Ensayo de consolidacion unidimensional (1)
- 1. MECAANICA DE SUELOS II 1 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ ENSAYO DE CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS II ALUMNO: TINTAYA HUISA LUIS A. AREQUIPA - 2013
- 2. MECAANICA DE SUELOS II 2 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ 1. INTRODUCCION El ensayo de consolidación, también llamado ensayo de compresión confinada, esde gran importancia, debido a que la consolidación es un problema natural de los suelos finos, como arcillas y limos, y todas las edificaciones fundadas sobre este tipo de suelo enfrentarán este fenómeno. Por lo anterior es de vital importancia conocer la velocidad de asentamiento total y diferencial de la estructura. La consolidación es el proceso de asentamiento de los suelos antes mencionados, cuando están saturados y sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros. Todo lo anterior se refleja en los resultados obtenidos a partir del ensayo, el cual entrega la curva de esfuerzo deformación, la presión de pre consolidación y el coeficiente de consolidación. El ensayo de consolidación es un ensayo bastante complicado debido a que tiene un complejo procedimiento, en el cual debemos ver cómo va variando el volumen del suelo al aplicar la carga, con una duración de 2 semanas aproximadamente, aunque en nuestro caso se verá una forma simplificada del ensayo, ya que por motivos de tiempo y espacio en el laboratorio no se podrá hacer completo. Este ensayo esta estandarizado por la norma norteamericana ASTM D-2435. 2. OBJETIVOS Al terminar este trabajo en el laboratorio el alumno será capaz de: Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el ensayo de consolidación, aprendiendo las características de cada uno, y los cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia. Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en una tabla ordenada diseñada especialmente para este ensayo. Interpretar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado. Comprender la experiencia realizada, asimilando la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e intervalos de medición. Conocer la magnitud y rapidez de los cambios de volumen de una muestra al ser sometida a un ensayo de consolidación. Construir las curvas de consolidación y establecer los puntos importantes a través del método de Casagrande, para la determinación de las características de compresibilidad del suelo y rapidez de consolidación. Aprender experimentalmente el fenómeno de la consolidación.
- 3. MECAANICA DE SUELOS II 3 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ 3. MARCO TEORICO COMPRENSIBILIDAD DE ESTRATOS CONFINADOS No es fácil estudiar el caso general de compresión, pero cuando se considera la compresión en una sola dirección el análisis es más sencillo. Un estrato de suelo puede cargarse por la aplicación de una presión sobre su superficie, como puede ser naturalmente por sedimentación sucesiva en las capas superiores, o artificialmente por el emplazamiento de terraplenes, estructuras o fundaciones. Cuando un estrato de gran área en comparación con su espesor se carga uniformemente, todos los elementos de suelo a cada profundidad se encuentran confinados por los elementos adyacentes que están bajo el mismo estado de carga. De esta forma, se mantiene la posición relativa de las partículas sólidas ubicadas sobre un mismo plano horizontal y el movimiento de las mismas sólo puede ocurrir en dirección vertical. El hecho de que los desplazamientos horizontales de la arcilla sean o no nulos depende de varios factores. Si el estrato de arcilla es relativamente delgado y está confinado entre estratos de arena, grava o materiales más rígidos, o si el estrato de arcilla aun siendo grueso, contiene gran cantidad de capas delgadas de arena, ocurre que la deformación lateral de la arcilla se restringe tanto que puede despreciarse en comparación a los desplazamientos verticales. Al ocurrir la compresión de un suelo, como se explicó anteriormente, tiene lugar un escape de agua de los poros. Este escape se produce de acuerdo a la ley de Darcy. Si el suelo tiene bajo coeficiente de permeabilidad, se requerirá un largo tiempo para que se desarrolle completamente el fenómeno descrito. El proceso gradual que involucra una disminución de volumen y un escape del agua, provocado por un aumento de presión efectiva sobre el suelo y que tiene lugar a lo largo de un cierto lapso, se denomina consolidación. Cuando se aplica una carga a un suelo se produce un incremento de las presiones totales en el mismo. Si el suelo se encuentra saturado, inicialmente este incremento es absorbido por el agua intersticial, y luego va transmitiéndose gradualmente al esqueleto del suelo a medida que el agua sale de los poros. Se denomina consolidación primaria al proceso de cambio de volumen dependiente del tiempo que tiene lugar con la expulsión de agua de los vacíos, disipándose la presión de poro e incrementándose la presión efectiva del suelo. En cambio, se denomina consolidación secundaria al proceso de cambio de volumen dependiente del tiempo que ocurre luego de la consolidación primaria y tiene lugar esencialmente a presión efectiva
- 4. MECAANICA DE SUELOS II 4 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ constante. La consolidación secundaria es un fenómeno de flujo viscoso. El efecto se atribuye hoy, generalmente, al deslizamiento progresivo diferido en el tiempo, entre las partículas del material que se reacomodan, tendiendo a estados más compactos, para adaptarse a la nueva condición de carga. TEORIA DE LA CONSOLICADION Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de consolidación, lo cual se conoce como analogía mecánica de Terzaghi. El mismo consiste en un recipiente cilíndrico lleno de agua, con un resorte dentro y sobre él un pistón con una válvula. El resorte representa el esqueleto mineral de un suelo y el agua sería el agua intersticial del suelo. Se supone que el pistón sin fricción es soportado por el resorte. Al aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la longitud del resorte permanece invariable, puesto que el agua se considera incompresible. Si la carga induce un aumento de la presión total, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presión del agua. Cuando se abre la válvula, el exceso de presión de agua en la cámara causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se hunde a medida que se comprime el resorte. En esta forma, la carga se transfiere en forma gradual al resorte, reduciendo su longitud, hasta que toda la carga es soportada por el mismo. Por consiguiente, en la etapa final, el aumento de la presión efectiva es igual al aumento de la presión total, y el exceso de presión de agua se reduce a cero. La velocidad de compresión depende del grado de apertura de la válvula, esto es análogo a la permeabilidad del suelo.
- 5. MECAANICA DE SUELOS II 5 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ Si el estrato que consolida es libre de drenar por sus caras superior e inferior, el mismo es llamado capa abierta, y su espesor se denota por 2H. Si el agua sólo puede escapar a través de una superficie, el estrato es llamado semi abierto. El espesor de los estratos semi abiertos se denota por H. Ambos casos se muestran en la figura. La notación del espesor de los estratos se expresa de esa manera, dado que se considera a H como la máxima distancia que debe recorrer una partícula de agua, dentro del estrato, para drenar. El proceso de consolidación puede describirse por las posiciones sucesivas de las curvas isócronas (ver figura de la página siguiente), que definen las proporciones relativas de la presión de consolidación inicial que ya se han convertido en presión efectiva en relación a las que siguen siendo presión neutra, en cada instante. Suponiendo que las leyes de la hidráulica gobiernen la disminución de la presión del agua de los poros, y que la disminución en volumen del suelo sea proporcional al aumento en presión efectiva y sea igual a la cantidad de agua expulsada, Terzaghi elaboró una teoría cuyo propósito es conocer la presión efectiva y la relación de vacíos en cualquier punto de un estrato y en cualquier intervalo de tiempo para una capa de suelo de un cierto espesor que se encuentra en proceso de consolidación. Se conoce como teoría de la consolidación. Las hipótesis que se consideraron para el desarrollo de la teoría son las siguientes: El suelo está totalmente saturado y es homogéneo. Tanto el agua como las partículas del suelo son incompresibles. Se puede aplicar la ley de Darcy para el flujo del agua. La variación de volumen es unidimensional en la dirección del esfuerzo aplicado. El coeficiente de permeabilidad en esta dirección permanece constante. La variación de volumen corresponde al cambio en la relación de vacíos y permanece constante.
- 6. MECAANICA DE SUELOS II 6 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ MATERIALES USANDO EN LABORATORIO • Aparato de carga: con una precisión de 0.5% de la carga aplicada. • Cajas de consolidación. • Piedras porosas. • Anillo cortante cilíndrico con altura de 2.54 cm y el diámetro de 6.35 cm. • Deformimetro con una sensibilidad de 0.01 mm. • Balanza. • Horno. METODOS QUE USAMOS EN EL LABOTORIO PARA EL ENSAYO DE CONSOLIDACION UNIDIMENSIONAL OBTENCION Y PREPARACION DE LA MUESTRA. Se extrae muestra del suelo lo mas inalterada posible de un tamaño suficiente para poder trasportarla al laboratorio sin que ésta se desintegre y no se produzcan grietas internas que puedan alterar los resultados del ensayo. Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquier alteración, cambios en la sección transversal y evitándose cualquier cambio en el contenido de agua del suelo.
- 7. MECAANICA DE SUELOS II 7 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ PREPARACION DE LA PROBETA. Se talla la muestra de tal manera que se obtenga un volumen igual al del anillo del consolidómetro, este tallado se realiza de forma muy cuidadosa, en lo posible tratando que el material no se agriete en el tallado, realizado con un cuchillo. El tamaño de la probeta se mide con el mismo anillo, de esta manera se llega a una probeta bien tallada cumpliendo con la condiciones anteriormente mencionadas. Antes del proceso de moldeo o tallado, se extraen porciones del suelo de la muestra para determinar el contenido de humedad exacto. Una vez colocado el espécimen dentro del anillo, se determina el peso húmedo de la muestra más el equipo. PROCEDIMIENTO. Se arma el edómetro colocando la piedra porosa del fondo, por encima el conjunto del anillo y la pastilla, se ajusta el mismo y sobre la pastilla se pone otra piedra porosa. Se ajusta el contrapeso del sistema de transmisión de cargas de manera que el brazo del mismo estuviese en equilibrio. Se coloca el edómetro debajo del yugo de carga interponiendo entre ambos una esfera de acero y la zapata de igual superficie que la piedra porosa, para distribuir la carga. El conjunto se centra para que la presión sea axial. Se ubica el deformímetro adosándolo al yugo de manera que tuviera contacto con el anillo, permitiendo medir la variación en la altura de la pastilla. Se traba el brazo con el yugo en contacto con la bola de acero sobre la zapata y se colocan las pesas necesarias para transmitir a la muestra la presión correspondiente al primer escalón de carga programado de 0,25 kg/cm², considerando que cada kilogramo de las pesas trasmite 0,25 kg/cm² a la pastilla. El trabado del brazo impide el impacto de las cargas sobre la muestra.
- 8. MECAANICA DE SUELOS II 8 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ Ubicadas las pesas, se procedió a destrabar el brazo considerando ese momento como el inicio del escalón de carga y a partir del cual se tomaron las lecturas del flexímetro. Las lecturas son tomadas y anotadas en intervalos de tiempo adecuados. Se utiliza como guía la siguiente secuencia. Se registran las lecturas del deformímetro en los tiempos dados en minutos: 0 – 0,1 – 0,25 – 0,5 – 1,0 – 2,25 – 4,0 – 6,25 – 9,0 – 12,25 – 16,0 – 20,25 – 25 – 40 – 60 – 90 – 120 – 180 – 480 – 1440. Se dibuja la curva de consolidación en escala semilogarítmica. Este procedimiento se repite en cada ciclo, aumentando la carga sucesivamente, sin embargo, por razones de tiempo, en este ensayo sólo se midió la consolidación para la primera carga. Después de finalizado el ensayo, se desarma el equipo y se pesa la muestra para el cálculo del contenido de humedad.
- 9. MECAANICA DE SUELOS II 9 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ FOTOS “ TEORIA EXPLICATEIVA SOBRE EL ENSAYO” “MATERIALES”
- 10. MECAANICA DE SUELOS II 10 DOCENTE: ING. S. MUÑOZ CONCLUSIONES El ensayo de consolidación o de compresión confinada es muy importante para nosotros como constructores, sobre todo en esta zona, donde abundan los suelos arcillosos y que pasan gran parte de los años saturados, porque son precisamente éstas las condiciones básicas, además de la aplicación de una carga constante, para que se produzca el fenómeno de la consolidación. Al construir sobre un suelo estamos aplicando una carga muy grande y resulta muy significativo conocer cuál será el comportamiento futuro de la estructura sobre el terreno, sin embargo hemos aprendido que en Mecánica de Suelos, y más aún en este tema en particular, es muy difícil predecir el comportamiento a futuro, ya que son muchas las variables que están en juego.