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MECÁNICA DE SUELOS II - FACULTAD DE INGNIERIA CIVIL
‘’ENSAYO DE CONSOLIDACION ”
I. INTRODUCCION:
Referencias:
AASHTO T216-66
ASTM D2435-70
AASHTO (1976)
Cuando los suelos están saturados y se les incrementa la carga, ocurre un
proceso de asentamiento de los suelos (reducción de volumen), así como la
disipación de la presión de poros. A éste proceso se le conoce como
consolidación.
Este ensayo, también llamado ensayo de compresión confinada, es de 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. De esta manera, la construcción de obras civiles
sobre suelos arcillosos y/o limosos, generan procesos de carga y descarga, los
cuales se pueden dar a corto o largo plazo de acuerdo con la propiedad del suelo
que estén afectando; por ejemplo, para el caso de la cimentación de un edificio, se
generan los dos tipos de respuesta ya que al cambiar la disposición original de las
partículas de suelo se producen asentamientos inmediatos y a medida que se
aumenta el periodo de tiempo, la carga colocada generará cambios en la presión
intersticial del suelo, produciendo de esta manera cambios volumétricos,
denominados asentamientos por consolidación. Por lo tanto y partiendo de lo
expuesto anteriormente, es de vital importancia conocer la velocidad de
asentamiento total y diferencial de la estructura, con el fin de evitar y controlar
estos asentamientos en las obras civiles concebidas generalmente para amplios
periodos de vida útil. Sin embargo para poder estudiar y controlar estos cambios
es necesario identificar la causa de los mismos para lo cual el conocimiento de los
procesos de consolidación es un requisito.
En este documento, se presentarán los resultados, análisis y conclusiones que
se obtengan a partir de este ensayo realizado en laboratorio, con el fin de
conocer los parámetros involucrados en el desarrollo del mismo, sus
características y la relación de estos en la determinación de los posibles
asentamientos que sufrirá una estructura.
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MECÁNICA DE SUELOS II - FACULTAD DE INGNIERIA CIVIL
II. OBJETIVOS DEL ENSAYO:
Calcular de manera experimental, con base en la teoría de consolidación
unidimensional propuesta por Terzaghi, los parámetros de consolidación
definidos como el coeficiente de consolidación vertical CV, y el coeficiente de
compresibilidad volumétrica mv, a partir de los datos tomados en el
laboratorio, mediante el uso de herramientas gráficas.
Construir las curvas de consolidación de la muestra ensayada.
Determinar la relación de preconsolidación y estimar a través de ella la
posible magnitud de los asentamientos que sufriría una estructura cimentada
sobre el suelo de ensayo.
III. APOYO TEÓRICO
El exceso de presión intersticial generado por los incrementos de esfuerzos
debidos a la sobrecarga que representa una estructura, se disipan mediante
el flujo de agua contenida en la masa de suelo. La disipación de dicho
exceso por medio del flujo de agua se debe a la incapacidad que ésta tiene
para resistir esfuerzos de corte y se denomina consolidación. Este proceso
se origina debido a que al cargar una masa de suelo dicha carga es
inicialmente absorbida por el agua contenida en los poros de suelo, no
obstante, al transcurrir el tiempo el agua iniciará un flujo ascendente
obligando a las partículas de suelo a soportar los incrementos de esfuerzos
generados por la carga. El anterior planteamiento y definición implica:
1. Una reducción en el volumen de poros, por tanto un cambio volumétrico
manifestado en asentamientos en el suelo de fundación y por ende en la
estructura.
2. Un aumento del esfuerzo efectivo, que a su vez incrementa la resistencia al
corte del suelo.
El estudio del proceso de consolidación se basa en la teoría unidimensional
propuesta por Terzagui, la cual concluye que la ecuación de comportamiento
que rige los procesos de consolidación vertical es:
CV∂2ue∂ z2
=∂ue∂ t (1)
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MECÁNICA DE SUELOS II - FACULTAD DE INGNIERIA CIVIL
Donde Cv es el coeficiente de consolidación vertical expresado por:
CV=kV (1+e )ρW gaV (2)
Los estudios de Terzagui también definen el coeficiente de compresibilidad
volumétrica mv como:
mv=av1+e (3)
Para solucionar la ecuación (1) se asume un área cargada de dimensiones
infinitas, donde la presión aplicada q es constante y absorbida en primera
instancia por el agua intersticial en forma de un exceso de presión uoe. De lo
anterior y luego de un análisis diferencial la solución a esta ecuación es:
ueuoe
=∑m=0
m=∞ 2Msen[M (1− z
H )]exp (−M 2TV ) (4)
Donde: M= π
2(2m+1 )
con m = 0, 1,2,…,∞
H = longitud máxima de la altura de drenaje.
Tv = factor de tiempo vertical definido por:
T V=cv t
H 2 (5)
La ecuación 4 puede simplificarse al definir el grado de consolidación UV
como:
UV=ee−eeo−et (6)
Expresión que al aplicar el principio de esfuerzos efectivos es equivalente a:
UV=1−ueuoe (7)
Esta relación demuestra que el grado de consolidación de un elemento es
igual a la disipación del exceso de presión intersticial. Por tanto la ecuación
que define el grado de consolidación es:
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MECÁNICA DE SUELOS II - FACULTAD DE INGNIERIA CIVIL
UV=1−∑m=0
m=∞ 2Msen [M (1− z
H )]exp (−M 2TV ) (8)
De la ecuación (8) se deduce que el grado de consolidación es función del
factor de profundidad z/H y del factor de tiempo vertical Tv. Este hecho ha
permitido la creación de un método aproximado resultante de las gráficas de
UV en función de z/H y TV, cuya precisión y exactitud es aceptable en el
ámbito ingenieril actual.
Grado de consolidación Uv en función del factor de profundidad z/H y del
factor de tiempo Tv
Sin embargo el cálculo de este valor depende de dos parámetros
anteriormente expuestos que son el coeficiente de consolidación vertical cv y
el coeficiente de compresibilidad mv, los cuales se determinan
experimentalmente a través del ensayo de consolidación.
IV. EQUIPO NECESARIO:
Consolidometro
Deformimetro de carátula con lectura de 0.01 mm. de precisión ( 0.0001").
Equipo de cargas
Cronometro de bolsillo o de pared
Equipo necesario o disponible para moldeo de la muestra
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V. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO:
1) Moldee cuidadosamente una muestra dentro de un anillo de consolidación
con el equipo de moldeo de muestras.
2) Colocar cuidadosamente la muestra de suelo en el consolidometro con una
piedra porosa colocada sobre cada cara. Asegurarse de que las piedras
porosas entren en el anillo de forma que el ensayo pueda avanzar
satisfactoriamente.
a. Colocar el consolidometro en el aparato de carga y ajustar el
deformimetro; recordar que debe permitirse una posible compresión
de la muestra de 4 a 12 mm.
b. Aplicar una carga de inicialización de 5 (para suelos blandos), a
10kg. (para suelos firmes). Verificar nuevamente que las piedras
porosas no se apoyen sobre el anillo.
c. Colocar el deformimetro en 0 (dejar esta carga de inicialización sobre
el suelo).
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MECÁNICA DE SUELOS II - FACULTAD DE INGNIERIA CIVIL
3) 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
0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15, 39, 60, 120 min., a continuación por ejemplo, 4,
8,16 horas, etc. y hasta que haya muy poco cambio en la curva (lectura de
deformación contra Log t).
a. En laboratorios para estudiantes y si se utiliza una muestra de
consolidación rápida, se puede modificar la secuencia de lecturas
para cambiar las cargas a 30, 60 6 90 min., o tan pronto como el
grafico de los datos indique que la muestra se encuentra dentro de la
rama secundaria de su curva de consolidación.
4) Después de 24 horas o como se haya establecido, o cuando el H entre
dos lecturas sea suficientemente pequeño, cambiar la carga al siguiente
valor y nuevamente tomar lecturas a intervalos de tiempo controlados como
en el paso 3 anterior. Si se utiliza el experimento de laboratorio "rápido" en
el tercero y cuarto incremento de carga, tomar suficiente tiempo en lecturas
para establecer una pendiente adecuada para la consolidación secundaria
que puede ser utilizada en los otros incrementos.
5) Continuar cambiando cargas tomando lecturas de deformación contra
tiempo discurrido a través de todo el rango de cargas del consolidometro (o
hasta que arbitrariamente se determine).
6) Colocar la muestra (incluyendo todas las partículas que se hayan exprimido
fuera del anillo) en el homo al final del experimento para encontrar el peso
de los sólidos W, y lograr el calculo del volumen final de agua Vwf. Comparar
Ws con el valor calculado en el paso 1 (si se hizo la determinación del
contenido de humedad).
7) Dibujar las curvas de lectura de deformación contra Log tiempo.
Encontrar D0, D100 y D50 y los correspondientes t50 para cada incremento de
carga y mostrar los valores sobre todas las curvas. Dibujar en papel
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semilogaritmico de cinco ciclos mas de un incremento de carga en cada
hoja, cuidándose de no sobrecargar excesivamente la grafica.
VI. DATOS OBTENIDOS
INCREMENTO TIEMPO CARGA LECTURAS FINALES DEL DIAL Rf(cm).
I
15 seg
1kg
0.0930 seg 0.09751 min 0.10252 min 0.10754 min 0.11
INCREMENTO TIEMPO CARGA LECTURAS FINALES DEL DIAL Rf(cm).
II
15 seg
2kg
0.0167530 seg 0.1751 min 0.182 min 0.18754 min 0.195
.
INCREMENTO TIEMPO CARGA LECTURAS FINALES DEL DIAL Rf(cm).
III
15 seg
3kg
0.29530 seg 0.3031 min 0.3152 min 0.3264 min 0.335
INCREMENTO TIEMPO CARGA LECTURAS FINALES DEL DIAL Rf(cm).
IV
15 seg
4kg
1 vuelta +0.00430 seg 1 vuelta +0.05251 min 1 vuelta +0.072 min 1 vuelta +0.08754 min 1 vuelta +0.1025
INCREMENTO TIEMPO CARGA LECTURAS FINALES DEL DIAL Rf(cm).
V
15 seg
5kg
1 vuelta +0.267530 seg 1 vuelta +0.29251 min 1 vuelta +0.32502 min 1 vuelta +0.36254 min 1 vuelta +0.39
VII. CALCULOS
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Tiempo(escala logatirmica)
Deformación(mm)
0.00 0.32000.25 0.31410.75 0.31361.75 0.31323.75 0.31297.75 0.31278.00 0.31898.50 0.30849.50 0.3081
11.50 0.307615.50 0.307115.75 0.300516.25 0.300017.25 0.299219.25 0.298523.25 0.297923.50 0.286724.00 0.283525.00 0.282427.00 0.281231.00 0.280231.25 0.269331.75 0.267732.75 0.265534.75 0.263138.75 0.261370.00 0.2613
0.1 1 10 1000.25
0.26
0.27
0.28
0.29
0.3
0.31
0.32
0.33
0.34
0.35
Tiempo
Def
orm
ació
n
VIII. CONCLUSIONES
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Es indispensable a la hora de asignar la primera carga conocer los esfuerzos
geostáticos a los que fue sometida la muestra, de esta forma obviaremos
demoras hasta q la muestra empiece a consolidarse dando muestras de
deformación.
Con el ensayo de consolidación hallamos lo parámetros que nos indica la
carga con respecto a cuanto se va a deformar, también la recuperación que
pueda sufrir el suelo después de haber retirado la carga aunque esto es muy
pequeño pero existe.
Si el suelo esta totalmente seco supuestamente la deformación se daría de
manera más rápida, se cree que la deformación se da de manera mas lenta
debido a la viscosidad del liquido que tiene en los vacíos del suelo,
supuestamente porque en la practica resulta más práctico una muestra
parcialmente saturada.
El resultado de nuestro laboratorio se puede apreciar claramente en el
gráfico Deformación Vs. Tiempo, así observamos si bien una asemejación a
un curva polinómica de 2do grado algunos saltos probablemente debidos a
un errores en la medición
IX. RECOMENDACIONES
Con el fin de evitar inconvenientes generados por la pérdida o confusión de la
toma de datos, se recomienda que la recolección de estos sea llevada de una
manera responsable, seria y consecutiva, teniendo en cuenta el hecho de
que todas las personas que participamos en el desarrollo del ensayo,
dependemos de estos valores para la realización de los cálculos y análisis
del mismo.
A pesar de contar con el equipo necesario, se hace difícil la recolección de
datos dado que en laboratorio dispone de toda la mañana y sólo puede
trabajar un grupo, siendo tantos los grupos, podríamos turnarnos todos para
hacer un ensayo más eficiente en base a una sola muestra, cuyos resultados
serían más confiables pues podríamos medir la consolidación por días sin
inconvenientes de ceder el turno a otro grupo. Así mismo al no contar con
una adecuada cantidad de muestra no se pueden hacer todos los ensayos,
así encontramos dificultad en la asignación de la primera carga, pues no
contamos con el peso especifico del suelo.
X. ANEXOS
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Panel Fotográfico
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