de tiempo controlados y se seguirá con el mismo procedimiento hasta alcanzar una carga de 6.4 kg/cm2.
6) Luego realizaremos el proceso de descarga desde una carga de 3.2 kg/cm2
anotando las deformaciones en tiempos controlados hasta una carga igual a la inicial. Luego estos datos se graficaran y resolverán por distintos métodos.Se pesa el contenido final y se calcula el contenido de humedad final.
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5. DESCRIPCION DE CURVAS DE CONSOLIDACION
Hallaremos el coeficiente de consolidación Cv mediante dos métodos de Taylor y Casagrande.
5.1. SEGÚN MÉTODO DE TAYLOR
En el gráfico deformación v/s raíz cuadrada del tiempo.
Trazar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del gráfico La intersección entre la recta definida en 1 con el eje de las abscisas,
define una distancia “a”. Se define en el eje de las abscisas el punto A distanciado del origen en
1.15A Se une el punto 0’ y A. La intersección de esta recta con la curva define el valor t90 en el eje de las
abscisas. Con este valor de t90 calcular el coeficiente de consolidación con la
fórmula:
CV=TV (U=90%)⋅H 2
t90
Donde:
Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.848 H = ½ de la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje)
5.1.1. Determinación Gráfica según Taylor de t90
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Curva deformación versus raíz de tiempo
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Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar Cv en función de σv’. El valor de Cv a utilizar será aquel correspondiente al incremento de carga que se tendrá en terreno, es decir, desde σvo’ a la tensión vertical efectiva.
5.2. SEGÚN METODO DE CASAGRANDE
En el gráfico deformación v/s Log (t)
En la parte inicial parabólica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parabólica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4)
Marcar t2 = 4 t1. Definidos t1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical Δ
Dibujar la distancia 2Δ, y encontrar D0 en el eje de las ordenadas. Dibujar la proyección horizontal del final de la curva de deformación e
interceptarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de
las ordenadas. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t50 en el eje de las
abscisas. Calcular Cv como:
CV=TV (U=50%)⋅H2
t50
Donde: Tv es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0.197 H = ½ de la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)
6. DESCRIPCION DE LA CURVA DE COMPRESIBILIDAD:
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Curva deformaciónVs.
Logaritmo de tiempo
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En esta curva hallaremos el índice de compresibilidad Cc y el índice de recompresion Cr además de la tensión de preconsolidacion.
6.1. MÉTODO DE CASAGRANDE PARA LA DETERMINACIÓN GRÁFICA DE LA TENSIÓN DE PRECONSOLIDACIÓN, Σ PC’.
En el gráfico e – Log σv’:
Ubicar punto 1, punto de máxima curvatura Trazar la recta 2, tangente por el punto 1 Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1 Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3 Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada La intersección de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de σ pc’
En la curva de consolidación (figura 2):
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CURVA DE CONSOLIDACION (Fin de Consolidación Primaria)
Determinación Gráfica de la Presión de Pre consolidación, σ pc’
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Ubicar σpc’. Ubicar el punto (σvo’, eo), tensión vertical efectiva de terreno e índice de vacíos en
terreno. Ubicar el punto 0.4 eo en la prolongación de la recta de carga normalmente
consolidado, también denominada curva virgen. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta curva
es el Índice de Compresibilidad, Cc.
7. CALCULOS: Se realizaron los cálculos correspondientes para obtener datos para las graficas:
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CURVA DE CONSOLIDACION: Determinación Gráfica del Índice de Compresibilidad
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7.1. Método de la raíz cuadrada del tiempo: Se tomo los datos producidos por la carga de 0.2 kg/cm2.
tiempo Deformación0.000 0.000
0.365 0.098
0.500 0.104
0.707 0.112
1.000 0.122
1.414 0.131
2.000 0.138
2.828 0.145
3.873 0.150
5.477 0.154
7.746 0.160
10.954 0.164
15.492 0.166
7.2. Método del logaritmo del tiempo: Datos obtenidos al aplicar la carga de 0.2 kg/cm2.
Tiempo Deformaciones0.000 0.0000.133 0.0980.250 0.1040.500 0.1121.000 0.1222.000 0.1314.000 0.1388.000 0.145
15.000 0.15030.000 0.15460.000 0.160
120.000 0.164240.000 0.166
7.3. Curva de consolidación:
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Datos Iniciales
Gravedad de Sólidos 3.02Diámetro (cm) 6.00Altura (cm) 1.89Peso Anillo (gr) 38.86Peso Anillo + espécimen (gr) 154.07Volumen (cm3) 53.44Peso del espécimen (gr) 115.21Peso especifico (gr/cm3) 2.16Altura de sólidos (cm) (Hs) 0.994Altura de vacios (cm) 0.896
Relación de vacios inicial 0.9
De los datos anteriores, se procede a hallar los valores de la relación de vacios, con la siguiente formula:
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ex=e0−LxHs
Contenido de Humedad Final N° Tara 4Peso Tara (gr) 11.98Peso Tara + Suelo Húmedo (gr) 118.03Peso Tara + Suelo Seco (gr) 96.88Peso de sólidos (gr) 84.9
Peso de agua 21.15
Humedad 24.91%
Carga aplicada Lectura Deformación Lx/Hs Relación (kg/cm2) (mm) (mm) de vacios
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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
En comparación, con el análisis grafico realizado para hallar el coeficiente de consolidación, tanto con el método del logaritmo del tiempo, así como también el método de la raíz cuadrada del tiempo. Notamos como el valor del coeficiente de consolidación, presentan un pequeño error, lo cual nos indica la eficiencia de ambos métodos al hallar tal coeficiente.
Observando la curva de consolidación, distinguimos los tramos de carga y descarga de la muestra. Mediante el método grafico pudimos obtener que la carga pre carga fue de 0.39 kg/cm2. Por lo tanto deducimos que la muestra de suelo ya había sido sometido ha esfuerzos menores a este en el pasado.
Debido al tiempo que tarda el proceso de consolidación en la muestra de suelo, Se da como solución el uso de una carga que realice el mismo procedimiento de consolidación, ya en el terreno, pero en un tiempo menor, para evitar los problemas que ocasiona estos tipos de suelos.
9. BIBLIOGRAFIA:
Fundamentos de la mecánica de suelos. Juárez Badillo. Rico Rodríguez Fundamentos de ingeniería geotécnica. Braja M. Das
