Consolidación Unidimensional de los Suelos

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  • 1. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS ASTM D 2435-90 AASHTO T 216 Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 2. 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 3. EQUIPO Aparato de carga .- con una precisión de ± 0.5% de la carga aplicada. Caja de consolidación.- Piedras porosas .- Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 4. EQUIPO Deformímetro.- con una sensibilidad de 0.01 mm (0.00254 in). Balanza.- Con aproximación a 0.01 g Anillo cortante cilíndrico.- con altura 2.54 cm y el diámetro de 6.35 cm . Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 5. EQUIPO horno Otros equipos.- Recipientes para determinar el contenido de humedad de acuerdo con la norma ASTM D 2216, sierra de alambre, cuchillos, calibrador, cronómetro y agua destilada. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 6. 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 7. 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 Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 8. 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 (V o ) de la muestra, en función del diámetro y de la altura inicial de la muestra.
    • Pese el anillo de consolidación y registre su masa (M anillo ), con una precisión de 0.01 g.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 9. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
    • Inserte la muestra en el anillo de consolidación y determine la masa inicial de la muestra (M To ) 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. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 10. 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. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 11. 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 . Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 12. PROCEDIMIENTO
      • Aplique una carga de asentamiento de 5 kPa (100 lb/ft 2 ) para suelos firmes y de 2 ó 3 kPa (alrededor de 50 lb/ft 2 ) para suelos blandos, (para producir estas presiones se deben aplicar cargas de 160 y 80 g respectivamente).
      • Aplicada la carga de asentamiento llene con agua la caja de consolidación y deje que la muestra se sature.
    Foto Nº 10: Colocación de carga de asentamiento. Foto Nº 11: Saturación de la muestra. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 13. 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 14. 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 15. PROCEDIMIENTO
      • Para disminuir la expansión durante la descarga, deberá descargarse la muestra hasta la carga establecida de 5 kPa (100 lb/ft 2 ) para suelos firmes y de 2 ó 3 kPa (alrededor de 50 lb/ft 2 ) 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 (M Tf ) pesando el conjunto anillo más muestra y restando la masa del anillo, con una precisión de 0.01 g.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 16. 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 (M Sf ) y determine el contenido de humedad final, (W f ) de acuerdo con la norma ASTM D 2216.
    Foto Nº 13: Secado al horno de la muestra. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 17. CÁLCULOS
      • Calcule el contenido de humedad inicial y final, mediante la siguiente ecuación:
      • Contenido de humedad inicial:
    • Donde:
    •  
    • M HO =Peso del recipiente + muestra húmeda antes del ensayo, g.
    • M S =Peso del recipiente + suelo seco antes del ensayo, g.
    • M recipiente =Peso del recipiente, g.
    • W o =Contenido de humedad inicial, %
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 18. CÁLCULOS
    • Contenido de humedad final:
    • Donde:
    •  
    • M Tf =Peso del anillo + muestra húmeda después del ensayo, g.
    • M Sf =Peso del anillo + suelo seco después del ensayo, g.
    • M anillo =Peso del anillo, g.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 19. CÁLCULOS
      • Calcule la densidad seca inicial de la muestra, como se indica:
    •  
    Donde: Ρ d =Densidad seca de la muestra, g/cm 3 ó Kg/m 3 . V o =Volumen inicial de la muestra, cm 3 ó m 3 .   Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 20. CÁLCULOS
      • Calcule el volumen de los sólidos, como se indica:
    • Donde:
    •   V s =Volumen de sólidos, cm 3 .
    • G=Gravedad específica de los sólidos.
    • Ρ w =Densidad del agua, 1.0 g/cm 3 ó Mg/m 3 .
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 21. CÁLCULOS
      • Calcular la altura de los sólidos, como sigue:
    • Donde:
    • H s =Altura de sólidos, cm (in).
    • A=Área de la muestra, cm 2 (in 2 ).
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 22. 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:
    •   H o =Altura inicial de la muestra, cm (in).
    • ΔH=Asentamiento total de la muestra al finalizar el ensayo, cm (in).
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 23. CÁLCULOS
      • Calcule la relación de vacíos inicial y final, mediante la siguiente ecuación:
      • Relación de vacíos inicial
      • Relación de vacíos final
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 24. CÁLCULOS
      • Por lo tanto, la altura final se determina así:
    • Donde:
    •  
    • H o =Altura inicial de la muestra, cm (in).
    • H f =Altura final de la muestra para cada incremento de carga, cm (in).
    H f = H o – ΔH Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 25. CÁLCULOS
      • Calcule el grado de saturación inicial y final, mediante la siguiente ecuación:
      • Grado de saturación inicial
      • Grado de saturación final
    • Donde:
    • S o =Grado de saturación inicial, %
    • S f =Grado de saturación final, %
    • Ρ w =Densidad del agua= 1 g/cm 3
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 26. CÁLCULOS
      • Calcule la relación de vacíos para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:
    • Donde:
    • e o =Relación de vacíos inicial.
    • ΔH c =Variación de asentamiento para cada incremento de carga, cm (in).
    • H s =Altura de sólidos, cm (in).
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 27. CÁLCULOS
      • Calcular la altura final para cada incremento de carga, mediante la siguiente ecuación:
    • Donde:
    • ΔH c-1 =Variación del asentamiento para un incremento de carga anterior, cm (in)
    • H fc =Altura final para cada incremento de carga , cm (in)
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 28. CÁLCULOS
      • Calcular la altura promedio (H) para cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión:
      • Donde:
    • H o =Altura inicial de la muestra, cm ó mm.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 29. 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).
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 30. 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 Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 31. Método del Logaritmo del Tiempo
    • Procedimiento para determinar el 100, 0 y 50% teórico de consolidación primaria:
    • Trace una línea recta (C) a través de los puntos que representan las lecturas finales y que exhiben una tendencia recta y una inclinación suave.
    • Trace una segunda recta tangente a la parte más pronunciada de la curva (D). La intersección entre las dos rectas representa la deformación d100, y tiempo t100, correspondiente al 100% de la consolidación primaria. La consolidación que sobrepase el 100% se define como consolidación secundaria.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 32. Método del Logaritmo del Tiempo
    • Procedimiento para determinar el 100, 0 y 50% teórico de consolidación primaria:
    • Determine la deformación que representa el 0% de la consolidación primaria, escogiendo un punto de la curva próximo al eje de deformaciones (t1), observe el tiempo que le corresponde, localice sobre la curva el punto cuya abscisa sea cuatro veces la del punto originalmente elegido (t2); la diferencia de ordenadas entre ambos puntos se duplica y éste valor se lleva a partir del segundo punto mencionado, sobre una paralela al eje de ordenadas obteniéndose de este modo un tercer punto sobre el cual se hará pasar una paralela al eje de los tiempos que es la que define el 0% teórico de consolidación.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 33. Método del Logaritmo del Tiempo
    • Procedimiento para determinar el 100, 0 y 50% teórico de consolidación primaria:
    • Al punto medio del segmento entre el 0 y 100% teóricos de consolidación corresponderá el 50%. El tiempo correspondiente a este porcentaje t50, queda determinado por la abscisa del punto de intersección de la curva y una paralela al eje de los tiempos, trazada por el punto medio del segmento. La determinación de t50 debe hacerse para cada una de las curvas obtenidas en el proceso de consolidación.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 34. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Se grafica en escala aritmética la curva deformación (ordenadas) vs raíz cuadrada del tiempo (abscisas ).
    Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90 Fig. 5.2 Curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 35. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de consolidación primaria:
    •  
    • Trace una segunda línea recta (C) tomando dos o más puntos de la línea correspondiente del 0% de consolidación y multiplique las abscisas correspondientes por la constante 1.15. La intersección de ésta con la curva define por su abscisa el tiempo que corresponde al t90.
    • La deformación al 100% de la consolidación primaria es 1/9 mayor que la diferencia entre las deformaciones a 0 y 90% de consolidación.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 36. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de consolidación primaria:
    •  
    • Trace una línea recta (A) a través de los puntos que representan las lecturas iniciales que muestra una tendencia de línea recta. Extrapole la línea hasta t = 0 y obtenga la ordenada de deformación que representa el 0% de la consolidación primaria.
    •  
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 37. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
      • Calcule el coeficiente de consolidación para cada incremento de carga, como sigue:
    •  
    • Para curva deformación versus log tiempo
    •  
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 38. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
      • Calcule el coeficiente de consolidación para cada incremento de carga, como sigue:
    •  
    • Para curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo
    •  
    Donde: Cv= Coeficiente de consolidación, cm 2 /s. Hm 2 =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. Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 39. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
      • Grafique la curva relación de vacíos (e) versus presión (P) en escala semilogarítmica.
    Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90 Fig. 5.3 Curva relación de vacios versus presión Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 40. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Esta gráfica es conocida como: Curva de compresibilidad , que permite determinar la carga de preconsolidación Pc, en kg/cm 2 , los índices de compresión, expansión y compresnsibilidad, de la siguiente manera:
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 41. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 42. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • 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 .
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 43. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • 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.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 44. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Coeficiente de compresibilidad
    •  
    • La pendiente de la curva virgen del tramo de carga determina el índice de compresibilidad a v , mediante la siguiente expresión:
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 45. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
      • Determine y registre el coeficiente de permeabilidad (k), mediante la siguiente ecuación:
      • Por lo tanto C vm y e m, se determinan así:
    •  
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos
  • 46. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
    • Donde: 
    • C v1 =Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la presión del punto e1.
    • C v2 =Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la presión del punto e2.
    • C vm =Media aritmética entre el coeficiente Cv 1 y Cv 2 .
    • E m =Media aritmética entre e1 y e2.
    • K=Coeficiente de permeabilidad en cm 2 / s.
    Competencias Técnicas de Laboratorista en Mecánica de Suelos