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ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS REPORTE DE LABORATORIO No 10. ING. JOSÉ ANDRES CRÚZ WILCHES GRUPO No 4. JUAN CAMILO BERNATE PINEDA HAROLD STEVEN RENGIFO RODRIGUEZ CRISTHIAN CAMILO DIAZ GERMAN GIRALDO 14 DE MAYO DEL 2015 UNIVERSIDAD SANTO TOMAS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNI...

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4.1. ENSAYO EDOMET RICO O DE CONSOLIDACION Alvaro Mauricio Ariza Gut ierrez

ENSAYO DE CONSOLIDACION 1 Abner SR Informe Ensayo de consolidación Cont enido George Niet o

ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS REPORTE DE LABORATORIO No 10.

ING. JOSÉ ANDRES CRÚZ WILCHES GRUPO No 4. JUAN CAMILO BERNATE PINEDA HAROLD STEVEN RENGIFO RODRIGUEZ CRISTHIAN CAMILO DIAZ GERMAN GIRALDO

14 DE MAYO DEL 2015

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE SUELOS

BOGOTÁ D.C.

TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ....................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 2 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................... 3 EQUIPOS Y MATERIALES ........................................................................................................... 3 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................................... 6 RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................................................ 6 DESARROLLO ............................................................................................................................ 8 INTERPRETACION ...................................................................................................................... 23 CONCLUSIONES.......................................................................................................................... 25 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 25

RESUMEN En este informe vamos a mostrar el proceso y desarrollo del ensayo de consolidación, el cual se produce en suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos) y se basa en un proceso de reducción de volumen provocado por la actuación de cargas sobre su masa y que ocurre generalmente en un tiempo largo; este método es asintótico, es decir, que al comienzo es más veloz, y se va haciendo más lento con el tiempo hasta que el suelo queda en equilibrio. En este proceso se producen asentamientos los cuales pueden producirse varios años después de finalizada la construcción. INTRODUCCIÓN En la ingeniería el estudio de suelos es muy importante para la elaboración y diseñó de fundaciones y cimientos ya que un estudio previo de las propiedades nos da una aproximación optima de lo que se debe hacer en cualquier tipo de obra. Una de las propiedades más destacadas es la consolidación consiste

2

principalmente en la disminución del volumen inicial de un suelo fino cohesivo (arcillas y limos plásticos). Con este ensayo podemos darnos cuenta de su gran beneficio y utilidad que se obtiene de consolidar un suelo antes de realizar cualquier obra ya que por ejemplo nos podemos dar cuenta de la reducción de asentamientos debido al comportamiento asintótico del ensayo; otra característica importante es el aumento del esfuerzo efectivo del suelo y debido a todos estos factores se aumenta la resistencia al corte. OBJETIVO GENERAL Determinar la disminución del volumen y la velocidad con la que se produce en el geomaterial, el cual se encuentra con cargas axiales para poder realizar la curva de compresibilidad y con los datos obtenidos observar cuanto se puede asentar el terreno de acuerdo a la carga. OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar la relación de vacíos y los esfuerzos efectivos como aspectos relevantes en las deformaciones o asentamientos ocurridos en la masa de suelo Representar y analizar gráficamente las variables de relación de vacíos contra esfuerzos efectivos. EQUIPOS Y MATERIALES  Consolidometro.

Figura No 1. Consolidometro o edómetro. El aparato utilizado para realizar este ensayo se denomina Edómetro o consolidometro y aplica el principio introducido por Terzaghi de la compresión de una muestra, generalmente sin deformar, de altura pequeña con relación al diámetro, confinada lateralmente por un anillo rígido y colocado entre discos porosos. 3



Deformimetro

Figura No 2. Dial o deformimetro. Instrumentos y herramientas mejoradas para hacer más fácil, fiel, exacto y preciso el medir las deformaciones que se estén dispuestas a medir. 

Equipo de cargas.

Figura No 3. Equipo de pesas o cargas. Como se muestra en la Figura No 3, es la parte donde realizamos las diferente cargas aplicadas al sistema, la cual es multiplicada por la longitud de su brazo de palanca y esta sería la fuerza que actúa en la muestra.  Equipo necesario para moldeo o corte de la muestra.

Figura No 4. Anillos o cilindros moldeadores Estos moldes son utilizados únicamente para darle la forma a la muestra y cortarla a ras y que quede lo más recto posible el corte para que así la fuerza actué homogéneamente sobre todo el área de la muestra

4



Cronometro.

Figura No 5. Cronometro. Para determinar en los laboratorios la duración de los fenómenos se emplea el cronómetro. Este es un reloj muy preciso que puede ser activado y desactivado a voluntad por medio de dos botones. 

Balanza de sensibilidad de 0.01 gr.

Figura No 6. Balanza. Es un instrumento de laboratorio que mide la masa de un cuerpo o sustancia química, utilizando como medio de comparación la fuerza de la gravedad que actúa sobre el cuerpo.  Horno

Figura No 7. Horno. Tiene una capacidad para 20 crisoles, aunque también hay modelos que pueden contener hasta 168 crisoles. Está recubierto por múltiples capas de asbesto que impide que el calor llegue al exterior del instrumento y altere el experimento o dañe al operario. El horno funciona mediante resistencias eléctricas ubicadas en la parte inferior y los laterales de las paredes internas del horno.

5

PROCEDIMIENTO Empezamos con una breve explicación por parte del ingeniero y del laboratorista, dándonos a conocer los pasos y materiales que íbamos a utilizar en nuestra práctica, a su vez dando a conocer el orden de cada pareja que pasaría a hacer la carga o descarga en la muestra de suelo y como es costumbre, obteniendo un poco de muestra y metiéndola al horno para calcular su humedad, terminado esto procedimos a colocar en el interior de la base del molde del consolidómetro la piedra porosa inferior, seguido de esto se introduce el anillo que contiene la muestra de suelo a ensayar, colocándose sobre la piedra porosa inferior y en la parte superior de la muestra otra piedra porosa Posteriormente se fija con los tornillos correspondientes el anillo de sujeción de la piedra porosa superior teniendo en cuenta que tenemos que tener tanto la muestra como las piedras porosas bien centradas y colocadas para no tener futuros problemas con el ensayo. Después de armado, el consolidómetro se instala dónde está el sistema de para aplicar las cargas a la muestra, ubicando el cabezal de carga sobre la piedra porosa superior, una vez esto, debemos de colocar la palanca de aplicación de carga debe estar en posición horizontal y los equipos de medición todos en 0 (cero). Después de esto se puede iniciar con la práctica obteniendo como resultado las lecturas de deformación y tiempo La compresión de la muestra consiste en aplicar el siguiente incremento De presiones o escalones de carga en kg/cm 2: 0,25 - 0,50 - 1,00 - 2,00 4,00 - 8,00 – 16,00 – 32,00. En cada una de ellas se registra la lectura del dial de deformación, en los siguientes tiempos: 0, 6, 15, 30 segundos; 1, 2, 4,8, 15, 30 minutos y 1, 2, 4, 8, 16, 24 horas. (Lectura de deformación contra log t). Finalmente, se descarga la muestra ensayada, se retira el consolidó metro Y del anillo de bronce, se extrae el total de la muestra, se pesa W y Se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco. RESULTADOS EXPERIMENTALES Tabla 1. Datos del ejercicio. Lecturas del dial en 10^-4 in elapsed time (min) 1/8 to 1/4 0 2843

loading increment (kg/cm^2) 1/4 to 1/2 1/2 to 1 1 to 2 2 to 4 4 to 8 8 to 16 2796 2694 2458 1500 3100 3102

6

0,25 2834 2780 2664 2421 1 2829 2768 2647 2379 2,25 2824 2761 2629 2337 4 2820 2751 2610 2288 6,25 2817 2742 2592 2239 9 2813 2735 2576 2190 12,25 2811 2729 2562 2142 16 2809 2724 2553 2098 20,25 2808 2720 2546 2044 25 2807 2717 2540 2013 30,25 2806 2715 2533 1969 36 2805 2713 2529 1937 42,25 2804 2710 1905 60 2803 2709 2517 1837 100 2802 2706 2508 1740 200 2801 2702 2493 1640 400 2799 2699 2478 1585 1440 2796 2694 2450 1500 (reset to) Otros datos que nos da el ejercicio son los siguientes:

1451 1408 1354 1304 1248 1197 1143 1093 1043 999 956 922 892 830 765 722 693 642 3100

3047 2999 2946 2896 2841 2791 2743 2701 2660 2630 2602 2575

3040 2985 2931 2873 2822 2768 2728 2690 2658 2636

2525 2496 2471 2446 2399 3102

2568 2537 2518 2499 2463

2602

El peso del espécimen seco Ms = 329,99 g La densidad de los sólidos ρs = ,

Mg/m^

Área del anillo A = 93,21 cm^2 Las alturas iniciales para las lecturas del dial siguientes: Ho = 31,8516 mm para la lectura de 2843x10^-4 in Ho = 31,4452 mm para la lectura de 2694x10^-4 in Ho = 30,82544 mm para la lectura de 2458x10^-4 in Puntos a desarrollar del ejercicio:

a) Graficar e contra log σ´ y  contra log σ´ curvas para este test. Determine el esfuerzo de pre consolidación y el apropiado índice de compresión b) Graficar la lectura del dial sobre raíz de tiempo para este incremento y determinar el Cv (coeficiente de consolidación). Graficar Cv contra log σ´.

7

c) Hacer lo mismo del unto anterior b), solo usando el método de Casagrande del logaritmo de tiempo d) Para los dos incrementos, uno antes del esfuerzo de pre consolidación y uno después del esfuerzo de pre consolidación, compare los valores del Cv determinados por los dos procedimientos. DESARROLLO a. Para hallar e la relación de vacíos debemos hacer un diagrama de relación de fases (ver Figura No 1), de esta forma podemos hallar la densidad, el peso y el volumen de los tres diferentes materiales que tenemos en una muestra de suelo, que son el aire, el agua y los sólidos.

Figura No 8. Relación de fases Este ensayo tenemos nuestra muestra sumergida en agua o saturada, lo que indica que los materiales en nuestra muestra de suelo son el agua y los sólidos (ver Figura No 2)

Figura No 9. Relación de fases, suelo saturado Sabemos cuál es el volumen V de la muestra de suelo ya que conocemos su altura inicial Ho y el área del anillo A. V=Ho*A Además de la densidad de los sólidos ρs y su masa Ms de esta forma podemos hallar el volumen de los sólidos Vs:

8

� =

�

Después de esto podemos también hallar el volumen del agua Vw de la muestra: Vw=V-Vs De esta forma ya podemos hallar la relación de vacíos inicial e: =

� �

El esfuerzo específico o el esfuerzo que se le hace a las partículas sólidas de suelo σ´, no lo dan en kgf/cm^2, para hacer nuestra grafica la debemos pasar a kPa, de esta manera: 1kgf=98,1kPa Y de esta manera obtenemos nuestra primera gráfica. 1,5

relacion de vacios e

1,4 1,3 1,2

convenciones

1,1

tangente de la curva horizontal bisectriz prolongacion del tramo

1 0,9 0,8 10

100

1000

10000

esfuerzo efectivo σ´(kPa)

Grafica No 1. E contra log σ´. Como hallamos nuestra grafica anterior, según el libro de Budhu, el procedimiento a seguir es: 1. Identificar el punto máximo de curvatura, o el punto inicial de la curva 9

2. Dibujarle una línea horizontal, la cual vemos de color roja 3. Dibujar la tangente de la curva, la cual vemos de color verde 4. Debemos bisectar el ángulo entre la tangente y la horizontal, la podemos encontrar de color negro 5. Prolongamos el tramo virgen, para que se interseque con la bisectriz, la encontramos de color azul 6. El punto de la intersección en las abscisas será nuestro máximo esfuerzo efectivo vertical último esfuerzo de preconsolidación, los vemos como un cuadro rojo σ´zc=

kPa

Ahora hallaremos el coeficiente de compresión o el índice de compresión Cc: � =−

− = , log �´ ⁄�´

Donde las variables e1 y σ´ son las correspondientes en el punto máximo de la curva, y e2 y σ´ son las correspondientes en el final de la gráfica, o ver las elipses en la gráfica. 0 deformacion vertical ε

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 esfuerzo efectivo σ´(kPa

Grafico No 2. ε contra σ´. Con esta grafica podemos encontrar el módulo de compresibilidad del volumen mv, Que en resumidas cuentas es la pendiente del tramo virgen:

10

=

� −� = , �´ − �´

2

/�

b. Primero debemos pasar nuestras lecturas de dial a mm y los tiempos debemos sacarle la raíz. 1in = 25,4mm Tabla No 2. Método de Taylor, lecturas del dial para las cargas 1/8 a 1/4 Square root-time method Displacement Displacement Elapsed dial gage dial gage (min) (in) (mm) t d d 0 0,2843 7,2212 0,25 0,2834 7,1984 1 0,2829 7,1857 2,25 0,2824 7,1730 4 0,282 7,1628 6,25 0,2817 7,1552 9 0,2813 7,1450 12,25 0,2811 7,1399 16 0,2809 7,1349 20,25 0,2808 7,1323 25 0,2807 7,1298 30,25 0,2806 7,1272 36 0,2805 7,1247 42,25 0,2804 7,1222 60 0,2803 7,1196 100 0,2802 7,1171 200 0,2801 7,1145 400 0,2799 7,1095 1440 0,2796 7,1018 t90 3,8 t100 d90 0,084 d100

11

√t (√min) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,7 10,0 14,1 20,0 37,9 5,2 0,092

vertical strain ε 0 0,0229 0,0356 0,0483 0,0584 0,0660 0,0762 0,0813 0,0864 0,0889 0,0914 0,0940 0,0965 0,0991 0,1016 0,1041 0,1067 0,1118 0,1194

0

0,02

0,04

convenciones recta t90 recta inicial

0,06

d90 d100

0,08

0,1

0,12

0,14 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Grafica No 3. Método de Taylor, ε contra √

El procedimiento para determinar el coeficiente de consolidación, según Budhu es: 1. Graficar la lectura del dial o la deformación vertical (según como se quiera tomar) contra la raíz del tiempo en que se da esas lecturas. 2. Hallar la mejor línea recta en el principio de la curva, como se observa en la Grafica No 3, esta tiende a ser recta, la prolongamos hasta que llegue al eje de las abscisas, la llamaremos recta inicial y tendrá color azul. 3. En el dato donde pegue esa recta con el eje de las abscisas lo multiplicamos por 1,15 4. Trazamos otra recta pero esta vez desde el punto donde inicio nuestra recta inicial, hasta el punto de las abscisas represente el dato de la multiplicación del dato anterior por 1,15, como se ve en la Grafica No 3 la llamaremos recta t90 y será de color rojo. 5. El punto donde corte la curva de nuestra Gráfica No 3 y la recta t90 será nuestro d90 y t90, 6. Verificamos que el proceso de consolidación llego a su 100 % de esta forma:

12

=

−

−

Donde el d100 es la lectura del dial o la deformación vertical, donde se llega al 100% de la consolidación para esa carga. d0 va a ser nuestro punto inicial donde será el origen de nuestra recta inicial. d90 es el punto donde corta la recta t90 con la curva de nuestra Grafica No 3 7. Ahora hallaremos nuestro coeficiente de consolidación, para esto sabemos que la altura inicial es Ho = 31,8516 mm para la lectura de 2843x10^-4 in, debemos hallar la altura final Hf de esta forma: Hf= Ho-εf =31,7322 mm εf es la deformación última que sufrió la muestra Acto seguido hallaremos la altura de drenaje Hdr: �

=

� +�

=

,

La ecuación para hallar el coeficiente de consolidación Cv es: � =

�∗�

2

=

,

∗�

2

=

,

2

⁄ � = ,

2

⁄

t90 el dato que obtuvimos previamente, pero elevado a la dos

T es un tiempo teórico que cambia según el porcentaje de consolidación (ver Tabla 3) Para que el procedimiento quede más claro podemos ver la Figura No 10

13

Tabla 3. Relación del Porcentaje de consolidación con el tiempo teórico

Figura No 10. Método de Taylor.

14

Tablas 4. Lecturas del dial para las cargas 1/4 a ½, 1/2 a 1, 1 a 2, 2 a 4, 4 a 8 y 8 a 16, respectivamente Square root-time method Displacemen Elapsed √t (√min) t dial gage (min) (cm) t d

0 0,25 1 2,25 4 6,25 9 12,25 16 20,25 25 30,25 36 42,25 60 100 200 400 1440 t90 d90 Ho Hdr

0,2796 0,278 0,2768 0,2761 0,2751 0,2742 0,2735 0,2729 0,2724 0,272 0,2717 0,2715 0,2713 0,271 0,2709 0,2706 0,2702 0,2699 0,2694 4,8 0,198 31,7322 15,80134

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,7 10,0 14,1 20,0 37,9 t100 d100 Hf Cv

Square root-time method Displacemen Elapsed √t (√min) t dial gage (min) (in) t d

Displacemen t dial gage (mm) d

7,1018 7,0612 7,0307 7,0129 6,9875 6,9647 6,9469 6,9317 6,9190 6,9088 6,9012 6,8961 6,8910 6,8834 6,8809 6,8732 6,8631 6,8555 6,8428 6,4000 0,2178 31,4731 9,1897

Displacemen t dial gage (mm) d

Square root-time method Displacemen Elapsed √t (√min) t dial gage (min) (cm) t d

vertical strain ε

0,0000 0,0406 0,0711 0,0889 0,1143 0,1372 0,1549 0,1702 0,1829 0,1930 0,2007 0,2057 0,2108 0,2184 0,2210 0,2286 0,2388 0,2464 0,2591 0,7018

ε

0

0,3100

0,0

7,874

0

0,25

0,3047

0,5

7,73938

0,13462

1

0,2999

1,0

7,61746

0,25654

2,25

0,2946

1,5

7,48284

0,39116

4

0,2896

2,0

7,35584

0,51816

6,25

0,2841

2,5

7,21614

0,65786

9

0,2791

3,0

7,08914

0,78486

12,25

0,2743

3,5

6,96722

0,90678

16

0,2701

4,0

6,86054

1,01346

20,25

0,2660

4,5

6,7564

1,1176

25

0,2630

5,0

6,6802

1,1938

30,25

0,2602

5,5

6,60908

1,26492

36

0,2575

6,0

6,5405

1,3335

42,25

0

0,2694

0,0

6,84276

0,25

0,2664

0,5

6,76656

1

0,2647

1,0

6,72338

2,25

0,2629

1,5

6,67766

60

0,2525

7,7

6,4135

1,4605

0,2496

10,0

6,33984

1,53416

200

0,2471

14,1

6,27634

1,59766

400

0,...