Consolidacion 1
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Universidad Nacional de Colombia Sede Bogot Permeabilidad en un Suelo Marzo 20 - 2015
1
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.
1 Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia
2 Estudiante de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional de
Colombia
3 Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia
4 Estudiante de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Colombia
5 Estudiante de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional de
Colombia
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)
CONSOLIDACIN UNIDIMENSIONAL DEL SUELO
Fabio Anbal Bernal Lpez1, Mauricio Guevara Acosta2, lvaro Javier Melo Vega 3, Ana Milena
Ospina Castellanos 4 Alix Faisuly Rueda 5
Universidad Nacional de Colombia Sede Bogot Dirigido a: Ing. Carol Andrea Murillo Feo
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.
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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
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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 gravimtricas
W total (g) 91,56
V total (cm^3) 62,51
total (g/cm^3) 1,46
Gs 2,7
Hs 0,56
e inicial 3,5162
Tabla 4 Pesos de muestras
Despus de carga y descarga
Anillo + muestra (g) 560,05
Muestra (g) + piedra porosa 370,01
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
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
Inte
rno
Exte
rno
00:0
00,
817
00:0
40,
917
,12
0,3
110
,91,
511
5,5
11,2
5,5
11,1
912
,9
00:1
50,
917
,12
0,7
1,9
14,2
418
,45,
613
,35,
815
,19
17,5
00:3
40,
917
,12
1,5
318
,34
1,5
5,8
15,4
619
,89
19,7
01:0
00,
917
,12
2,4
319
,74,
13,
55,
917
,26,
46,
210
4,6
01:3
40,
917
,12,
053,
33
0,5
4,1
5,1
619
,86,
711
,510
9,7
02:1
50,
917
,12,
054,
253
0,5
4,2
6,7
61,
96,
917
,610
18,2
03:0
40,
917
,12,
14,
93
0,5
4,3
8,2
6,1
4,3
7,2
4,1
115,
3
04:0
00,
917
,12,
25,
83
0,55
4,5
9,5
6,2
6,5
7,5
10,1
1111
,6
06:1
50,
917
,12,
37,
43,
26,
24,
612
,26,
510
,78
1,8
124,
3
09:0
00,
917
,12,
48,
753,
37,
94,
714
,26,
614
,78,
712
,912
14,5
12:1
50,
917
,12,
59,
953,
59,
35
17,5
6,9
18,8
9,1
3,5
134,
9
16:0
00,
917
,12,
510
,95
3,5
10,5
519
,37,
12,
79,
612
1313
,3
25:0
0:00
0,9
17,1
2,6
12,8
3,6
12,6
52,
67,
48,
710
,26,
414
6,8
36:0
0:00
0,9
17,1
2,8
14,2
3,8
14,7
5,1
57,
712
,710
,816
,514
15,5
49:0
0:00
0,9
17,1
2,8
15,1
3,9
16,5
5,2
6,8
7,8
15,6
113,
315
1
64:0
0:00
0,9
17,1
2,9
15,7
3,9
17,2
5,3
8,1
7,9
17,9
11,3
7,6
154,
6
32 K
g50
0 g
1 K
g2
Kg
4 K
g8
Kg
16 K
gTi
em
po
mm
:ss
CA
RG
A
Tabla 5 Lectura de deformimetros durante la carga
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Tabla 6 Lecturas deformimtros durante la descarga
Tiempo mm:ss
16 Kg 8 Kg
Interno Externo Interno Externo
00:04 15 1,5 14 17,3
64:00:00 14 18,7 14 8,9
Tiempo mm:ss
4 Kg 2 Kg
Interno Externo Interno Externo
00:04 14 7,8 13 15,5
64:00:00 13 15,5 13 4,3
Tiempo mm:ss
1 Kg 500 g
Interno Externo Interno Externo
00:04 13 3,4 12 12,5
64:00:00 12 12,9 12 3,3
Tiempo mm:ss
0 g
Interno Externo
00:04 12 2,8
64:00:00 11 7,2
Tabla 7 Deformaciones calculadas para el cargue
Tiempo mm:ss
DEFORMACION (10^-4 pulg)
500 g 1
Kg 2
Kg 4 Kg 8 Kg 16 Kg 32 Kg
00:00 177
00:04 197 400 210 311 1111 1111 1812
00:15 197 400 394 818 1133 1175 1817
00:34 197 401 618 801 1175 1219 1819
01:00 197 402 619 823 1197 1286 2004
01:34 197 413 600 825 1219 1351 2009
02:15 197 414 600 846 1201 1397 2018
03:04 197 424 600 868 1224 1444 2205
04:00 197 445 600 909 1246 1510 2211
06:15 197 467 646 932 1310 1601 2404
09:00 197 488 667 954 1334 1752 2414
12:15 197 509 709 1017 1398 1823 2604
16:00 197 510 710 1019 1422 1932 2613
25:00:00 197 532 732 1002 1488 2046 2806
36:00:00 197 574 774 1025 1552 2176 2815
49:00:00 197 575 796 1046 1575 2203 3001
64:00:00 197 595 797 1068 1597 2267 3004
Tabla 8 Deformaciones calculadas para el descargue
Tiempo mm:ss
Deformacion(10^-4pulg)
16 Kg 8 Kg 4 Kg 2 Kg 1 Kg 500 g
00:04 3001 2817 2807 2615 2603 2412
64:00:00 2818 2808 2615 2604 2412 2403
Desarrollo de las grficas de Taylor y Casa Grande para el
clculo de Cv.
Ilustracin 1 Grafica de Casa grande Carga de 500 g
Ilustracin 2 Grafica de Taylor Carga de 500 g
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6. ANLISIS DE RESULTADOS
Ilustracin 3 Grafica de Casa Grande carga 1 kg
Ilustracin 4 Grafica de Taylor carga 1 kg
Ilustracin 6 Grafica de Taylor carga 2 kg
Ilustracin 8 Grafica de Taylor carga 4 kg Ilustracin 5 Grafica de Casa Grande carga 2 kg
Ilustracin 7 Grafica de Casa Grande carga 4 kg
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Ilustracin 14 Grafica de Taylor carga 32 kg
Ilustracin 12 Grafica de Taylor carga 16 kg
Ilustracin 10 Grafica de Taylor carga 8 kg
Ilustracin 9 Grafica de Casa Grande carga 8 kg
Ilustracin 11 Grafica de Casa Grande carga 16 kg
Ilustracin 13 Grafica de Casa Grande carga 32 kg
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7. ANALISIS 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
2 0,0118 1,4 19,69 2,35
4 0,0192 2,5 19,68 1,31
8 0,0274 1,2 19,69 2,74
16 0,0268 1,5 19,67 2,19
32 0,0386 1,6 19,67 2,05
Tabla 10 Calculos curva comprensibilidad
N ETAPADeformacion
(mm)
CARGA
EN EL
BRAZO P
(kg)
ESFUERZO
NORMAL
(kg/cm^2)
ALTURA
MUESTRA
Hm(cm)
DEFOR
MACIO
N
VERTICA
L (%)
RELACION
DE
VACIOS e
ESFUERZO
NORMAL
(KPa)
0 INICIO 0 0,5 0,170 1,970 0 3,516 16,700
1 CARGA 0,004953 1 0,328 1,965 0,25138 3,507 32,161
2 CARGA 0,0149098 2 0,643 1,967 0,18068 3,510 63,082
3 CARGA 0,0192278 4 1,273 1,959 0,56742 3,496 124,924
4 CARGA 0,0123444 8 2,534 1,942 1,44392 3,465 248,609
5 CARGA 0,0293624 16 5,056 1,878 4,66672 3,352 495,979
6 CARGA 0,0302768 32 10,099 1,455 26,1565 2,596 990,719
7 DESCARGA 0,0046482 16 5,056 1,095 44,4361 1,954 495,979
8 DESCARGA 0,0002286 8 2,534 1,120 43,1597 1,999 248,609
9 DESCARGA 0,0048768 4 1,273 1,142 42,0639 2,037 124,924
10 DESCARGA 0,0002794 2 0,643 1,176 40,3236 2,098 63,082
11 DESCARGA 0,0048514 1 0,328 1,205 38,8411 2,150 32,161
12 DESCARGA 0,0002286 0,5 0,170 1,240 37,0648 2,213 16,700
RESULTADOS PARA CURVA DE COMPRESIBILIDAD
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 Cc
Ilustracin 15 curva comprensibilidad
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8. 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.