Consolidación Unidimensional de los Suelos

1. ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS
ASTM D 2435-90
AASHTO T 216
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en Mecánica de Suelos

2. ALCANCE
Esteensayodescribeelprocedimientoparadeterminar
elgradodeasentamientoqueexperimentauna
muestradesueloalsometerlaaunaseriede
incrementosdepresiónocarga.
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3. EQUIPO
Aparatodecarga.-con
unaprecisiónde0.5%
delacargaaplicada.
Caja de
consolidación.-
Piedrasporosas.-
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4. EQUIPO
Deformímetro.-conunasensibilidadde
0.01mm(0.00254in).
Balanza.-Conaproximacióna0.01g
Anillocortantecilíndrico.-conaltura
2.54cmyeldiámetrode6.35cm.
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5. EQUIPO
horno
Otrosequipos.-Recipientespara
determinarelcontenidodehumedad
deacuerdoconlanormaASTMD
2216,sierradealambre,cuchillos,
calibrador,cronómetroyagua
destilada.
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6. MUESTRA DE ENSAYO
Para este ensayo
generalmenteseutilizan
muestrasinalteradas(ASTM
D3550)obtenidasde
bloquesinalteradosgrandes
fabricadosyselladoscon
parafinaenelcampo.
Foto Nº 2: Muestra inalterada cubierta con parafina.Elalmacenamientodemuestrasselladasdeberáser
talquenopierdanhumedadyquenohayaevidencia
desecamientoparcialnidecontraccióndelosextremos
delamuestra.Eltiempodealmacenamientodeberá
reducirsealmínimo.
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7. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Retirelacapadeparafinadelasparedesdelbloque
inalterado.
Inserteelanillocortante
enelbloqueinalteradoy
recorte la muestra
utilizandouncuchilloo
sierradealambre.
Foto Nº 3: Toma de muestras con el anillo cortante
en el bloque inalterado.
Enraselascarassuperior
einferiordelamuestra
conuncuchilloyllenelos
vacíosconelmaterial
recortado.
Foto Nº 4: Enrasado de las superficies planas de la muestra
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8. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Extraigalamuestradelanillo
cortanteydeterminelaaltura
inicial(Ho)yeldiámetro(D)
delamuestratomandoel
promediodeporlomenostres
medidas.
Foto Nº 5: Medición de la muestra
Calculeelvolumeninicial(V
o
)delamuestra,en
funcióndeldiámetroydelaalturainicialdelamuestra.
Peseelanillodeconsolidaciónyregistresumasa
(M
anillo
),conunaprecisiónde0.01g.
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9. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Insertelamuestraenelanillode
consolidaciónydeterminela
masainicialdelamuestra(M
To)
pesandoelconjuntoanillomás
muestrayrestandolamasadel
anillo.
Obtenga dos o tres
determinacionesdelcontenido
dehumedadinicial,utilizandoel
materialrecortadodelamuestra,
deacuerdoconlanormaASTM
D2216. Foto Nº 7: Contenido de humedad inicial.
Foto Nº 6: Peso del anillo más muestra.
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10. PROCEDIMIENTO
Humedezcalaspiedrasporosasyelpapelfiltrosiel
sueloestáparcialmentesaturadoomanténgalas
secassielsueloesexpansivo.
Ensamblelacajade
consolidación
colocandolamuestra
entrepapelfiltroylas
piedrasporosas.
Foto Nº 8: Ensamblado de la caja de consolidación.
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11. PROCEDIMIENTO
Coloquelacajadeconsolidacióneneldispositivode
cargaponiendosobrelamuestraeldiscomóvilde
aceroparauniformizarlacarga.
Coloque el
deformímetroenel
aparatodecargaconsu
dispositivo para
sujetarse.
Foto Nº 9: Colocación del deformímetro.
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12. PROCEDIMIENTO
Aplique una carga de
asentamientode5kPa(100lb/ft
2
)
parasuelosfirmesyde2ó3kPa
(alrededorde50lb/ft
2
)parasuelos
blandos,(paraproducirestas
presionessedebenaplicarcargas
de160y80grespectivamente).
Aplicadalacargadeasentamiento
lleneconagualacajade
consolidaciónydejequela
muestrasesature.
Foto Nº 10: Colocación de carga de
asentamiento.
Foto Nº 11: Saturación de la muestra.
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13. PROCEDIMIENTO
Coloquecargassobreelconsolidómetropara
obtenerpresionessobreelsuelode
aproximadamente30.40,61.80,123.60,248.20,
495.40,991.80etc.kPa,(paraproducirestas
presionessedebenaplicarcargasde1,2,4,8,16,
32Kgrespectivamente).Antesdeaplicarun
incrementodepresion,registrelaalturadela
muestra.
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14. PROCEDIMIENTO
Laduracióndecadaincremento
decargadebeserde24horas.
Inmediatamenteaplicadocada
incrementodecarga,pongaen
marchaelcronómetroyregistrelas
lecturasdedeformacióndela
muestraaintervalosde0.1,0.25,
0.5,1,2,4,8,15y30minutosy1,
2,4,8,y24horas.
Foto Nº 12: Colocación de cargas
sobre el aparato de consolidación.
Unaveztomadalaúltimalecturaconelúltimo
incrementodecarga,descargueelsuelomediante
reduccionesdecarga.
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15. PROCEDIMIENTO
Paradisminuirlaexpansiónduranteladescarga,
deberádescargarselamuestrahastalacarga
establecidade5kPa(100lb/ft
2
)parasuelosfirmesy
de2ó3kPa(alrededorde50lb/ft
2
)parasuelos
blandos.Unavezquesehaconcluidoelensayo,
quitelacargafinalydesarmerápidamentelacajade
consolidación.
Peselamasadelamuestraextraídadelacajade
consolidación(M
Tf)pesandoelconjuntoanillomás
muestrayrestandolamasadelanillo,conuna
precisiónde0.01g.
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16. PROCEDIMIENTO
Sequelamuestraenel
hornohastaunamasa
constante a una
temperaturade1105C
(2309F),pesesumasa
seca(M
Sf)ydetermineel
contenidodehumedad
final,(W
f)deacuerdoconla
normaASTMD2216.
Foto Nº 13: Secado al horno de la
muestra.
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17. CÁLCULOS
Calculeelcontenidodehumedadinicialyfinal,
mediantelasiguienteecuación:
Contenidodehumedadinicial:
Donde:
M
HO=Pesodelrecipiente+muestrahúmedaantesdel
ensayo,g.
M
S=Pesodelrecipiente+suelosecoantesdelensayo,
g.
M
recipiente=Pesodelrecipiente,g.
W
o=Contenidodehumedadinicial,%
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18. CÁLCULOS
Contenido de humedad final:
Donde:
M
Tf=Pesodelanillo+muestrahúmedadespuésdel
ensayo,g.
M
Sf=Pesodelanillo+suelosecodespuésdelensayo,g.
M
anillo=Pesodelanillo,g.
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19. CÁLCULOS
Calculeladensidadsecainicialdelamuestra,como
seindica:
Donde:
Ρ
d=Densidadsecadelamuestra,g/cm
3
óKg/m
3
.
V
o=Volumeninicialdelamuestra,cm
3
óm
3
.o
Sf
d
V
M
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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
.w
Sf
s
G
M
V
*
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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
).A
V
H
s
s
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22. CÁLCULOS
SinoseconoceelvalordeG,laalturadesólidos(Hs)
delaprobeta,sepuedecalcularunavezconcluidoel
ensayo,mediantelaexpresión:
Donde:
H
o=Alturainicialdelamuestra,cm(in).
ΔH=Asentamientototaldelamuestraalfinalizarelensayo,
cm(in).A
MM
HHH
SfTf
os
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23. CÁLCULOS
Calculelarelacióndevacíosinicialyfinal,mediantela
siguienteecuación:
Relacióndevacíosinicial
Relacióndevacíosfinals
so
o
H
HH
e s
sf
f
H
HH
e
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24. CÁLCULOS
Porlotanto,laalturafinalsedeterminaasí:
Donde:
H
o=Alturainicialdelamuestra,cm(in).
H
f=Alturafinaldelamuestraparacadaincrementode
carga,cm(in).
H
f
= H
o
–ΔH
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25. CÁLCULOS
Calculeelgradodesaturacióninicialyfinal,mediantela
siguienteecuación:
Gradodesaturacióninicial
Gradodesaturaciónfinal
Donde:
S
o=Grado de saturación inicial, %
S
f=Grado de saturación final, %
Ρ
w=Densidad del agua= 1 g/cm
3100*
)(**
sow
SfTo
o
HHA
MM
S 100*
)(**
sfw
SfTf
f
HHA
MM
S
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26. CÁLCULOS
Calculelarelacióndevacíosparacadaincremento
decarga,mediantelasiguienteecuación:
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).s
c
o
H
H
ee
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27. CÁLCULOS
Calcularlaalturafinalparacadaincrementodecarga,
mediantelasiguienteecuación:
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)
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28. CÁLCULOS
Calcularlaalturapromedio(H)paracadaincremento
decarga,mediantelasiguienteexpresión:
Donde:
H
o=Altura inicial de la muestra, cm ó mm.2
fcoHH
H
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29. CÁLCULOS
Calcularlalongitudpromediodelatrayectoriade
drenaje(Hm),paracadaincrementodecarga,
mediantelasiguienteexpresión:
Donde:
H=Altura promedio para cada incremento de carga, cm
(in).2
H
Hm
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30. Método del Logaritmo del Tiempo
Segraficaenescalasemilogarítmicalacurva
deformación(ordenadas)vslogtiempo(abscisas).
Fuente:Norma ASTM D 2435 –90
Fig. 5.1 Curva deformación versus Log tiempo
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31. Método del Logaritmo del Tiempo
Procedimientoparadeterminarel100,0y50%
teóricodeconsolidaciónprimaria:
•Traceunalínearecta(C)atravésdelospuntosque
representanlaslecturasfinalesyqueexhibenuna
tendenciarectayunainclinaciónsuave.
•Traceunasegundarectatangentealapartemás
pronunciadadelacurva(D).Laintersecciónentrelas
dosrectasrepresentaladeformaciónd100,ytiempo
t100,correspondienteal100%delaconsolidación
primaria.Laconsolidaciónquesobrepaseel100%se
definecomoconsolidaciónsecundaria.
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32. Método del Logaritmo del Tiempo
Procedimientoparadeterminarel100,0y50%
teóricodeconsolidaciónprimaria:
•Determineladeformaciónquerepresentael0%dela
consolidaciónprimaria,escogiendounpuntodela
curvapróximoalejededeformaciones(t1),observeel
tiempoquelecorresponde,localicesobrelacurvael
puntocuyaabscisaseacuatrovecesladelpunto
originalmenteelegido(t2);ladiferenciadeordenadas
entreambospuntosseduplicayéstevalorsellevaa
partirdelsegundopuntomencionado,sobreuna
paralelaalejedeordenadasobteniéndosedeeste
modountercerpuntosobreelcualseharápasaruna
paralelaalejedelostiemposqueeslaquedefineel
0%teóricodeconsolidación.
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33. Método del Logaritmo del Tiempo
Procedimientoparadeterminarel100,0y50%
teóricodeconsolidaciónprimaria:
Alpuntomediodelsegmentoentreel0y100%
teóricosdeconsolidacióncorresponderáel50%.El
tiempocorrespondienteaesteporcentajet50,queda
determinadoporlaabscisadelpuntodeintersección
delacurvayunaparalelaalejedelostiempos,
trazadaporelpuntomediodelsegmento.La
determinacióndet50debehacerseparacadaunade
lascurvasobtenidasenelprocesodeconsolidación.
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34. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
•Segraficaenescalaaritméticalacurvadeformación
(ordenadas)vsraízcuadradadeltiempo(abscisas).
Fuente:Norma ASTM D 2435 –90
Fig. 5.2 Curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo
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35. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Procedimientoparadeterminarel0,90y100%de
consolidaciónprimaria:
•Traceunasegundalínearecta(C)tomandodoso
máspuntosdelalíneacorrespondientedel0%de
consolidaciónymultipliquelasabscisas
correspondientesporlaconstante1.15.La
interseccióndeéstaconlacurvadefineporsu
abscisaeltiempoquecorrespondealt90.
•Ladeformaciónal100%delaconsolidaciónprimaria
es1/9mayorqueladiferenciaentrelas
deformacionesa0y90%deconsolidación.
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36. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Procedimientoparadeterminarel0,90y100%de
consolidaciónprimaria:
•Traceunalínearecta(A)atravésdelospuntosque
representanlaslecturasinicialesquemuestrauna
tendenciadelínearecta.Extrapolelalíneahastat=0
yobtengalaordenadadedeformaciónque
representael0%delaconsolidaciónprimaria.
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37. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Calculeelcoeficientedeconsolidaciónparacada
incrementodecarga,comosigue:
Paracurvadeformaciónversuslogtiempo50
197.0
2
t
xHm
C
v
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38. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Calculeelcoeficientedeconsolidaciónparacada
incrementodecarga,comosigue:
Paracurvadeformaciónversusraízcuadradadel
tiempo50
197.0
2
t
xHm
C
v
Donde:
Cv=Coeficientedeconsolidación,cm
2
/s.
Hm
2
=Longitudpromedio dela
trayectoriadedrenajeparacada
incrementodecarga.
t50,90=Tiempocorrespondienteal
gradodeconsolidaciónpara50%ó
90%,sómin.
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39. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Grafiquelacurvarelacióndevacíos(e)versus
presión(P)enescalasemilogarítmica.
Fuente:Norma ASTM D 2435 –90
Fig. 5.3 Curva relación de vacios versus presión
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40. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
•Estagráficaesconocidacomo:Curvade
compresibilidad,quepermitedeterminarlacargade
preconsolidaciónPc,enkg/cm
2
,losíndicesde
compresión,expansiónycompresnsibilidad,dela
siguientemanera:
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41. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
CargadePreconsolidación
Estimeelpuntomáximodecurvatura,enlaramade
carga(B).
Enelpunto(B)dibujeunalíneatangente(C),yuna
líneaparalelaalejedelaspresiones(D),ytracela
bisectrizdeestasdosrectas(E).
Extiendaunatangentequepaseporlapartelinealde
lacurvadecarga(curvavirgen)(F),hastala
intersecciónconlabisectriz(E)enelpunto(G).
Laproyeccióndelpunto(G)sobreelejedelas
abscisasdefinelacargadepreconsolidación,Pc.
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42. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Índice de compresión
Lapendientedelacurvavirgendeltramodecarga
determinaelíndicedecompresiónCc,mediantela
siguienteexpresión:
Donde:
Δe=Variacióndelarelacióndevacíos.
ΔP=Variacióndeloslogaritmosdelapresión.1log2log
21
PP
ee
P
e
Cc
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43. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Índice de expansión
Lapendientedelaparterectadeltramode
descargadeterminaelíndicedeexpansiónCe,
mediantelasiguientesexpresión:
Donde:
e3–e2=Variacióndelarelacióndevacíos.
P2-P3=Variacióndeloslogaritmosdelapresión.3log2log
23
PP
ee
Ce
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44. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Coeficientedecompresibilidad
Lapendientedelacurvavirgendeltramodecarga
determinaelíndicedecompresibilidada
v,mediantela
siguienteexpresión:12
12
PP
ee
P
e
a
v
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45. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Determineyregistreelcoeficientedepermeabilidad
(k),mediantelasiguienteecuación:
PorlotantoC
vmye
m,sedeterminanasí:m
wvvm
e
aC
k
1
**
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46. Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
Donde:
C
v1=Coeficientedecompresibilidadcorrespondienteala
presióndelpuntoe1.
C
v2=Coeficientedecompresibilidadcorrespondienteala
presióndelpuntoe2.
C
vm=MediaaritméticaentreelcoeficienteCv
1yCv
2.
E
m=Mediaaritméticaentree1ye2.
K=Coeficientedepermeabilidadencm
2
/s.
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