consolidación unidimensional de los suelos

ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS

ASTM D 2435-90

AASHTO T 216

Competencias Técnicas de Laboratorista

en Mecánica de Suelos

ALCANCE

Este ensayo describe el procedimiento para determinar

el grado de asentamiento que experimenta una

muestra de suelo al someterla a una serie de

incrementos de presión o carga.



EQUIPO

Aparato de carga.- con

una precisión de 0.5%

de la carga aplicada.

Caja de

consolidación.-

Piedras porosas.-



EQUIPO

Deformímetro.- con una sensibilidad de

0.01 mm (0.00254 in).

Balanza.- Con aproximación a 0.01 g

Anillo cortante cilíndrico.- con altura2.54 cm y el diámetro de 6.35 cm.



EQUIPO

horno

Otros equipos.- Recipientes paradeterminar el contenido de humedadde acuerdo con la norma ASTM D2216, sierra de alambre, cuchillos,calibrador, cronómetro y aguadestilada.



MUESTRA DE ENSAYO

Para este ensayo

generalmente se utilizan

muestras inalteradas (ASTM

D 3550) obtenidas de

bloques inalterados grandes

fabricados y sellados con

parafina en el campo.

Foto Nº 2: Muestra inalterada cubierta con parafina. El almacenamiento de muestras selladas deberá ser

tal que no pierdan humedad y que no haya evidencia

de secamiento parcial ni de contracción de los extremos

de la muestra. El tiempo de almacenamiento deberá

reducirse al mínimo.



PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Retire la capa de parafina de las paredes del bloque

inalterado.

Inserte el anillo cortante

en el bloque inalterado y

recorte la muestra

utilizando un cuchillo o

sierra de alambre.Foto Nº 3: Toma de muestras con el anillo cortante

en el bloque inalterado.

Enrase las caras superior

e inferior de la muestra

con un cuchillo y llene los

vacíos con el material

recortado. Foto Nº 4: Enrasado de las superficies planas de la muestra



PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

Extraiga la muestra del anillo

cortante y determine la altura

inicial (Ho) y el diámetro (D)

de la muestra tomando el

promedio de por lo menos tres

medidas.Foto Nº 5: Medición de la muestra

Calcule el volumen inicial (Vo) de la muestra, en

función del diámetro y de la altura inicial de la muestra.

Pese el anillo de consolidación y registre su masa

(Manillo), con una precisión de 0.01 g.



PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

Inserte la muestra en el anillo de

consolidación y determine la

masa inicial de la muestra (MTo)

pesando el conjunto anillo más

muestra y restando la masa del

anillo.

Obtenga dos o tres

determinaciones del contenido

de humedad inicial, utilizando el

material recortado de la muestra,

de acuerdo con la norma ASTM

D 2216. Foto Nº 7: Contenido de humedad inicial.

Foto Nº 6: Peso del anillo más muestra.



PROCEDIMIENTO

Humedezca las piedras porosas y el papel filtro si el

suelo está parcialmente saturado o manténgalas

secas si el suelo es expansivo.

Ensamble la caja de

consolidación

colocando la muestra

entre papel filtro y las

piedras porosas.

Foto Nº 8: Ensamblado de la caja de consolidación.



PROCEDIMIENTO

Coloque la caja de consolidación en el dispositivo de

carga poniendo sobre la muestra el disco móvil de

acero para uniformizar la carga.

Coloque el

deformímetro en el

aparato de carga con su

dispositivo para

sujetarse.

Foto Nº 9: Colocación del deformímetro.



PROCEDIMIENTO

Aplique una carga deasentamiento de 5 kPa (100 lb/ft2)para suelos firmes y de 2 ó 3 kPa(alrededor de 50 lb/ft2) para suelosblandos, (para producir estaspresiones se deben aplicar cargasde 160 y 80 g respectivamente).

Aplicada la carga de asentamientollene con agua la caja deconsolidación y deje que lamuestra se sature.

Foto Nº 10: Colocación de carga de

asentamiento.

Foto Nº 11: Saturación de la muestra.



PROCEDIMIENTO

Coloque cargas sobre el consolidómetro para

obtener presiones sobre el suelo de

aproximadamente 30.40, 61.80, 123.60, 248.20,

495.40, 991.80 etc. kPa, (para producir estas

presiones se deben aplicar cargas de 1, 2, 4, 8, 16,

32 Kg respectivamente). Antes de aplicar un

incremento de presion, registre la altura de la

muestra.



PROCEDIMIENTO

La duración de cada incremento

de carga debe ser de 24 horas.

Inmediatamente aplicado cada

incremento de carga, ponga en

marcha el cronómetro y registre las

lecturas de deformación de la

muestra a intervalos de 0.1, 0.25,

0.5, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos y 1,

2, 4, 8, y 24 horas.

Foto Nº 12: Colocación de cargas

sobre el aparato de consolidación.

Una vez tomada la última lectura con el último

incremento de carga, descargue el suelo mediante

reducciones de carga.



PROCEDIMIENTO

Para disminuir la expansión durante la descarga,

deberá descargarse la muestra hasta la carga

establecida de 5 kPa (100 lb/ft2) para suelos firmes y

de 2 ó 3 kPa (alrededor de 50 lb/ft2) para suelos

blandos. Una vez que se ha concluido el ensayo,

quite la carga final y desarme rápidamente la caja de

consolidación.

Pese la masa de la muestra extraída de la caja de

consolidación (MTf) pesando el conjunto anillo más

muestra y restando la masa del anillo, con una

precisión de 0.01 g.



PROCEDIMIENTO

Seque la muestra en el

horno hasta una masa

constante a una

temperatura de 110 5 C

(230 9 F), pese su masa

seca (MSf) y determine el

contenido de humedad

final, (Wf) de acuerdo con la

norma ASTM D 2216.

Foto Nº 13: Secado al horno de la

muestra.



CÁLCULOS

Calcule el contenido de humedad inicial y final,mediante la siguiente ecuación:

Contenido de humedad inicial:

Donde:

MHO=Peso del recipiente + muestra húmeda antes delensayo, g.

MS=Peso del recipiente + suelo seco antes del ensayo,g.

M recipiente=Peso del recipiente, g.

Wo=Contenido de humedad inicial, %



CÁLCULOS

Contenido de humedad final:

Donde:

MTf=Peso del anillo + muestra húmeda después del

ensayo, g.

MSf=Peso del anillo + suelo seco después del ensayo, g.

M anillo=Peso del anillo, g.



CÁLCULOS

Calcule la densidad seca inicial de la muestra, como

se indica:

Donde:

Ρd=Densidad seca de la muestra, g/cm3 ó Kg/m3.

Vo=Volumen inicial de la muestra, cm3 ó m3.

o

Sf

dV

M



CÁLCULOS

Calcule el volumen de los sólidos, como se indica:

Donde:

Vs=Volumen de sólidos, cm3.

G=Gravedad específica de los sólidos.

Ρw=Densidad del agua, 1.0 g/cm3 ó Mg/m3.

w

Sf

sG

MV

*



CÁLCULOS

Calcular la altura de los sólidos, como sigue:

Donde:

Hs=Altura de sólidos, cm (in).

A=Área de la muestra, cm2 (in2).

A

VH s

s



CÁLCULOS

Si no se conoce el valor de G, la altura de sólidos (Hs)

de la probeta, se puede calcular una vez concluido el

ensayo, mediante la expresión:

Donde:

Ho=Altura inicial de la muestra, cm (in).

ΔH=Asentamiento total de la muestra al finalizar el ensayo,

cm (in).

A

MMHHH

SfTf

os



CÁLCULOS

Calcule la relación de vacíos inicial y final, mediante la

siguiente ecuación:

Relación de vacíos inicial

Relación de vacíos final

s

so

oH

HHe

s

sf

fH

HHe



CÁLCULOS

Por lo tanto, la altura final se determina así:

Donde:

Ho=Altura inicial de la muestra, cm (in).

Hf=Altura final de la muestra para cada incremento de

carga, cm (in).

Hf = Ho – ΔH



CÁLCULOS Calcule el grado de saturación inicial y final, mediante la

siguiente ecuación:

Grado de saturación inicial

Grado de saturación final

Donde:

So=Grado de saturación inicial, %

Sf=Grado de saturación final, %

Ρw=Densidad del agua= 1 g/cm3

100*)(** sow

SfTo

oHHA

MMS

100*)(** sfw

SfTf

fHHA

MMS



CÁLCULOS

Calcule la relación de vacíos para cada incremento

de carga, mediante la siguiente ecuación:

Donde:

eo=Relación de vacíos inicial.

ΔHc=Variación de asentamiento para cada incremento

de carga, cm (in).

Hs=Altura de sólidos, cm (in).

s

c

oH

Hee



CÁLCULOS

Calcular la altura final para cada incremento de carga,

mediante la siguiente ecuación:

Donde:

ΔHc-1=Variación del asentamiento para un incremento de

carga anterior, cm (in)

Hfc=Altura final para cada incremento de carga , cm (in)



CÁLCULOS

Calcular la altura promedio (H) para cada incremento

de carga, mediante la siguiente expresión:

Donde:

Ho=Altura inicial de la muestra, cm ó mm.

2

fco HHH



CÁLCULOS

Calcular la longitud promedio de la trayectoria de

drenaje (Hm), para cada incremento de carga,

mediante la siguiente expresión:

Donde:

H=Altura promedio para cada incremento de carga, cm

(in).

2

HHm



Método del Logaritmo del Tiempo

Se grafica en escala semilogarítmica la curva

deformación (ordenadas) vs log tiempo (abscisas ).

Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90

Fig. 5.1 Curva deformación versus Log tiempo




Procedimiento para determinar el 100, 0 y 50%teórico de consolidación primaria:

• Trace una línea recta (C) a través de los puntos querepresentan las lecturas finales y que exhiben unatendencia recta y una inclinación suave.

• Trace una segunda recta tangente a la parte máspronunciada de la curva (D). La intersección entre lasdos rectas representa la deformación d100, y tiempot100, correspondiente al 100% de la consolidaciónprimaria. La consolidación que sobrepase el 100% sedefine como consolidación secundaria.





• Determine la deformación que representa el 0% de laconsolidación primaria, escogiendo un punto de lacurva próximo al eje de deformaciones (t1), observe eltiempo que le corresponde, localice sobre la curva elpunto cuya abscisa sea cuatro veces la del puntooriginalmente elegido (t2); la diferencia de ordenadasentre ambos puntos se duplica y éste valor se lleva apartir del segundo punto mencionado, sobre unaparalela al eje de ordenadas obteniéndose de estemodo un tercer punto sobre el cual se hará pasar unaparalela al eje de los tiempos que es la que define el0% teórico de consolidación.





Al punto medio del segmento entre el 0 y 100%teóricos de consolidación corresponderá el 50%. Eltiempo correspondiente a este porcentaje t50, quedadeterminado por la abscisa del punto de intersecciónde la curva y una paralela al eje de los tiempos,trazada por el punto medio del segmento. Ladeterminación de t50 debe hacerse para cada una delas curvas obtenidas en el proceso de consolidación.



Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo

• Se grafica en escala aritmética la curva deformación

(ordenadas) vs raíz cuadrada del tiempo (abscisas ).


Fig. 5.2 Curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo




Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% deconsolidación primaria:

• Trace una segunda línea recta (C) tomando dos omás puntos de la línea correspondiente del 0% deconsolidación y multiplique las abscisascorrespondientes por la constante 1.15. Laintersección de ésta con la curva define por suabscisa el tiempo que corresponde al t90.

• La deformación al 100% de la consolidación primariaes 1/9 mayor que la diferencia entre lasdeformaciones a 0 y 90% de consolidación.




Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% deconsolidación primaria:

• Trace una línea recta (A) a través de los puntos querepresentan las lecturas iniciales que muestra unatendencia de línea recta. Extrapole la línea hasta t = 0y obtenga la ordenada de deformación querepresenta el 0% de la consolidación primaria.




Calcule el coeficiente de consolidación para cada

incremento de carga, como sigue:

Para curva deformación versus log tiempo

50

197.0 2

t

xHmCv



Método de la Raíz Cuadrada del TiempoCalcule el coeficiente de consolidación para cadaincremento de carga, como sigue:

Para curva deformación versus raíz cuadrada deltiempo

50

197.0 2

t

xHmCv

Donde:

Cv= Coeficiente de consolidación, cm2/s.

Hm2=Longitud promedio de la

trayectoria de drenaje para cada

incremento de carga.

t50, 90=Tiempo correspondiente al

grado de consolidación para 50% ó

90%, s ó min.




Grafique la curva relación de vacíos (e) versuspresión (P) en escala semilogarítmica.


Fig. 5.3 Curva relación de vacios versus presión




• Esta gráfica es conocida como: Curva de

compresibilidad, que permite determinar la carga de

preconsolidación Pc, en kg/cm2, los índices de

compresión, expansión y compresnsibilidad, de la

siguiente manera:




Carga de Preconsolidación

Estime el punto máximo de curvatura, en la rama de

carga (B).

En el punto (B) dibuje una línea tangente (C), y una

línea paralela al eje de las presiones (D), y trace la

bisectriz de estas dos rectas (E).

Extienda una tangente que pase por la parte lineal de

la curva de carga (curva virgen) (F), hasta la

intersección con la bisectriz (E) en el punto (G).

La proyección del punto (G) sobre el eje de las

abscisas define la carga de preconsolidación, Pc.




Índice de compresión

La pendiente de la curva virgen del tramo de carga

determina el índice de compresión Cc, mediante la

siguiente expresión:

Donde:

Δe=Variación de la relación de vacíos.

ΔP=Variación de los logaritmos de la presión.

1log2log

21

PP

ee

P

eCc




Índice de expansión

La pendiente de la parte recta del tramo de

descarga determina el índice de expansión Ce,

mediante la siguientes expresión:

Donde:

e3– e2=Variación de la relación de vacíos.

P2-P3=Variación de los logaritmos de la presión.

3log2log

23

PP

eeCe




Coeficiente de compresibilidad

La pendiente de la curva virgen del tramo de carga

determina el índice de compresibilidad av, mediante la

siguiente expresión:

12

12

PP

ee

P

eav




Determine y registre el coeficiente de permeabilidad(k), mediante la siguiente ecuación:

Por lo tanto Cvm y em, se determinan así:

m

wvvm

e

aCk

1

**




Donde:

Cv1=Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la

presión del punto e1.

Cv2=Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la

presión del punto e2.

Cvm=Media aritmética entre el coeficiente Cv1 y Cv2.

Em=Media aritmética entre e1 y e2.

K=Coeficiente de permeabilidad en cm2/ s.



consolidación unidimensional de los suelos

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