informe consolidación
DESCRIPTION
informe de consolidación de suelos 2010TRANSCRIPT
1
Departamento de Ingeniería Civil
Magíster en Ingeniería Geotécnica
Mecánica de Suelos Experimental
Ensayo de Consolidación
Javier Mora Torres
Concepción – 03 de Noviembre de 2012
2
Tabla de contenidos
Introducción ............................................................................................................................................ 3
Marco Teórico ......................................................................................................................................... 4
Materiales y Equipos ................................................................................................................................ 5
Descripción del ensayo ............................................................................................................................ 6
Datos del Ensayo ..................................................................................................................................... 9
Resultados ............................................................................................................................................. 10
Cálculo del Módulo Edométrico ......................................................................................................... 13
Cálculo del Coeficiente de Consolidación ........................................................................................... 14
Cálculo de la Permeabilidad ............................................................................................................... 19
Cálculo de Asentamiento ................................................................................................................... 20
Conclusiones .......................................................................................................................................... 22
Referencias ............................................................................................................................................ 23
3
Introducción
Cuando se somete un suelo cohesivo saturado a un incremento de carga, ocurre un
traspaso de esta carga desde el agua a la estructura de suelo en el tiempo. Inicialmente, de
acuerdo a la teoría, ese incremento de carga exterior lo toma integralmente el agua debido a
que, por una parte, es incompresible, y por otra, el suelo del que estamos hablando presenta
una baja permeabilidad. Este incremento de carga tomado por el agua produce excesos en la
presión neutra por sobre las presiones hidrostáticas. Al cabo de un tiempo t, parte de este
exceso de presión neutra es disipado, transfiriéndose esa parte de la carga a la estructura de
suelo, resultando en un incremento de tensiones efectivas. El resultado de este incremento
gradual de tensiones verticales efectivas produce asentamientos en terreno.
Cuando el suelo es permeable, como es el caso de un suelo granular, o cuando la carga
se aplica a un suelo fino seco (o con bajo grado de saturación), el proceso de deformación con
reducción en el índice de vacíos tiene lugar en un período tan corto que es posible considerar el
proceso como instantáneo. En estos casos existe una deformación vertical prácticamente
inmediata, pero no se reconoce como consolidación.
A continuación se analiza una muestra extraída desde el sello de fundación del nuevo edificio de
aulas de las UCSC, La muestra a ensayar corresponde a una prospección realizada en el terreno
donde se construye el edificio de aulas de siete niveles ubicado entre la cancha de fútbol de
pasto sintético y el sendero de flora.
Mediante un ensayo edométrico, se encontrarán los parámetros necesarios, tales como
el módulo edométrico Em y el coeficiente de consolidación Cv, los cuales permitirán calcular el
asentamiento por consolidación del estrato de suelo, y cuánto tiempo ocurrirá.
Figura 1: Vista satelital del lugar de exploración. Fuente: Google Earth.
4
Marco Teórico
La consolidación se define como el cambio de volumen en suelos saturados cohesivos (limos y
arcillas plásticas compresibles), a causa del peso de las capas que se encuentran sobre este y el
incremento de tensiones sobre el suelo. Este cambio de volumen se debe exclusivamente al
desalojo del agua de los espacios vacíos del suelo. Fue Karl Terzaghi (1943) quien definió así a la
consolidación y pudo experimentalmente ensayarla en laboratorio, para lo cual supuso que el
agua que se encuentra en los poros, y los granos minerales son incompresibles. De esta
afirmación, el aumento del esfuerzo total produciría como efecto una elevación de la presión
del agua en los poros. A medida que el agua de los poros es desalojada del suelo, el incremento
de presión de poros se disipa con lentitud. Luego, una vez que se ha disipado totalmente el
aumento de presión de poros, el suelo se dice que está totalmente consolidado.
Figura 2: Representación esquemática de la consolidación.
Los procesos de cambios de volumen debido a un cambio de tensión son lentos, y su velocidad
está en función de la permeabilidad del suelo. Terzaghi no define explícitamente a la
consolidación como un proceso dependiente del tiempo, en el cual el suelo se deforma debido a
la disipación de presiones de poros que no están en equilibrio.
5
Materiales y Equipos
Para el desarrollo del ensayo de consolidación unidimensional, los equipos que se
utilizaron fueron los siguientes:
• Consolidómetro con dial de deformación (0.0001 in)
• Celda de consolidación
• Anillo metálico de consolidación
• Piedras porosas
• Muestra de suelo inalterada
• Balanza
• Cronómetro
• Pesas de carga
• Accesorios
6
Descripción del ensayo
El ensayo de consolidación unidimensional tiene por objetivo encontrar las curvas de
consolidación y por ende el asentamiento del suelo ante las posibles cargas impuestas sobre
este. Para ello se utilizan los equipos y materiales mencionados anteriormente según el
siguiente procedimiento:
- En primera instancia se debe extraer una muestra inalterada que sea representativa del suelo
a analizar, marcando el sentido donde esta es cargada y posteriormente ubicar el anillo
metálico.
Figura 3: Tallado de la muestra
- Moldear cuidadosamente la muestra dentro del anillo de consolidación, hasta que este quede
completamente lisa por ambas caras, tal como se muestra.
Figura 4: Muestra dentro del anillo de confinamiento.
7
- Del material sobrante del proceso de moldeo, tomar una muestra representativa y utilizarla
para determinar el contenido de humedad (ω) que este posee, su respectiva gravedad
específica (Gs), grado de saturación (s) y la relación de vacíos (e).
Figura 5: Material sobrante
- Posterior a esto, se debe introducir el anillo con la muestra de suelo cuidadosamente en la
celda de consolidación, el cual en ambas caras tendrá las piedras porosas. En esta etapa se debe
asegurar que las piedras porosas entren en el anillo y no haya posibilidad de contacto entre
éstas y el anillo durante el proceso de carga.
Figura 6: Celda de consolidación
- Luego, armar la celda de consolidación, la que se ubicará en el Consolidómetro.
- Colocar el Consolidómetro en el aparato de carga y ajustar el deformímetro.
- Saturar la muestra de suelo por 24 horas.
- Medir la posible deformación sobre el suelo.
- Ajustar el dial a cero.
8
- Aplicar el primer incremento de carga (carga adicional suficiente para desarrollar el primer
incremento de carga) y simultáneamente tomar lecturas de deformación a tiempos de 0.25,
0.50, 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60, 120 min., y a continuación por ejemplo, 3, 8, 24, horas, etc. Hasta que
las variaciones de lecturas de deformación resulten muy pequeñas.
- Después de 24 horas o como se haya establecido, o cuando el ΔH entre dos lecturas sea
suficientemente pequeño, incrementar la carga al doble de la anterior y nuevamente tomar
lecturas a intervalos de tiempo controlados como en el paso anterior.
- Continuar incrementando cargas y tomar lecturas de deformación versus tiempo hasta llegar a
la carga requerida. Al final del ensayo, colocar la muestra en el horno para obtener el peso seco
de los sólidos WS y obtener por diferencias el volumen final de agua Vwf; comparar WS con el
valor calculado a partir del contenido de humedad inicial en el paso 1.
9
Datos del Ensayo
La muestra a ensayar corresponde a una prospección realizada a 9.0 m de profundidad en el
sector donde se construye el edificio de aulas de siete niveles ubicado entre la cancha de fútbol
de pasto sintético y el sendero de flora.
Para el ensayo, la trayectoria de carga a utilizar será la siguiente.
Intervalo Carga
σ'v (kPa) 12,5 25 50 100 200
Intervalo Descarga
σ'v (kPa) 100 50 25 12,5
Intervalo Carga
σ'v (kPa) 25 50 100 200 400 800 1600
Intervalo Descarga
σ'v (kPa) 800 400 200 100 50 25 12,5
Tabla 1: Trayectoria de cargas.
Peso unitario suelo kN/m3 17
Masa muestra húmeda + anillo grs 125,76
Masa Anillo+Muestra seca grs 109,1
Masa Anillo grs 61,1
Masa Seca grs 48
Masa Húmeda grs 64,66
Gravedad Específica Gs 2,75
Humedad Final (%) Wf 35
Relación de vacíos E 0,954
Altura final (mm) Hf 17,17
Volumen específico Ν 1,954
Tabla 2: Datos de la muestra.
10
Resultados
Análisis granulométrico.
Tamiz N° Tamiz [mm] Pasa [%]
3/8’’ 10 100
#4 5 99
#10 2 95
#20 0,841 89
#40 0,42 85
#60 0,25 83
#200 0,074 80
Analizando los datos anteriores y buscando el tipo de suelo a ensayar, se hace necesario
utilizar la carta de plasticidad, ya que el porcentaje que pasa por el tamiz n°200 > 50% .Con los
datos obtenidos en laboratorio: IP=21 y LL=47, se obtiene lo siguiente:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,01 0,1 1 10
% q
ue
pa
sa
Tamaño tamiz [mm]
Distribución granulométrica
11
Por lo tanto es una muestra de suelo CL, que corresponde a arcillas inorgánicas, arcillas
con grava, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras.
El factor de conversión del dial a mm es de 0.00254 [mm], con lo cual nos permite traducir los
resultados de la medición del dial del consolidómetro que a continuación se muestran.
En la tabla siguiente se indica el intervalo carga/descarga de la trayectoria de tensiones
versus el cambio del volúmen específico. Además de la curva de consolidación.
Intervalo σ'v (kPa) 1+e
Carga
12,5 2,164
25 2,159
50 2,15
100 2,131
200 2,096
Descarga
100 2,098
50 2,102
25 2,105
12,5 2,114
Carga
25 2,11
50 2,108
100 2,103
200 2,094
400 2,034
800 1,968
1600 1,899
Descarga
800 1,906
400 1,916
200 1,925
100 1,932
50 1,939
25 1,945
12,5 1,951
Tabla 3: Datos carga/descarga ensayo de consolidación.
12
Figura 7: Curva de consolidación.
1,85
1,9
1,95
2
2,05
2,1
2,15
2,2
1 10 100 1000 10000
1+
e
σ'v
13
Cálculo del Módulo Edométrico
El módulo edométrico se debe calcular considerando cada intervalo de carga y la
deformación vertical asociado a ese intervalo mediante la siguiente ecuación:
Em = Δσv’ * h0
Δh
A continuación se resumen los resultados de los módulos edométricos en la siguiente
tabla.
σ'v (kPa) 12,5 25 50 100 200 100 50 25 12,5 25 50
Δσ'v (kPa) 12,5 25 50 100 -100 -50 -25 -12,5 12,5 25 50
ho (mm) 0,0533 0,0762 0,1600 0,3073 -0,0152 -0,0254 -0,0279 -0,0762 0,0406 0,0203 0,0432
Δεv 0,0028 0,0040 0,0085 0,0164 -0,0008 -0,0014 -0,0015 -0,0041 0,0022 0,0011 0,0023
Em (kPa) 4.457 6.224 5.902 6.094 120.866 36.299 16.526 3.035 5.715 22.810 21.445
σ'v (kPa) 100 200 400 800 1600 800 400 200 100 50 25
Δσ'v (kPa) 100 200 400 800 -800 -400 -200 -100 -50 -25 -12,5
ho (mm) 0,0838 0,5258 0,5766 0,5969 -0,0559 -0,0889 -0,1143 -0,0737 -0,0203 -0,0787 -0,0533
Δεv 0,0045 0,0286 0,0323 0,0345 -0,0033 -0,0053 -0,0068 -0,0043 -0,0012 -0,0046 -0,0031
Em (kPa) 22.047 6.999 12.397 23.173 238.941 75.366 29.466 23.011 41.880 5.410 4.012
Tabla 4: Cálculo módulo edométrico.
El inicio del intervalo está dado por la tensión debido a los esfuerzos geostáticos.
�′� = ���� ∗ ℎ = 17 ���� ∗ 9.0� = 153���
Y la cota superior del intervalo está dada por el incremento de tensiones debido a la
superestructura. Para ello se consideran dos diferentes valores de peso promedio por piso de
edificio, ya que no son conocidos dichos valores.
Peso p/piso
(kPa) N° pisos Δσ'v (kPa)
15 7 105
20 7 140
Intervalo
Cota
inferior Cota superior
σ'v (kPa) σ'v+Δσ'v (kPa)
1 153 258
2 153 293
Tabla 5: Intervalo de carga para el cálculo del asentamiento y elección del módulo edométrico.
14
Cálculo del Coeficiente de Consolidación
Para determinar el coeficiente de consolidación se emplearon los datos de carga una vez
realizada la primera descarga completa de los pesos.
Tiempo
(min)
Raíz
Tiempo
Tensión (kPa)
25 50 100 200 400 800 1600
Lectura dial (mm)
0,1 0,32 0,556 0,579 0,62 0,673 1,041 1,575 2,062
0,25 0,50 0,559 0,579 0,622 0,678 1,069 1,593 2,09
0,5 0,71 0,559 0,582 0,622 0,683 1,09 1,61 2,121
1 1,00 0,561 0,582 0,625 0,686 1,11 1,633 2,144
2,25 1,50 0,561 0,582 0,627 0,691 1,13 1,664 2,187
4 2,00 0,564 0,582 0,627 0,693 1,146 1,694 2,233
6,25 2,50 0,564 0,584 0,627 0,696 1,158 1,712 2,266
9 3,00 0,564 0,584 0,627 0,699 1,166 1,725 2,291
12,25 3,50 0,566 0,584 0,63 0,699 1,171 1,737 2,314
16 4,00 0,566 0,584 0,63 0,701 1,176 1,748 2,332
20,25 4,50 0,566 0,584 0,63 0,704 1,181 1,755 2,344
25 5,00 0,569 0,584 0,63 0,704 1,184 1,76 2,355
40 6,32 0,569 0,584 0,63 0,706 1,189 1,77 2,372
60 7,75 0,569 0,584 0,632 0,709 1,194 1,781 2,383
90 9,49 0,569 0,587 0,632 0,711 1,199 1,788 2,393
120 10,95 0,569 0,587 0,632 0,714 1,201 1,791 2,398
180 13,42 0,569 0,589 0,632 0,716 1,209 1,793 2,405
Tabla 6: Datos cálculo coeficiente de consolidación Cv – Método de Taylor.
El Método de Taylor se basa en el gráfico deformación v/s raíz cuadrada del tiempo, en el cual
se debe hacer lo siguiente:
1. Trazar la mejor recta que pasa por los primeros puntos del gráfico
2. La intersección entre la recta definida en 1 con el eje de las abscisas, define una distancia
“A”.
3. Se define en el eje de las abscisas el punto A distanciado del origen en 1.15A
4. Se une el punto 0’ y A.
5. La intersección de esta recta con la curva define el valor t90 en el eje de las abscisas.
6. Con este valor de t90 calcular el coeficiente de consolidación con la fórmula:
90
2%)90(
t
HUTC V
V
⋅==
15
Donde:
Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.716
H = ½ de la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje).
Figura 8: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 25 kPa.
Figura 9: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
16
para una carga de 50 kPa.
Figura 10: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 100 kPa.
Figura 11: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 200 kPa.
17
Figura 12: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 400 kPa.
Figura 13: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 800 kPa.
18
Figura 14: Curva deformación versus raíz del tiempo. Determinación gráfica según Taylor de t90,
para una carga de 1600 kPa.
σ'v (kPa) (t90)0.5
t90 Cv (mm2/min) Cv (m
2/s)
25 1,20 1,44 181 3,02E-06
50 0,85 0,72 362 6,03E-06
100 1,50 2,25 116 1,93E-06
200 0,90 0,81 322 5,37E-06
400 1,30 1,69 155 2,58E-06
800 2,30 5,29 49 8,23E-07
1600 2,00 4,00 65 1,09E-06
Cv (m
2/s) 2,98E-06
Tabla 7: Resumen cálculo del coeficiente de consolidación Cv mediante el método de Taylor.
19
Cálculo de la Permeabilidad
Para el cálculo de la permeabilidad k, se dispone de la siguiente expresión:
� = γ� ∙ CvEm
en la cual es conocido módulo edométrico para cada intervalo, y también el coeficiente de
consolidación. Así, la permeabilidad del suelo en estudio queda definida para cada intervalo
Intervalo σ'v (kPa) Coef. Consolidación Módulo Edométrico Permeabilidad
Cv (m2/s) Em (kPa) k (m/s)
25 50 4,52E-06 22810 1,98E-09
50 100 3,98E-06 21445 1,86E-09
100 200 3,65E-06 22047 1,66E-09
200 400 3,98E-06 6999 5,68E-09
400 800 1,70E-06 12397 1,37E-09
800 1600 9,56E-07 23173 4,12E-10
Tabla 8: Cálculo de la Permeabilidad, k.
De la Tabla 8, se observa una disminución progresiva de la permeabilidad, lo cual es esperable.
Pero además se observa un aumento en la permeabilidad en el intervalo entre 200 kPa y 400
kPa, lo cual es inusual.
Figura 15: Rango de valores típicos del coeficiente de permeabilidad para suelos (Craig 1997).
20
Cálculo de Asentamiento
Según datos del Informe de Ingeniería Geotécnica Edificio Monseñor Ricardo Ezzati A. (LGM
2011a), el sondaje S1 revela la siguiente estratigrafía,
Figura 16: Descripción estratigráfica observada en el sondaje 1
Es conocido que el sello de fundación de la superestructura es a los 9.0 m de profundidad, y es a
esa misma cota donde se extrajo la muestra. Con esto el espesor de estrato a considerar, dada
la descripción estratigráfica es de H0 = 1.0 m.
Así para la historia de tensiones, el cálculo del asentamiento del estrato de suelo debido al peso
de la superestructura se limita a evaluar la siguiente expresión,
" = #$ ∗%∆�'()'
*
'+,
Peso p/piso
(kPa) N° pisos Δσ'v (kPa)
15 7 105
20 7 140
Intervalo
Cota
inferior
Cota
superior Módulo Edométrico kPa
σ'v (kPa) σ'v+Δσ'v
(kPa)
100 kPa -200
kPa
200 kPa - 400
kPa
1 153 258 22047 6999
2 153 293
Tabla 9: Resumen datos cálculo asentamiento
21
Finalmente, evaluando en la ecuación para las dos condiciones de superestructura, se tiene que,
", = #$ ∗% ∆�'()'
*
'+,= 1� ∗ - 47���
22047��� +58���6999���3 = 1.04�
"5 = #$ ∗% ∆�'()'
*
'+,= 1� ∗ - 47���
22047��� +93���6999���3 = 1.54�
Se observa, que en el caso más desfavorable, el asentamiento producido por la construcción de
la superestructura es de alrededor de 1.5 cm. Aunque el espesor del estrato considerado es
bastante pequeño, dado que no se conoce estratigrafía de los horizontes más profundos.
22
Conclusiones
• Se observa, que en el caso más desfavorable, el asentamiento producido por la
construcción de la superestructura es de 1.5 cm. Aunque el espesor del estrato
considerado es bastante pequeño, dado que no se conoce estratigrafía de los horizontes
más profundos.
• La muestra de suelo es un CL, que corresponde a arcillas inorgánicas, arcillas con grava,
arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras.
• Se hace necesario realizar más ensayos de consolidación en diversos puntos del lugar
donde se construye el edificio, con el fin de evaluar los posibles asentamientos
diferenciales que pudieran producirse dada la heterogeneidad de los estratos.
• De la Tabla 8, se observa una disminución progresiva de la permeabilidad, lo cual es
esperable. Pero además se observa un aumento en la permeabilidad en el intervalo
entre 200 kPa y 400 kPa, lo cual es inusual e indicaría que hubo un hinchamiento de la
muestra en ese intervalo, cosa que no ocurrió.
• De acuerdo a los valores de permeabilidad obtenidos por el método de Taylor, se puede
concluir que entregan resultados que concuerdan con el rango de valores típicos del
coeficiente de permeabilidad mostrado en el texto Craig's Soil Mechanics.
23
Referencias
[1] Craig R. F. Craig’s Soil Mechanics 1997.
[2] Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using
Incremental Loading. ASTM D 2435-03 (2000).
[3] Villalobos F. Informe de ingeniería geotécnica edificio monseñor Ricardo Ezzati A.,
(2011).
[4] Villalobos F. Apuntes de clases “Mecánica de Suelos II”, UCSC, II Semestre 2011.
[5] Villalobos F. Apuntes de clases “Ingeniería Geotécnica”, UCSC, II Semestre 2011.