Ensayo de consolidación unidimensional

ASTM D 2435-90
AASHTO T 216

ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN
UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS

Competencias Técnicas de Laboratorista
en Mecánica de Suelos

ALCANCE

Este ensayo describe el procedimiento para determinar
el grado de asentamiento que experimenta
g q p una
muestra de suelo al someterla a una serie de
incrementos de presión o carga.


EQUIPO
Aparato de carga.- con
una precisión de ± 0.5%
de la carga aplicada
aplicada. Piedras porosas.-

Caja de
lid ió
consolidación.-


EQUIPO

Anillo cortante cilíndrico.- con altura
2.54 cm y el diámetro de 6.35 cm.

Deformímetro.- con una sensibilidad d
D f í t ibilid d de
0.01 mm (0.00254 in).

Balanza.- Con aproximación a 0.01 g


EQUIPO
Otros equipos.‐ Recipientes para
horno determinar el contenido de humedad
de acuerdo con la norma ASTM D
2216, sierra de alambre, cuchillos,
calibrador, cronómetro y agua
destilada.


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.
El almacenamiento de muestras2: selladas cubierta con parafina
Nº Muestra inalterada deberá ser
Foto N parafina.

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.


PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Retire la capa de parafina de las paredes del bloque
inalterado.
inalterado
Inserte el anillo cortante
en el bloque inalterado y
recorte la muestra
utilizando un cuchillo o
Foto Nº 3: Toma de muestras con el anillo cortante
sierra de alambre. en el bloque inalterado.

Enrase las caras superior
p
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


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.
did
Foto Nº 5: Medición de la muestra

Calcule el volumen inicial (Vo) de la muestra en
muestra,
función del diámetro y de la altura inicial de la muestra.
Pese el anillo de consolidación y registre su masa
g
(Manillo), con una precisión de 0.01 g.


Inserte la muestra en el anillo de
consolidación y d t
lid ió determine l
i la
masa inicial de la muestra (MTo)
pesando el conjunto anillo más
muestra y restando la masa del
anillo.
Obtenga dos o tres Foto Nº 6: Peso del anillo más muestra.

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.


PROCEDIMIENTO

Humedezca l piedras porosas y el papel filt si el
H d las i d l l filtro i l
suelo está parcialmente saturado o manténgalas
secas si el suelo es expansivo
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.


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.


PROCEDIMIENTO
Aplique una carga de
asentamiento de 5 kPa (100 lb/ft2)
para suelos firmes y de 2 ó 3 kPa
(alrededor de 50 lb/ft2) para suelos
blandos, (para producir estas
p
presiones se deben aplicar cargas
p g
de 160 y 80 g respectivamente). Foto Nº 10: Colocación de carga de
asentamiento.

Aplicada la carga de asentamiento
llene con agua la caja de
consolidación y deje que la
muestra se sature.
Foto Nº 11: Saturación de la muestra.


PROCEDIMIENTO

Coloque cargas sobre el consolidómetro para
q g p
obtener presiones sobre el suelo de
aproximadamente 30.40, 61.80, 123.60, 248.20,
495.40, 991.80
495 40 991 80 etc. kP (
t kPa, (para producir estas
d i t
presiones se deben aplicar cargas de 1, 2, 4, 8, 16,
32 Kg respectivamente) Antes de aplicar un
respectivamente).
incremento de presion, registre la altura de la
muestra.


PROCEDIMIENTO
La duración de cada incremento
de carga debe ser de 24 horas.
Inmediatamente aplicado cada
incremento de carga ponga en
carga,
marcha el cronómetro y registre las
lecturas de deformación de la
muestra a intervalos de 0.1, 0.25, Foto Nº 12: Colocación de cargas

0.5, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 minutos y 1,
sobre el aparato de consolidación.

2, 4, 8, y 24 horas.
Una vez tomada la última lectura con el último
incremento de carga, descargue el suelo mediante
reducciones de carga.


PROCEDIMIENTO
Para disminuir la expansión durante la descarga,
deberá descargarse la muestra hasta la carga
establecida de 5 kPa (100 lb/ft2) para suelos firmes y
de 2 ó 3 kPa (alrededor de 50 lb/ft2) para suelos
blandos. Una vez que se ha concluido el ensayo,
q
quite la carga final y desarme rápidamente la caja de
g p j
consolidación.

Pese la masa de la muestra extraída de la caja de
consolidación (MTf) pesando el conjunto anillo más
muestra y restando l masa d l anillo, con una
t t d la del ill
precisión de 0.01 g.


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 (MSf) y determine el
contenido de humedad Foto Nº 13: Secado al horno de la
muestra.
muestra
final, (Wf) de acuerdo con la
norma ASTM D 2216.


CÁLCULOS
Calcule el contenido de humedad inicial y final,
mediante la siguiente ecuación:
Contenido de humedad inicial:

Donde:

MHO=Peso del recipiente + muestra húmeda antes del
ensayo, g.
ensayo g
MS=Peso del recipiente + suelo seco antes del ensayo,
g.
M recipiente=Peso d l recipiente, g.
P del i i
Wo=Contenido de humedad inicial, %


CÁLCULOS
Contenido de humedad final:

Donde:

MTf=Peso del anillo + muestra húmeda después del
Peso
ensayo, g.
MSf=Peso del anillo + suelo seco después del ensayo, g.
p y ,g
M anillo=Peso del anillo, g.


CÁLCULOS

Calcule la densidad seca inicial de la muestra, como
se indica:

M
ρ d =
Sf

V o

Donde:
Ρd=Densidad seca de la muestra, g/cm3 ó Kg/m3.
Vo=Volumen inicial de la muestra, cm3 ó m3.


CÁLCULOS

Calcule el volumen de los sólidos como se indica:
sólidos,

M
Vs = Sf

G * ρw

Donde:

Vs=Volumen de sólidos, cm3.
G=Gravedad específica de los sólidos.
G G d d ífi d l ólid
Ρw=Densidad del agua, 1.0 g/cm3 ó Mg/m3.

CÁLCULOS

Calcular la altura de los sólidos, como sigue:

V s
H s =
A

Donde:
Hs=Altura de sólidos, cm (in).
A=Área de la muestra, cm2 (in2).


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,
ensayo mediante la expresión:

H = (H −∆H) −
(M
Tf − MSf )
s o
A

Donde:
Ho=Altura inicial de la muestra, cm (in).
∆H=Asentamiento total de la muestra al finalizar el ensayo,
cm (in). Competencias Técnicas de Laboratorista

CÁLCULOS
Calcule la relación de vacíos inicial y final mediante la
final,
siguiente ecuación:

Relación de vacíos inicial
H − H
eo = o s

H s

Relación de vacíos final
H −H
ef =
f s

H s


CÁLCULOS

Por lo tanto, la altura final se determina así:

Hf = Ho – ∆H

Donde:

Ho=Altura inicial de la muestra, cm (in).
Hf=Altura final de la muestra para cada incremento de
carga, cm (in).

CÁLCULOS
Calcule el grado de saturación inicial y final, mediante la
siguiente ecuación:

Grado de saturación inicial So =
M To − M Sf
* 100
A * ρ w * (H o − H s )

Grado de saturación final Sf =
M Tf − M Sf
*100
A * ρw * (H f − H s )

Donde:
D d
So=Grado de saturación inicial, %
Sf=Grado d saturación fi l %
G d de t ió final,
Ρw=Densidad del agua= 1 g/cm3


CÁLCULOS
Calcule la relación de vacíos para cada incremento
de
d carga, mediante l siguiente ecuación:
di t la i i t ió

∆H c
e = eo −
Hs

Donde:
eo=Relación de vacíos inicial.
e ac ó ac os c a
∆Hc=Variación de asentamiento para cada incremento
de carga, cm (in).
Hs=Altura de sólidos, cm (in).


CÁLCULOS
Calcular la altura final para cada incremento de carga,
mediante l siguiente ecuación:
di t la i i t ió

Donde:
∆Hc-1=Variación del asentamiento para un incremento de
carga anterior, cm (in)
t i (i )
Hfc=Altura final para cada incremento de carga , cm (in)


CÁLCULOS

Calcular la altura promedio (H) para cada incremento
de carga, mediante la siguiente expresión:

H o + H fc
H=
2

Donde:
D d
Ho=Altura inicial de la muestra, cm ó mm.


CÁLCULOS

Calcular la longitud promedio de la trayectoria de
drenaje (Hm), para cada incremento de carga,
mediante la siguiente expresión:

H
Hm =
2

Donde:
H=Altura promedio para cada i
H Alt di d incremento d carga, cm
t de
(in).


Método del Logaritmo del Tiempo
Se grafica en escala semilogarítmica la curva
deformación (ordenadas) vs log tiempo (abscisas ).
( ) g p ( )
Fig. 5.1 Curva deformación versus Log tiempo

Fuente: Norma ASTM D 2435 – 90


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
(D).
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.


• Determine la deformación que representa el 0% de la
consolidación primaria escogiendo un punto de la
primaria,
curva próximo al eje de deformaciones (t1), observe el
tiempo que le corresponde, localice sobre la curva el
punto cuya abscisa sea cuatro veces l d l punto
t b i t la del t
originalmente elegido (t2); la diferencia de ordenadas
entre ambos puntos se duplica y éste valor se lleva a
partir d l segundo punto mencionado, sobre una
ti del d t i d b
paralela al eje de ordenadas obteniéndose de este
modo un tercer punto sobre el cual se hará pasar una
paralela al eje d l ti
l l l j de los tiempos que es l que d fi
la define ell
0% teórico de consolidación.


p ,

Al punto medio d l segmento entre el 0 y 100%
t di del t t l
teóricos de consolidación corresponderá el 50%. El
tiempo correspondiente a este porcentaje t50, queda
determinado por l abscisa d l punto d i t
d t i d la b i del t de intersección
ió
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.


Método de la Raíz Cuadrada del Tiempo
• Se grafica en escala aritmética la curva deformación
(ordenadas) vs raíz cuadrada del tiempo (abscisas ).
Fig. 5.2 Curva deformación versus raíz cuadrada del tiempo



Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de
p ,
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 l
di t la constante 1 15 L
t t 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.



Procedimiento para determinar el 0, 90 y 100% de
consolidación primaria:

• T
Trace una lí
línea recta (A) a t é d l puntos que
t través de los t
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.



Calcule el coeficiente de consolidación para cada
incremento de carga, como sigue:

Para curva deformación versus log tiempo

0.197 xHm 2
H
Cv =
t 50


Calcule el coeficiente de consolidación para cada
incremento de carga, como sigue:
g , g

Para curva deformación versus raíz cuadrada del
tiempo
Donde:
Cv= Coeficiente de consolidación cm2/s
consolidación, /s.
Hm2=Longitud promedio de la
0.197 xHm2 trayectoria de drenaje para cada
y j
Cv =
t 50 incremento de carga.
t50, 90=Tiempo correspondiente al
grado d consolidación para 50% ó
d de lid ió
90%, s ó min.



Grafique la curva relación de vacíos (e) versus
presión (P) en escala semilogarítmica.
Fig 5.3 Curva relación de vacios versus presión
Fig. 5 3




• Esta gráfica es conocida como: Curva de
compresibilidad, que permite determinar la carga de
preconsolidación Pc en kg/cm2, los índices de
Pc,
compresión, expansión y compresnsibilidad, de la
s gu e e a e a
siguiente manera:


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 d estas d rectas (E)
bi t i de t dos t (E).
Extienda una tangente que pase por la parte lineal de
la c r a de carga (c r a virgen) (F) hasta la
curva (curva irgen) (F),
intersección con la bisectriz (E) en el punto (G).
La
L proyección d l punto (G) sobre el eje d l
ió del t b l j de las
abscisas define la carga de preconsolidación, Pc.


Índice de compresión
p
La pendiente de la curva virgen del tramo de carga
determina el índice de compresión Cc, mediante la
siguiente expresión:
∆e e1 − e2
Cc = =
∆P log P 2 − log P1

Donde:
∆e=Variación de la relación de vacíos.
∆P=Variación de los logaritmos de la presión.


Índice de expansión
La pendiente de la parte recta del tramo de
descarga determina el índice de expansión Ce,
mediante la siguientes expresión:

e3 − e2
Ce =
log P 2 − log P3

Donde:
e3– e2=Variación d l relación d vacíos.
3 2 V i ió de la l ió de í
P2-P3=Variación de los logaritmos de la presión.

Coeficiente de compresibilidad

La pendiente de la curva virgen del tramo de carga
determina el índice de compresibilidad av, mediante la
siguiente expresión:
g p

∆e e2 − e1
av = − =−
∆P P 2 − P1



Determine y registre el coeficiente de permeabilidad
(k), mediante la siguiente ecuación:

C * a v * ρ
k = vm w

1 + e m

Por lo tanto Cvm y em, se determinan así:


Donde:
Cv1=Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la
presión del punto e1.

Cv2=Coeficiente de compresibilidad correspondiente a la
presión del punto e2.

Cvm=Media aritmética entre el coeficiente Cv1 y Cv2.

Em=Media aritmética entre e1 y e2.

K=Coeficiente de permeabilidad en cm2/ s.


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