Ensayo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CICLO 2019-I

ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL ASTM D 2435

CURSO: Mecánica de Suelos II

EC513 – J

DOCENTES: Ing. César A. Atala Abad Ing. Engelbert Carrera C. ALUMNOS:    

AGUILAR MEDINA, Keren COSSIO PAREDES, Gabriela MACHACUAY PUMA CCAMA, Diego Valentín

20161038D

20161120B

Primer Informe de Laboratorio. 30/04/2019

INTRODUCCIÓN Todos los materiales experimentan deformaciones al ser sujetos a un esfuerzo determinado, estos esfuerzos pueden depender o no del tiempo. Las relaciones entre los esfuerzos, las deformaciones y el tiempo, varían según el material a analizar. Las relaciones más sencillas se producen se producen en los materiales elásticos lineales, donde el esfuerzo y la deformación son proporcionales e independientes del tiempo. En un suelo saturado, al aplicarle fuerzas exteriores, se le provoca una deformación, pero no es instantánea. Los resultados de un ensayo de consolidación dependerán del tipo de suelo que se analice, teniendo en cuenta sus características como su consistencia y su ubicación estratigráfica. El asentamiento total se estima mediante la teoría de consolidación. Sin embargo, resulta de mayor importancia el análisis de los posibles asentamientos diferenciales que se puedan presentar. El suelo tiene características y comportamiento menos uniforme que otros materiales. Esto hace menos predecible el comportamiento de los suelos. EL reto principal de un ensayo de consolidación es el análisis de los aspectos involucrados que permitan estimar la deformación de una masa de suelo sometida a una carga y la afectación de la estructura que soporta.

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ÍNDICE DE CONTENIDO OBJETIVOS: ......................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO: ................................................................................................... 3 CONSOLIDACIÓN: ............................................................................................................ 3 ASENTAMIENTO: ............................................................................................................. 3 ASENTAMIENTO ELÁSTICO:........................................................................................ 3 CONSOLIDACIÓN PRIMARIA: ...................................................................................... 4 CONSOLIDACIÓN SECUNDARIA: ................................................................................ 4 DIFERENCIA ENTRE COMPACTACIÓN Y CONSOLIDACIÓN: ....................................... 5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO: ......................................................................................... 6 NORMAS, VALORES TÍPICOS, ALCANCE Y POSIBLES FACTORES QUE CONLLEVAN AL ERROR DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN: ............................................................... 7 CUESTIONARIO: .................................................................................................................. 7

ÍNDICE DE IMÁGENES Ilustración 1: Torre de Pisa, Italia. Inclinada debido al asentamiento del suelo. ..................... 3 Ilustración 2: Gráfica Tiempo (escala logarítmica) vs Deformación. ...................................... 5 Ilustración 3: Diferencia entre compactación y consolidación. ............................................... 5 Ilustración 4: Representación gráfica de consolidación con la analogía mecánica de Terzaghi. ............................................................................................................................... 7

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ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL OBJETIVOS: FUNDAMENTO TEÓRICO: CONSOLIDACIÓN: Es todo proceso que signifique disminución de volumen en la masa de suelo con respecto al tiempo y al estado de carga que actúa sobre la misma. Son deformaciones, asentamientos que se producen principalmente en suelos arcillosos saturados a través del tiempo, es decir no son inmediatos.

Ilustración 1: Torre de Pisa, Italia. Inclinada debido al asentamiento del suelo.

ASENTAMIENTO: El asentamiento es definido como la compresión de una masa de suelo debido a la aplicación de cargas en (o cerca) de la superficie. El asentamiento total de un suelo puede estar dado por: Asentamiento elástico: Son inmediatos y distintivos de los suelos granulares. Es causado por la deformación elástica del suelo seco y de los suelos húmedos sin ningún cambio en el contenido de humedad, manifestándose como una disminución rápida de volumen por expulsión de aire. Los cálculos de los asentamientos elásticos se basan generalmente en ecuaciones derivadas de la teoría de la elasticidad.

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Consolidación primaria: Es un proceso hidrodinámico que significa la disipación del exceso de presión sobre el hidrostático y su transferencia en esfuerzo efectivo. La expulsión del agua y el reacomodo de las partículas de suelo a posiciones más estables, produce la disminución de volumen. Es el proceso más significativo del proceso de consolidación. Este método asume que la consolidación ocurre en una sola dimensión. Los datos de laboratorio utilizados han permitido construir una interpolación entre la deformación o el índice de vacíos y la tensión efectiva en una escala logarítmica. La pendiente de la interpolación es el índice de compresión. La ecuación para el asiento de consolidación de un suelo normalmente consolidado puede ser determinada entonces como:

𝑆𝑝 =

𝐶𝑐 𝐻 𝜎 ′ 0 + ∆𝜎 ′ log⁡( ) 1 + 𝑒0 𝜎 ′0

Donde:      

𝑆𝑝 : Asentamiento debido a la consolidación primaria. 𝐶𝑐 : Índice de compresión. 𝑒0 : Relación de vacíos inicial. 𝐻: Altura de suelo consolidante. 𝜎 ′ 0 : Presión efectiva geostática o presión inicial. ∆𝜎 ′ : Aumento de la presión vertical.

Consolidación secundaria: Consiste en un proceso de mayor y mejor reacomodo de las partículas de suelo a posiciones más estables, significa la movilidad del agua altamente viscosa, proceso diferido en mayor grado con respecto al tiempo. La consolidación secundaria tiene lugar después de la consolidación primaria a consecuencia de procesos más complejos que el simple flujo de agua como pueden ser la reptación, la viscosidad, la materia orgánica, la fluencia o el agua unida mediante enlace químico algunas arcillas. En arenas el asiento secundario es imperceptible, pero puede llegar a ser muy importante para otros materiales como la turba. Durante la consolidación secundaria, la gráfica de la deformación en función del logaritmo de tiempo es prácticamente lineal. La variación del índice de vacíos e con el tiempo t para un incremento de carga dado será similar a la anterior gráfica. La consolidación secundaria se puede aproximar mediante la siguiente fórmula:

𝑆𝑠 = 𝐶𝛼

𝐻 𝑡2 log⁡( ) 1 + 𝑒𝑝 𝑡1

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Donde:    

𝑆𝑠 : Asentamiento debido a la consolidación secundaria. 𝐶𝛼 : Índice de compresión secundaria. 𝑒𝑝 : Relación de vacíos en el extremo de la consolidación primaria. 𝐻: Espesor de capa de arcilla.

Ilustración 2: Gráfica Tiempo (escala logarítmica) vs Deformación.

DIFERENCIA ENTRE COMPACTACIÓN Y CONSOLIDACIÓN: Muchas veces el concepto de consolidación y compactación es confundido. Para entender su diferencia utilizaremos en diagrama de fases:

Ilustración 3: Diferencia entre compactación y consolidación.

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La compactación incrementa la densidad de un suelo no saturado por reducción en el volumen de vacíos. La consolidación es un proceso que incrementa la densidad de un suelo saturado producto de la expulsión de agua de los vacíos, es diferido en el tiempo. Está relacionada generalmente con los suelos finos. Los suelos gruesos expulsan el agua de sus vacíos mucho más rápido debido a su elevada permeabilidad. Por el contrario, una arcilla saturada tarda mucho en consolidarse debido a su baja permeabilidad.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO: Este ensayo representa un estrato saturado, cargado extensamente en sentido vertical y donde la deformación horizontal permanece nula al aplicar la carga. Debemos saber que en un primer momento toda la carga aplicada es recibida por la presión de poros. La compresión del suelo es posible solo cuando hay un incremento en los esfuerzos efectivos, que a su vez requiere que la relación de vacíos disminuya por la expulsión del agua contenida en los poros.  

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Se introduce la muestra en el anillo de consolidación con ayuda de una espátula para así tallarla y sea más fácil colocarla. Enrasar la muestra y pesar el conjunto. Con los restos del enrasado de la muestra, se obtiene la humedad inicial de la muestra, gravedad específica de sólidos y límites de consistencia. En función al diámetro del anillo de consolidación y la altura de la muestra, se determina el volumen. Se humedecen las piedras porosas y el papel filtro N° 54. Si el suelo está parcialmente saturado en caso contrario mantenerla seca si el suelo es expansivo. Ensamblar la caja de consolidación colocando la muestra en el papel filtro y las piedras porosas Llenar la caja de consolidación con agua hasta saturar la muestra. Dicha muestra se somete a cargas verticales que se aplican mediante un brazo de palanca. Colocar las cargas sobre el consolidómetro para obtener las presiones sobre el suelo, y así registrar la altura de la muestra. Al colocar cada carga se activa el cronómetro y se registran las lecturas del extensómetro en intervalos de tiempo adecuados. Se aplican varios incrementos de esfuerzos durante el ensayo. El siguiente incremento de carga se aplica cuando ya se ha completado la consolidación primaria. La duración de cada incremento de carga debe ser de 24 horas, aunque este valor puede variar de acuerdo al tipo de material. Una vez tomada la última lectura con el último incremento de carga, se realiza el proceso de descarga. Se toman lecturas del extensómetro en diferentes tiempos. Finalmente se retira el consolidómetro y del anillo se extrae el total de la muestra, se pesa y se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco.

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NORMAS, VALORES TÍPICOS, ALCANCE Y POSIBLES FACTORES QUE CONLLEVAN AL ERROR DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN: CUESTIONARIO: 1.- ¿Qué ocurre cuando se realiza el ensayo de consolidación de una arena de duna? ¿Cómo saldrían los gráficos?

2.- En una arcilla saturada, ¿Qué ocurre cuando termina el proceso de consolidación? ¿Se incrementa o se reduce su resistencia?

3.- Explique el fenómeno de consolidación con la analogía mecánica de Terzaghi. La deformación dependiente del tiempo de suelo arcilloso saturado puede entenderse mejor teniendo en cuenta un modelo simple que consiste en un cilindro con un resorte en su centro. Sea “A” el área dentro de la sección transversal del cilindro. El cilindro está lleno de agua y tiene un pistón impermeable sin fricción unido a un resorte y una válvula. En este momento, si colocamos una carga P sobre el pistón y mantenemos la válvula cerrada, toda la carga será tomada por el agua en el cilindro porque el agua es incompresible. El resorte no pasará por ninguna deformación. El exceso de presión hidrostática en este momento se puede dar como:

∆𝑢 = 𝑃/𝐴

Ilustración 4: Representación gráfica de consolidación con la analogía mecánica de Terzaghi.

Con esto en mente, podemos analizar la deformación de una capa de arcilla saturada sometida a un aumento del estrés. Consideremos el caso en el que una capa de arcilla saturada de espesor H que está confinada entre dos capas de arena está siendo sometida a un aumento instantáneo del esfuerzo total ∆σ. Este incremento del esfuerzo total se transmitirá al agua intersticial y los sólidos del suelo. Esto significa que el esfuerzo total, ∆σ, se divide en alguna proporción entre el esfuerzo y la presión efectiva del agua del poro. 7

El cambio en el comportamiento del esfuerzo efectivo será similar al del resorte y el cambio en el comportamiento de la presión del agua intersticial será similar al del exceso de presión hidrostática. A partir del principio de esfuerzo efectivo, se deduce que:

∆σ = ∆σ′ + ∆u

Donde:  

∆𝜎 ′ ⁡: Aumento del esfuerzo efectivo ∆u : Aumento de la presión de agua intersticial

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