ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN 1. Exposición General

(1)

ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN 1. Exposición General

Cuando se somete un suelo a un incremento en presión (o carga), ocurre un reajuste en la estructura de suelo que podría considerarse primeramente como una deformación plástica correspondiente a una reducción en la relación de vacíos. Puede producirse también una pequeña cantidad de deformación elástica, pero considerando la magnitud de las cargas (o presiones de contacto) involucradas y el hecho de que el módulo de elasticidad de los granos sea del orden de 20 Mpa, la deformación elástica (la cual es recuperable cuando la carga se remueva ) es despreciable.

Cuando se aplica una carga a un suelo de grano fino saturado parcial o totalmente, el tiempo para lograr la deformación plástica y la reducción en la relación de vacíos es mucho mayor, y para este proceso dependerá de varios factores, entre los cuales los principales son:

El grado de saturación.

El coeficiente de permeabilidad del suelo.

Las propiedades del fluido de los poros.

La longitud de la trayectoria que debe recorrer el fluido expulsado de la muestra para encontrar el equilibrio.

Se define a continuación consolidación como la deformación plástica debida a reducción en la relación de vacíos (generalmente llamada asentamiento) la cual es función del tiempo.

EQUIPO

 Aparato de consolidación (Figura 1a)

 Celda de consolidación (Figura 1b)

 Aparato de moldeado de muestras

 Balanza de 0.1 g de precisión

 Horno

 Medidor de desplazamiento analítico (Figura 1c)

 Cronómetro

 Recipientes para determinación de humedad

a) Aparato de consolidación b) Celda de consolidación c) Medidor de desplazamiento

Figura 1: Componentes principales del aparato de consolidación

(2)

1. PRINCIPIO DEL MÉTODO

Un espécimen de suelo saturado de aproximadamente 63 mm de diámetro y 25 mm de espesor es restringido lateralmente y cargado axialmente con incrementos de esfuerzos totales. Cada incremento de esfuerzo se mantiene por un período de tiempo para permitir que el exceso de presión de poros sea eliminado en su totalidad (teóricamente). La presión de poros se asume que es disipada basado en la interpretación del comportamiento de deformación vs. tiempo bajo el esfuerzo total constante. En el ensayo se determinan los cambios de altura de la muestra los cuales son utilizados para determinar la relación que existe entre el esfuerzo axial efectico y la relación de vacíos o deformación. El ensayo también permite evaluar la tasa de consolidación del suelo a través de mediciones de deformación y tiempo durante un incremento de carga axial especifico.

2. MÉTODO DE ENSAYO

4.1 Método A: este método de ensayo es realizado con incrementos de carga cada 24 hrs. Se requiere realizar mediciones de deformación, carga y tiempo en al menos dos incrementos de cargas. Este método de ensayo solo proporciona la curva de compresión el espécimen y los resultados incluyen las deformaciones debido a consolidación primaria y secundaria.

4.2 Método B: se requiere realizar mediciones de deformación, carga y tiempo en todos los incrementos de cargas. Se aplican incrementos de cargas cuando se ha alcanzado el 100% de consolidación primaria, o en periodos constantes de aplicación de incrementos como se hace el método A. Este método proporciona la curva de compresión, incluyendo data explicita para determinar la compresión secundaria, el coeficiente de consolidación y la tasa de compresión secundaria.

5. PROCEDIMIENTO

5.1 El ensayo de consolidación (odométrico) se utiliza para investigar las propiedades de compresibilidad de un suelo de baja permeabilidad (k) (ejemplo: arcillas), ya sea bajo cargas de compresión simple o expansión del suelo.

5.2 La muestra de suelo se moldea en una pastilla de suelo de aproximadamente 50 mm a 63 mm de diámetro y 25 mm de espesor (relación de 1:2 mínimo) (diámetro: espesor).

5.3 La pastilla de suelo se coloca en un molde de acero de forma circular. El rin impedirá la deformación lateral de la pastilla de suelo, por lo tanto, la deformación sólo ocurrirá en la dirección vertical.

5.4 A la pastilla de suelo se le colocan dos piedras porosas, una arriba y una abajo, para permitir que el agua fluya libremente mientras ésta es expulsada de los poros de la pastilla de suelo.

5.5 Una vez completado los pasos anteriores, la pastilla de suelo se inunda en agua y se deja por

un período de tiempo hasta que la masa de suelo se sature (tal como lo requiere la teoría de

consolidación–suelo saturado).

(3)

5.6 La carga vertical σ

v

=(W/Área) se aplica, luego se incrementa (o decrece) gradualmente y se mide la deformación de la muestra de suelo utilizando un medidor de deformación digital o análogo.

5.7 El esfuerzo inicial depende del tipo de suelo. Luego el esfuerzo siguiente se duplica con respecto al anterior. Generalmente se emplea un esfuerzo de 5 kPa para sentar la muestra en su etapa inicial ).

5.8 Cada esfuerzo se mantiene por un período de 24 hrs. (generalmente). Se supone que luego de este periodo de tiempo el exceso de presión de poros generado por el incremento de carga se ha disipado.

5.9 Las lecturas se toman a: t= [0, 15, 30 seg.]…[1, 2, 4, 8, 15, 30 min.] y [1, 2, 4, 8, 24 hrs.]

5.11 Al final de cada incremento de carga, se estima que el exceso de presión de poros (Δu

e

), producto del incremento de carga, se ha disipado (Δu

e

=0).

5.12 Como Δu

e

=0, el incremento de esfuerzo (Δσ

v

) es igual al incremento de esfuerzo efectivo (Δσ

v

=Δσ

v

’).

5.13 Se grafica la relación de vacíos versus el logaritmo del esfuerzo efectivo (σ’).

6. CÁLCULOS

6.1 Calcular la altura de la fase sólida (H

s

), la fase vacía (H

v

) y la relación de vacíos inicial (e

o

) utilizando las siguientes expresiones:

v S

H  H H 

s ^s s w

H W

AG 



o ^v ^v

s s

V H e  V  H

Donde: H= altura original de la muestra; W

s

=peso de suelo seco de la muestra; A= área de la

sección transversal; G

s

= gravedad especifica del suelo; γ

w

=peso específico del agua; V

v

=volumen

de vacíos de la muestra.

(4)

H v

H s

H

FASE LÍQUIDA

FASE SÓLIDA

Area de Sección A

? H 1

Figura 2: Representación gráfica de las fases de la muestra durante el ensayo

6.2 Determine el cambio de altura del espécimen (ΔH

i

) y la nueva altura de la muestra (H

i

) para cada incremento de carga.

H d d

o

   ; H

_i

 H

_o

  H

Donde: d= lectura final (mm) del periodo de aplicación de cada incremento y; d

o

= es la altura inicial del espécimen antes de inicial aplicación del incremento de carga

6.3 Determine el cambio en la relación de vacíos (Δe

i

) para cada incremento de carga:

o i

e e e

  

6.4 Grafique la relación de vacíos vs. Log. (σ’

v

) y se determina el coeficiente de compresión (C

c

), Coeficiente de expansión (C

r

o C

s

) y la presión de preconsolidación.

Figura 3: Gráfico de consolidación típico en suelos compresibles σ'

v

= esfuerzo vertical inicial

σ'

p

= esfuerzo de preconsolidación Δσ'

v

= incremento de esfuerzo vertical C

c

= pendiente de la curva de e vs. log(σ'

v

) después de que pasa σ'

p

(curva de compresión virgen).

C

c

= pendiente de la curva de e vs. log(σ'

v

)

antes de que pasa σ'

p

(curva de

recompresión).

(5)

6.5 Se grafica el cambio de altura de la muestra vs. Log(tiempo) o cambio de altura de la muestra vs. (tiempo)

^1/2