Universidad Nacional de Colombia Sede BogotConsolidacin Unidimensional del Suelo Abril 7 - 2015

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CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DEL SUELOFabio Anbal Bernal Lpez, Mauricio Guevara Acosta, lvaro Javier Melo Vega , Ana Milena Ospina Castellanos Alix Faisuly Rueda Universidad Nacional de Colombia Sede BogotDirigido a: Ing. Carol Andrea Murillo Feo

1. INTRODUCCIN Los procesos de carga y descarga a los cuales se ve sometido un suelo durante la construccin de obras civiles generan respuestas del mismo, las cuales son a corto o largo plazo de acuerdo a la propiedad del suelo que estn afectando; por ejemplo la cimentacin de un edificio genera los dos tipos de respuesta ya que al cambiar la disposicin original de las partculas de suelo se generan asentamientos inmediatos, la otra respuesta se debe a que a lo largo del tiempo la carga colocada generar cambios en la presin intersticial del suelo, cambio de presin que a su vez producen cambios volumtricos, denominados asentamientos por consolidacin.

Estos asentamientos son un problema que cualquier ingeniero debe evitar y controlar debido a que las obras civiles estn concebidas para amplios periodos de vida til durante los cuales la estructura debe garantizar su funcionalidad. Sin embargo para poder estudiar y controlar estos cambios es necesario identificar la causa de los mismos para lo cual el conocimiento de los procesos de consolidacin es un requisito.La finalidad de este trabajo es hacer viable el conocimiento de dichos procesos: qu son, cmo se hallan experimentalmente los parmetros que los explican, cmo se interpretan dichos parmetros, y cmo estos determinan los posibles asentamientos que sufrir una estructura.La forma en cmo las caractersticas de compresibilidad se calculan se basan en una teora propuesta por el ingeniero Karl Terzaghi, en la que el suelo saturado, presenta un flujo unidimensional que cumple la Ley de Darcy.2. OBJETIVOS

Objetivos generales

Determinar el grado y la magnitud de la consolidacin en muestras con restricciones laterales, drenado axial y cargas verticales.Objetivos especficos

Encontrar la variacin de la relacin de vacos con respecto a una carga aplicada.

Determinar los coeficientes de consolidacin y de expansin para el suelo en estudio.3. MARCO TERICO

Si se somete una muestra a un ensayo de consolidacin cuando se aplica una carga a la que la muestra nunca estuvo sometida anteriormente, la curva toma una pendiente correspondiente a la rama virgen de la curva que se llama Cc (ndice de compresin).En los suelos normalmente consolidados la pendiente de la curva de compresibilidad Ccse puede obtener haciendo un ensayo sobre una muestra amasada con la humedad del lmite lquido, o calculando el Cc con la ecuacin de Skemptom para muestras amasadas Cc = 0,007 * (WL-7). O para muestras inalteradas Cc = 0,009 * (WL-10)

Esas son otras ecuaciones que permiten determinar el valor Cc de forma terica:

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

I. Equipo

Dispositivos de carga: sirve para aplicar cargas verticales a la muestra, donde la carga se conserve durante periodos prolongados de tiempo y se pueda incrementar, dentro de un periodo de dos segundos sin que se produzca ningn efecto de significacin.

Consolidmetro: mantiene la muestra en un anillo el cual va a restringir las deformaciones horizontales, este puede estar fijo a la base o puede ser flotante, lleva consigo dos piedras porosas en los extremos del anillo; adems, este dispositivo debe tener un medio para que la muestra este sumergida, aplicacin de solo cargas verticales y medir las deformaciones de la muestra con respecto a las cargas aplicadas.

Anillo: segn la norma en la que se basa este ensayo de laboratorio, este anillo debe tener un dimetro mnimo de 50 mm y al menos 5 mm menor que el dimetro del tubo del consolidometro; el espesor mnimo de este debe ser de 13 mm que a su vez es menor que el dimetro de tamao mayor.

Piedras porosas: se utiliza para garantizar un buen filtrado del agua presente en la muestra sin perder partculas finas de esta. El dimetro de estas piedras porosas deben ser menor que el dimetro del anillo, si se utiliza un anillo flotante la piedra del fondo deber tener un dimetro igual a este. Estas deben estar prehumedecas antes del respectivo montaje.

Almacenamiento: la muestra debe ser colocada en el anillo para que enseguida se haga el respectivo montaje, dado que el prolongado periodo de tiempo puede afectar las condiciones reales de la muestra como la disminucin de las condiciones de humedad.

Cizalla o cortador cilndrico: se utiliza para tallar la muestra justo con el dimetro interior del anillo, donde la muestra sufra una mnima alteracin.

Balanza: utilizada para el pesado de las muestras, la cual debe tener una aproximacin de 0.1 g.

Horno: debe mantener una tempera constante para el secado de las muestras (110C).

1.2. Muestra:

La muestra no debe ser alterada en lo posible, como lo especifica la norma INV E-105.

Como se menciono anteriormente, la muestra debe almacenarse muy bien, adems de mantener las propiedades originales, esta muestra debe entrar forzada en el anillo del consolidometro y se deber dejar arras de las superficies superior e inferior del anillo, para as retirar el exceso de material.

Mientras se instala la muestra en el anillo deber evitarse vibraciones, compresiones o distorsiones de esta.

II. Metodologa Como se ha mencionado, las piedras porosas deben estar humedecidas antes del ensayo, para evitar cambios en la humedad de la muestra.

Luego se procede a montar la muestra el consolidometro para luego ser instalado en el dispositivo de carga, donde primero que todo se debe imponer a la muestra una precarga, luego se ajusta el deformimetro para que indique una posicin inicial igual a cero.

Se colocan diferentes cargas sobre el consolidmetro para obtener presiones al suelo como se muestra en la parte de los clculos. Posteriormente a esta carga en aumento se procedi a una respectiva descarga (la cual es de una duracin menor que la etapa de carga) para observar los diferentes fenmenos ante la descompresin o rebote de la muestra.

Se debern tomar los respectivos datos durante la carga y descarga de la muestra, donde se tiene en cuenta la deformacin vertical de la muestra y el tiempo para cada deformacin como lo menciona la INV E-151-07.

Se debe graficar los datos de deformacin contra la raz del tiempo y as determinar que se ha llegado al d90 para constatar que dicha parte del ensayo ya est terminndose.

La muestra en el consolidometro debe representar las condiciones a la que est sometida en el suelo y debe tenerse en cuenta el incremento de volumen cuando la muestra sea saturada en el ensayo segn las condiciones del suelo (si es posible que esta se dilate con a adicin de agua).

5. DATOS y CLCULOS

Tabla 1 Calculo humedad suelo

Calculo de humedad

Recipiente No.12,1

Peso (mh+rec) (g)24,2

Peso (ms+rec) (g)17,81

Peso Rec (g)10,38

Humedad (%)86%

Tabla 2 Dimensiones molde y pesos

Anillo No.Nueva

Peso Anillo (g)67,77

Dimetro (mm)63,5566667

Altura (mm)19,7033333

Peso BI + P.P (g)400,78

Relacin de brazo 1:10

Peso anillo + muestra (g)159,33

Tabla 3 relaciones gravimtricasW total (g)91,56

V total (cm^3)62,51

total (g/cm^3)1,46

Gs2,7

Hs0,56

e inicial3,5162

Tabla 4 Pesos de muestras

Despus de carga y descarga

Anillo + muestra (g)560,05

Muestra (g) + piedra porosa370,01

Piedra Porosa (g)111,95

Despus de 72 horas en el horno

Peso muestra+ recipiente (g)129

Peso recipiente (g)81

Peso muestra (g)48

Tabla 6 Lecturas deformimtros durante la descarga

Tiempomm:ss16 Kg8 Kg

InternoExternoInternoExterno

00:04151,51417,3

64:00:001418,7148,9

Tiempomm:ss4 Kg2 Kg

InternoExternoInternoExterno

00:04147,81315,5

64:00:001315,5134,3

Tiempomm:ss1 Kg500 g

InternoExternoInternoExterno

00:04133,41212,5

64:00:001212,9123,3

Tiempomm:ss0 g

InternoExterno

00:04122,8

64:00:00117,2

Tabla 7 Deformaciones calculadas para el cargueTiempomm:ssDEFORMACION (10^-4 pulg)

500 g1 Kg2 Kg4 Kg8 Kg16 Kg32 Kg

00:00177

00:04197400210311111111111812

00:15197400394818113311751817

00:34197401618801117512191819

01:00197402619823119712862004

01:34197413600825121913512009

02:15197414600846120113972018

03:04197424600868122414442205

04:00197445600909124615102211

06:15197467646932131016012404

09:00197488667954133417522414

12:151975097091017139818232604

16:001975107101019142219322613

25:00:001975327321002148820462806

36:00:001975747741025155221762815

49:00:001975757961046157522033001

64:00:001975957971068159722673004

Tabla 8 Deformaciones calculadas para el descargue

Tiempomm:ssDeformacion(10^-4pulg)

16 Kg8 Kg4 Kg2 Kg1 Kg500 g

00:04300128172807261526032412

64:00:00281828082615260424122403

Desarrollo de las grficas de Taylor y Casa Grande para el clculo de Cv.

6. ANLISIS DE RESULTADOS

7. anlisis de resultados Ya realizadas las graficadas las curvas de Taylor de Deformacin () y calculados por el mtodo grfico la consolidacin al 90 % y el tiempo de consolidacin al 90 %. Por medio de la ecuacin 1. se procede a calcular el Cv par a la muestra ensayada.A travs de la siguiente ecuacin y los valores presentes en la tabla 9, se obtienen Cv para el material ensayado en cada caso de carga.

(Ecu. 1)Tabla 9 Clculo de Cv

Carga(kg)D90(mm)t90(min)H(mm)Cv

20,01181,419,692,35

40,01922,519,681,31

80,02741,219,692,74

160,02681,519,672,19

320,03861,619,672,05

Tabla 10 Clculos curva comprensibilidad

Ya que el ensayo es drenado, las fuerzas intersticiales, tienden a ser nulas, de esta manera la presin de poros tiende a cero causando que el esfuerzo efectivo sea igual al esfuerzo total aplicado sobre la muestra.

A travs del mtodo grfico se calculan los coeficientes Cc y Cr, trazando las lneas tangentes al tramo sobreconsolidado y al tramo normalmente consolidado obteniendo:Tabla 11 Calculo coeficiente de compresibilidad

Coeficiente de compresibilidad

e-2,11

log (kg/cm2)7,8

Cc-0,270477

log p (kg/cm2)4

Ilustracin 16 mtodo grafico para el clculo de Cc8. CONCLUSIONES

Para la prctica de consolidacin es importante que la muestra est completamente saturada porque de lo contrario estaramos hablando de un proceso de compactacin.

A travs del ensayo se determin la velocidad de asentamiento del suelo ensayado a travs del clculo del coeficiente de consolidacin, valor importante a la hora de la determinacin del comportamiento que presentara un suelo frente al desarrollo de una obra civil en l.

Al disipar la presin intersticial, el esfuerzo efectivo aplicado a la masa de suelo aumenta, lo incrementando la resistencia, de esta manera se infiere que la relacin de vacos y la resistencia al corte presentan una relacin inversamente proporcional al estar sometido a un procesos consolidacin.

A partir de la prctica se observ que la consolidacin es un proceso de asentamiento del suelo, que se relaciona directamente con la disipacin de los poros del mismo disminuyendo la relacin de vacos como se refleja en la curva de compresibilidad.

9. BIBLIOGRAFA

INVIAS, 2007. Relaciones de humedad masa unitaria seca en los suelos (ensayo modificado de compactacin) I.N.V.E -142.

BERRY, P. 1993. Mecnica de suelos. Editorial McGRAW-HILL. Mxico DF. Mxico. Primera edicin. Pg. 378-383

WILLIAM LAMBE, ROBERT WHITMAN. 1996 Mecnica de Suelos. Mxico, D.F. Editorial Limusa.

Resumen: El ensayo de consolidacin unidimensional consiste en una prueba de ensayo en laboratorio de una muestra de arcilla sometida a presin vertical, confinada entre dos piedras porosas que permiten doble drenado, un anillo que evita deformacin axial y un medio que asegura que est saturada la muestra. En el ensayo se toman lecturas de deformacin a diferentes niveles de carga y descarga a tiempos especficos, para determinar el coeficiente de consolidacin de un suelo, a travs de distintos mtodos propuestos por distintos autores a lo largo de la historia.

Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 5 Lectura de deformimetros durante la carga

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 1 Grafica de Casa grande Carga de 500 g

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 2 Grafica de Taylor Carga de 500 g

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 3 Grafica de Casa Grande carga 1 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 4 Grafica de Taylor carga 1 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 5 Grafica de Casa Grande carga 2 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 6 Grafica de Taylor carga 2 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 7 Grafica de Casa Grande carga 4 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 8 Grafica de Taylor carga 4 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 9 Grafica de Casa Grande carga 8 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 10 Grafica de Taylor carga 8 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 11 Grafica de Casa Grande carga 16 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 12 Grafica de Taylor carga 16 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 13 Grafica de Casa Grande carga 32 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 14 Grafica de Taylor carga 32 kg

Ilustracin SEQ Ilustracin \* ARABIC 15 curva comprensibilidad

Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia

Estudiante de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional de

Colombia

Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia

Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia

Estudiante de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional de

Colombia