Ensayo de consolidación
Como se mencionó en el desarrollo de la guía el ensayo de consolidación consiste en aplicar a una muestra de suelo, una serie de cargas pre-establecidas con las cuales se obtienen, para cada una de ellas, valores de tiempo y deformación.
Los parámetros que intervienen en el proceso de consolidación y, por lo tanto, que se obtienen en la prueba son: deformación, relación de vacíos, carga, esfuerzo y tiempo, con estos parámetros es posible generar la curva de compresibilidad y la curva de consolidación.
La curva de compresibilidad brinda información necesaria para entender los asentamientos y revela cual es el comportamiento del suelos al sufrir incrementos y decrementos de cargas y la curva de consolidación ayuda a entender el proceso de asentamientos en el tiempo.
• En primer lugar se debe conocer el peso y las dimensiones del anillo.
• Se inserta el anillo en una muestra inalterada
- Se labra la muestra enrasando la cara superior e inferior
- Con el material restante se obtiene el contenido de humedad, también se puede hacer la prueba de picnómetro para conocer la gravedad especifica en suelos finos.
Al iniciar el ensayo, los datos se ordenan en la siguiente tabla
Los datos representados en la tabla se traducen en lo siguiente:
Se inicio colocando la muestra en el consolidometro, se le aplican cargas diariamente hasta colocar un último incremento de carga, en este ultimo incremento se tomaran las lecturas a los 15’’, 30’’, 45’’, 1’, 2’, 4’, 6’, 9’, 16’, 30’, 1h, 2h, 4h, 8h y 24h para construir la curva de consolidación. Posteriormente se procede a la descarga paulatina para construir la curva de compresibilidad.
A continuación se muestran los datos de un ensayo de consolidación
Donde:
- La deformación es la diferencia entre las lecturas del extensómetro.
- ∆h es la altura del anillo menos la altura del suelo, esto para obtener el primer valor. Posterior a este se les resta las deformaciones.
- e=∆H/(Altura del suelo.)
La curva de consolidación: la curva de consolidación se elabora en escala semi-logarítmica, esta se grafica con las lecturas del extensómetro en (mm) vs el tiempo en (min), esta curva es representativa para el ultimo incremento de carga.
Con los datos obtenidos mediante el ensayo de consolidación, es posible determinar para un estrato de suelo especifico el coeficiente de consolidación:
t50 se calcula de manera directa en la grafica:
- Primero se escoge un valor de tiempo representado por t1, el cual se multiplica por 4 (4*t1) obteniendo así un valor ∆ entre ambos puntos de la gráfica, este ∆ se trasvasa hacia arriba, este valor se lleva al eje de las lecturas de extensómetro consiguiendo la deformación correspondiente al 0%
- Luego se extiende una recta tangente a la recta a la parábola en el punto de inflexión y otra recta tangente a los últimos puntos de la curva, formando así una intersección entre las dos rectas la cual se traslada al eje de las lecturas del extensómetro encontrando así la deformación correspondiente al 100%
- Por ultimo se busca el 50% de deformación, este se lleva a la curva, para posteriormente trasladarlo al eje correspondiente al tiempo, consiguiendo así el t50.
A partir de este coeficiente se puede determinar el tiempo necesario para que se complete total o parcialmente el proceso de consolidación.
Donde:
Tv = factor tiempo.
Cv = coeficiente de consolidación.
t = tiempo.
d = espesor del estrato. H/2 = si drena por ambos lados.
La curva de compresibilidad: como ya se ha expuesto el proceso de consolidación se traduce en una disminución de volumen a medida que se aplica una carga. Dicha reducción de volumen es debido a la expulsión del agua que se encuentra en los poros del suelo y, por lo tanto, en una reducción de altura lo que implica el asentamiento del estrato. El ensayo de consolidación brinda la información suficiente para poder calcular la magnitud de dicho asentamiento mediante la curva de compresibilidad que se puede dibujar mediante diferentes relaciones (e vs log σ’; e vs σ’; aunque en general se expresa como relación de vacíos en escala natural versus carga (presión efectiva) en escala logarítmica).
Si se analiza la curva de compresibilidad resultante del ensayo, en esta pueden diferenciarse tres partes bien definidas. Un primer tramo curvo con curvatura creciente, tramo A, un segundo tramo recto (cuando se trabaja en un grafico con escala semilogarítmica), tramo B y un ultimo tramo en el cual se disminuye la carga y la muestra recupera parte de la deformación, tramo C.
El primer tramo llamado de re-compresión, es aquel en el cual las presiones aplicadas al suelo son menores o iguales a las presiones a las cuales el suelo en cuestión ya ha sido sometido en el pasado. En el tramo recto, el suelo experimenta presiones a las cuales nunca ha sido sometido y el ultimo tramo es llamado tramo de descarga, donde se disminuye paulatinamente la hasta hacerla nula.
Para conocer si una arcilla es normalmente o pre-consolidada existen varios métodos, uno de ellos el método de Casagrande, el cual se basa en comparar el esfuerzo en el punto de quiebre (σ’c) con el esfuerzo efectivo (σ’). El esfuerzo en el punto de quiebre se determina de la siguiente manera:
- Por observación se determina el punto de la gráfica que corresponda al radio de curvatura mínimo (A)
- Definido el punto A se traza por él una recta horizontal (h) y se traza otra recta tangente a la curva en dicho punto (t)
- Se construye la bisectriz (b) al ángulo determinado entre h y t
- Por último se prolonga el tramo recto de la curva, hasta que intercepte a la línea b, encontrando así el punto B, este se traslada el eje de esfuerzos consiguiendo así el esfuerzo en el punto de quiebre.
Conociendo el esfuerzo en el punto de quiebre y el esfuerzo efectivo se puede determinar si una arcilla es normalmente o pre-consolidada.
Una arcilla es normalmente consolidada cuando el esfuerzo en el punto de quiebre de su curva de compresibilidad coincide con el esfuerzo efectivo, el asentamiento en una arcilla normalmente consolidada se calcula de la siguiente manera:
Se observa que el esfuerzo en el punto de quiebre (σpq) es igual al esfuerzo efectivo (σ’) por lo que se concluye que es una arcilla normalmente consolidada.
Para calcular el asentamiento de una arcilla normalmente consolidada se utiliza la siguiente formula:
Para el cálculo del índice de compresión (Cc) se toman dos puntos cualesquiera del tramo de compresión de la curva de compresibilidad con los que se obtienen valores de esfuerzos y oquedades como se muestra en la imagen.
Supongamos ahora que estamos en presencia de una arcilla pre-consolidada. Cuando esto ocurre pueden existir dos casos:
- Caso I
En este caso estamos en presencia de σI, el cual se encuentra ubicado entre el esfuerzo efectivo (σ’) y el esfuerzo en el punto de quiebre (σpq) y para determinar si esta en este rango se aplica la siguiente formula:
El asentamiento se calculara de la siguiente manera:
- Caso 2
En este caso estamos en presencia de σII que sobrepasa el esfuerzo en el punto de quiebre (σpq), lo que se traduce en un asentamiento mas significativo que el anterior
El asentamiento podrá calcularse de la siguiente manera:
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