CÁTEDRA: GEOTECNIA Integrantes: Prof. Ttular: Prof. Adjunto: Auxlares: Ing. Arturo Borftz Ing. Dante Bosch Ing. Gullermo Arce Ing. Hugo Casco Ing. Danel Nuñez U.N.N.E. - Facultad de Ingenería Edcón y Maquetacón: Tec. Nelson J. Rodrguez Año: 2008 TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO N 6 CONSOLIDACIÓN. INTRODUCCIÓN Al someter una masa de suelo saturado a un ncremento de carga, ésta es soportada ncalmente por el agua contenda en los poros, ya que ella es ncompresble en comparacón con la estructura del suelo. La presón que resulta en el agua a causa del ncremento de la carga es llamada exceso de presón hdrostátca. A medda que el agua drena de los poros del suelo, el ncremento de carga es transmtdo a la estructura del suelo. La transferenca de carga es acompañada por un cambo en el volumen del suelo gual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocdo como consoldacón. Este es un proceso que tene un tempo acotado de ocurrenca, comenza cuando se aplca el ncremento de carga, y fnalza cuando la presón de los poros es gual a la hdrostátca, o lo que es lo msmo, cuando se ha producdo la totaldad de la transferenca de carga del agua a la estructura de suelo. Termnado este proceso llamado consoldacón prmara, el suelo contnúa deformándose, aunque en menor magntud, debdo a un reacomodamento de los granos. A este últmo proceso se lo denomna consoldacón secundara. El asento total, suponendo que el últmo valor meddo concde con el momento en que desaparece toda la sobrepresón nterstcal creada al aplcar la carga, es una medda de la deformacón del esqueleto del suelo. S se realzan varos escalones de carga, se obtendrá una curva de compresbldad, que relacona la presón efectva (en escala logarítmca) con la deformacón del esqueleto mneral, expresada por el índce de poros o relacón de vacíos. El propósto fundamental del ensayo de consoldacón es determnar certos parámetros que se utlzan para predecr la velocdad y la magntud del asentamento de estructuras fundadas sobre arcllas. Además, el ensayo permte obtener nformacón acerca de la hstora de presones a que ha sdo sometdo el suelo. Los parámetros más mportantes que se obtenen del suelo al realzar el ensayo son: a) El coefcente de consoldacón (c v ), que ndca el grado de asentamento del suelo bajo un certo ncremento de carga y vnculado a la velocdad del msmo. b) El índce de compresbldad (C c ), que expresa la compresbldad de una muestra. c) La presón de preconsoldacón (P c ), que ndca la máxma presón que ha soportado el suelo en su hstora geológca. pág.
2. EQUIPO NECESARIO - Molde del consoldómetro, de seccón gual a 00 cm 2, el cual está compuesto por: Base de bronce con canales para permtr el drenaje del agua. Anllo de bronce que contene la muestra de arclla saturada. Anllo de bronce, de sujecón, que vncula la base con el que contene la muestra medante tornllos. Tornllos de fjacón y juntas de goma para sellar las unones. Tubos laterales que se comuncan a través de los canales de la base con la pedra porosa nferor. 2- Juego de dos pedras porosas. 3- Papel de fltro para ser utlzado entre la muestra de suelo y la pedra porosa. 4- Cabezal de carga. 5- Mecansmo de transmsón de carga a palancas. 6- Extensómetro con precsón 0,00. 7- Balanza de laboratoro sensbldad 0,0 gr. 8- Horno de secado. 9- Elementos menores (cuchllo o espátula cortante, probeta, pesafltros, etc.). 3. PROCEDIMIENTO - Se coloca en el nteror de la base del molde del consoldómetro la pedra porosa nferor y sobre ésta un papel de fltro. 2- Luego se ntroduce el anllo que contene la muestra de suelo a ensayar, colocándose sobre la muestra papel de fltro y la pedra porosa superor. 3- Posterormente se fja con los tornllos correspondentes el anllo de sujecón de la pedra porosa superor, el que permte mantener agua sobre la muestra, para evtar pérdda de humedad por evaporacón. Para prevenr que las pedras porosas tomen humedad de la muestra, deben estar lbres de are entrampado antes de montar la undad. Es mportante centrar correctamente las pedras porosas para prevenr el atascamento contra el anllo durante la prueba. 4- Después de armado, el consoldómetro se asenta sobre la plataforma del mecansmo de transmsón de cargas, ubcando el cabezal de carga sobre la pedra porosa superor, y se llenan de agua los tubos laterales que comuncan con la pedra porosa nferor, comenzando la saturacón de la muestra. 5- Cuando está preparado para ncar el ensayo, el extensómetro para medr las deformacones vertcales debe ser puesto en cero, y la palanca de aplcacón de carga debe estar en poscón horzontal. 6- Se aplca una carga en el sstema de tal manera de obtener una presón de 0,0 o 0,25 Kg/ cm 2 ( 0 o 25 KPa) en la muestra de suelo y se comenza a tomar lecturas de tempo y deformacones vertcales, para conocer la deformacón correspondente a dstntos tempos. Es útl utlzar la sguente secuenca: 8 seg, 5 seg, 30 seg, mn, 2 mn, 4 mn, 8 mn, 5 mn, 30 mn, hs, 2 hs, 4 hs, 8hs, 6 hs, 24 hs, etc. Cabe recordar que la barra de suspensón frontal tene una multplcacón mecánca de a 40, mentras que la barra de suspensón posteror tene una relacón de a 0. Las medcones se realzan hasta que la velocdad de deformacón se reduzca práctcamente a cero, o sea cuando se haya sobrepasado la consoldacón prmara y se encuentra la consoldacón secundara, lo que podrá determnarse en los gráfcos de consoldacón, realzados durante la ejecucón del msmo. Para la mayoría de las arcllas el pág 2
período necesaro de aplcacón de la carga para obtener el cen por cento de consoldacón es de 24 hs. 7- Luego de obtenda la lectura fnal de un escalón, se prosgue el ensayo aplcando cargas en una progresón geométrca con una relacón ncremental P/P=, regstrándose lecturas de tempo y de deformacones vertcales como en el punto anteror. Se sgue aplcando ncrementos de carga hasta que en la gráfca de compresbldad se esté en el tramo recto o vrgen. Luego se podrá descargar en dos o tres decrementos de carga hasta la presón ncal. 8- Posterormente se recargará hasta llegar a una presón superor a la lograda en la etapa de carga, de manera de ngresar a la prolongacón del tramo vrgen correspondente al prmer cclo de carga. 9- Luego de retrada toda la carga, se deja que la muestra expanda hasta que no se regstre expansón en el extensómetro por un período de 24 hs. 0- Al termnar la prueba, se quta el extensómetro y se desarma el consoldómetro. Se seca el agua del anllo del consoldacón y de la superfce de la muestra, para regstrar el peso del conjunto. Luego de secado en horno se conoce el peso seco de la muestra (W d ), con lo que se puede calcular peso específco seco fnal ( d ). 4. CÁLCULOS Y REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Una vez colocada la muestra en el anllo del consoldómetro, se pesa el conjunto, y como el peso del anllo es conocdo, se puede determnar el peso húmedo de la muestra (W h ). Calculando prevamente la humedad de la muestra, se puede obtener el peso seco (W d ) y con ello la altura de sóldos (hs) y el peso específco seco ncal ( d ), utlzando las sguentes expresones: h s = Wd A Gs γ ω γ d = Wd V donde: W d = peso del suelo seco en el anllo. = seccón del anllo. G s = peso específco relatvo de los sóldos. γ ω = peso específco del agua. V = volumen del anllo. Luego es posble calcular para cada escalón la altura de la probeta (H ), y la altura de vacíos (h v ), por medo de las sguentes expresones: H = H0 δ hv = H hs pág 3
donde: H = altura fnal de la probeta para un escalón de carga. H 0 = altura ncal de la probeta. δ = asentamento fnal para un escalón de carga. h v = altura de vacíos para un escalón de carga. h s = altura de sóldos de la probeta. Con esto es posble calcular la relacón de vacíos para cada escalón de carga (e ): e = h h v s CURVA DE CONSOLIDACIÓN Con los datos regstrados para cada escalón de carga, se traza la curva de consoldacón, en la que se puede representar en abscsas el log t o que mde la deformacón vertcal de la muestra. t, y en ordenada la lectura del extensómetro CURVA DE COMPRESIBILIDAD Para cada ncremento de carga aplcado se tene fnalmente un valor de relacón de vacíos y otro de presón correspondente, actuante sobre el espécmen. De todo el ensayo de consoldacón, una vez aplcados todos los ncrementos de carga, se tenen valores que permten construr una curva en cuyas abscsas se representan los valores de la presón actuante, en escala logarítmca y en ordenadas se anotan los correspondentes valores de la relacón de vacíos en escala natural. COEFICIENTE DE CONSOLIDACIÓN (c v) Para el cálculo del coefcente de consoldacón, en cada escalón de carga, se utlza la expresón: c v = T H t 2 donde: T = es el factor tempo, cuyo valor es 0,97 para un tempo de consoldacón del 50 %, y 0,848 para un t=90%. H = longtud para el máxmo camno de drenaje durante un ncremento de carga dado. S la muestra es doblemente drenada, el valor de H será la mtad de la altura de la msma. t = tempo para el correspondente factor de tempo, obtendo de la curva de consoldacón. ÍNDICE DE COMPRESIBILIDAD (C c) En la curva de compresbldad, se dstnguen tres tramos ben dferencados: la rama de recomprensón, la rama vrgen y la rama de descarga. pág 4
En el tramo recto o vrgen, la varacón del índce de vacíos es lneal con el logartmo de las tensones aplcadas, es por ello que se puede determnar la pendente de esta recta, denomnada índce de compresón (C c ), utlzando la sguente expresón: C c e = = log e e ( P P ) log( P P ) + + + donde: e = relacón de vacíos para un estado. P = presón transmtda al suelo para un estado. De gual modo, en la rama de descarga se puede obtener el índce de expansón C s como: C s e = = log e e ( P P ) log( P P ) + + + Es de resaltar que la nclnacón de la curva de compresbldad, es una medda de la compresbldad de la arclla. La pendente del tramo de curva que se encuentra por debajo de la carga de preconsoldacón, es menor que la pendente del tramo vrgen. CARGA DE PRECONSOLIDACIÓN De la curva de compresbldad, se puede observar que cuando se realza la recarga por encma de las presones alcanzadas durante la carga ncal, la línea recta de recompresón es paralela a la rama de carga. S se compara la curva de recarga con la curva de carga de una muestra nalterada de una arclla depostada naturalmente, se nota la gran smltud exstente. Casagrande propuso un método empírco para la determnacón gráfca de la carga de preconsoldacón, denomnándose así a la mayor presón posble bajo la cual se consoldó la muestra durante su pasado geológco. El método consste en: a) Se traza una tangente por el punto de mayor curvatura de la curva. b) Por ese punto de tangenca se traza una línea horzontal. c) Se traza la bsectrz del ángulo formado por la tangente y la línea horzontal. d) Se prolonga la recta vrgen hasta nterceptar la bsectrz. e) En el punto de ntercepcón del tramo recto y la bsectrz se traza una vertcal que permte leer en el eje de las abscsas el valor de la carga de preconsoldacón. pág 5
FACULTAD DE INGENIERÍA-U.N.N.E. LABORATORIO DE SUELOS ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN DATOS DE LA MUESTRA: Suelo Escalón Nº Carga Flexímetro: Arclla Kg 0,000 /dv. Fecha Hora Tempo t (mn) Log t t 8 seg 5 seg 30 seg mn 2 mn 4 mn 8 mn 5 mn 30 mn hs 2 hs 4 hs 8 hs 6 hs 24 hs Lectura flexímetro Asentamento ( ) pág 6
FACULTAD DE INGENIERÍA-U.N.N.E. LABORATORIO DE SUELOS ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN DATOS DEL ENSAYO: Anllo Nº Peso del anllo W a = gr Seccón del anllo A = 00 cm 2 Altura del anllo H = cm Volumen del anllo V = cm 3 Humedad ncal % Peso anllo y muestra húmeda W a+m = gr P.E. relatvo de sóldos Gs = Peso de muestra seca W d = gr Altura de sóldos h s = cm P.E. seco d = gr/cm 3 Relacón de vacíos ncal e = Fech a Presón efectva (kg/cm 2 ) Asentame nto (mm) Altura de la probeta (H ) Altura de vacíos (h v ) Relacón Longtud de de vacíos (e ) drenaje Coefcente de consoldacón (c c ) pág 7
CONSOLIDACIÓN Ensayo realzado en el º cuatrmestre de 2.008 Para la realzacón del ensayo se confecconó una probeta en el anllo del consoldometro, se montó el msmo y se calbró el flexímetro con una lectura ncal gual a cero. Posterormente se cargó con las pesas necesaras para transmtr a la probeta una presón de 40 Kpa y se dejó consoldar totalmente. El día del ensayo, que se ndca en la planlla sguente, se duplcó la carga, regstrándose en el nstante ncal una lectura de 5 vueltas y 73 dvsones. La nformacón en bruto tomada del consoldometro con una presón total de 80 Kpa se ndca a contnuacón: fecha hora tempo lectura lectura temp vuelta dvsone fecha hora o vueltas dvsones s s 7/05/04 7:05 00:00 5 73 20:30 9 74 6'' 6 20 9/05/04 3:30 0 6 5'' 6 27 7:05 0 22 30'' 6 33 20:30 0 28 ' 6 40 20/05/04 3:30 0 46 2' 6 49 2/05/04 0:20 0 59 4' 6 63 4:00 0 6 8' 6 8 20:30 0 65 7:20 5' 6 02 23/05/04 8:30 0 78 7:35 30' 6 37 24/05/04 4:00 0 82 8:05 h 6 90 20:30 0 84 9:05 2h 7 63 25/05/04 8:30 0 87 20:30 7 42 26/05/04 3:30 0 90 8/05/04 0:00 9 78 9:00 0 92 5:30 9 30 En las planllas sguentes se ha volcado los datos resultantes del ensayo necesaros para la confeccón de las curvas; ellos son: tempo - lecturas del flexímetro (son las columnas exterores); en la 2 S columna se agrega logartmo del tempo en segundos y en la 3 S se sustrae de las lecturas un número constante para "colgar" las msmas de una referenca t (seg.) log. t lect. lect. flex. t (seg.) log. t lect. lect. flex. 0,73 98,700 4.994 226,974 6 0.778 980,220 59,900 5.204 84 2,06 5.76 973,227 72,800 5.238 78 2,022 30.477 967,233 85,00 5.267 72 2,028 60.778 960,240 246,300 5.39 54 2,046 20 2.079 95,249 32,300 5.507 4 2,059 240 2.380 937,263 334,500 5.524 39 2,06 480 2.68 99,28 357,900 5.554 35 2,065 900 2.954 898,302 437,00 5.64 22 2,078,800 3.255 863,337 507,300 5.705 8 2,082 3,600 3.556 80,390 530,700 5.725 6 2,084 7,200 3.857 737,463 609,900 5.785 3 2,087 2,300 4.090 658,542 678,300 5.83 0 2,090 pág 8
60,900 4.785 322,878 698,00 5.844 08 2,092 80,700 4.907 270,930 Luego de establzado el sstema se procede a desmontar todo el aparato. Se pesa el anllo con la probeta adentro: Wan + Sh = 2.326, 77g Se lleva anllo y probeta a estufa hasta consegur peso constante, el que resulta: Y el peso del anllo vacío: W anss = 2.28, 63g W an =.728,63 La humedad fnal del suelo resulta: ω = 2.326,77 2.28,63 = 2.28,63.728,63 0.4953 = 49,53% Aplcando lo vsto en teoría, y asumendo que la saturacón de la probeta es total, la relacón de vacíos fnal será: e = ω G = 0,4953 = 2,65 =,3 Además de la relacón de vacíos fnal se puede calcular la que tenía el suelo cuando sobre el msmo actuaba una presón efectva de: 80 KPa; 40 Kpa y 0 ya que para esas presones se cuenta con las respectvas deformacones. Es, (sabendo que la constante del flexímetro es 0,000"/dv.) : p' (Kpa) lect. def. (mm) 0 0 v. 63 dv 5.2400 80 0 v. 92 dv 5.337 40 5 v. 73 dv 2.9794 0 0 v. 0 dv 0.0000 En la tabla anteror el orden es: a) la probeta luego de la descarga b) la últma lectura del escalón realzado c) la últma lectura antes de cargar para el escalón del ensayo d) la lectura ncal antes de cargar con 40 Kpa Sabendo que (ver teoría) δ e = y: h sól h hsól = + e pág 9
25,4 5,24 h sól = = 8, 73mm +,3 y las relacones de vacíos: 5,337 5,2400 para 80 Kpa: e =,3 =,3 0,0084 =, 306 8,73 5,337 2,9794 para 40 Kpa: e2 =,306 + =,306 + 0,2674 =, 5690 8,73 2,9794 0 antes de cargar: e =,5690 + =,5690 + 0,343 =, 903 8,73 con los valores anterores puede calcularse la permeabldad del suelo ensayado cuando éste está sometdo a una sobrepreson entre 40 y 80 KPa: k = C v m v γ w y: T H t 2 C v = C v se calcula para el tempo correspondente al 50% de consoldacón del escalón aplcado; para ello se determna en la curva el 0% y 00% de consoldacón y consecuentemente el tempo para el que se cumplía la mtad del proceso (50%) el factor tempo T para ese porcentaje de consoldacón es teórco y vale 0,97; el valor H es el espesor efectvo, en este caso la mtad del espesor de la probeta, por lo que es posble calcular C ; m es: v v e,5690,306 2 m v = = = 0,26cm / kg 2 p' + e 0,4kg / cm ( +,5690) lo que resta entonces es trabajar con la curva de consoldacón lo que depende de cada caso en partcular. pág 0