4.1. ENSAYO EDOMETRICO O DE CONSOLIDACION. Su finalidad es determinar la velocidad y grado de asentamiento que experimentará una muestra de suelo arcilloso saturado al someterla a una serie de incrementos de presión o carga. El fenómeno de consolidación, se origina debido a que si un suelo parcial o totalmente saturado se carga, en un comienzo el agua existente en los poros absorberá parte de dicha carga puesto que esta es incompresible, pero con el transcurso del tiempo, escurrirá y el suelo irá absorbiendo esa carga paulatinamente. Este proceso de transferencia de carga, origina cambios de volumen en la masa de suelo, iguales al volumen de agua drenada (figura 4.1.). Figura 4.1. Esquema de consolidación en terreno(ELE Internacional Ltda., 1993). En suelo granulares, la reducción del volumen de vacíos se produce casi instantáneamente cuando se aplica la carga, sin embargo en suelos arcillosos tomará mayor tiempo, dependiendo de factores como el grado de saturación, el coeficiente de permeabilidad, la longitud de la trayectoria que tenga que recorrer el fluído expulsado, las condiciones de drenaje y la magnitud de la sobrecarga. 4.1.1. Metodología de ensayo. - Equipo necesario. - Un aparato de carga o edómetro de 250 kg. de capacidad, provisto de un lector de carga y un dial lector de deformación de 0,01 mm. de precisión (figura 4.2.). Figura 4.2. Tipos de edómetro (Bowles J., 1982). - - Un consolidómetro, equipo compuesto por una caja de bronce estanca, un anillo de bronce de 63 mm. de diámetro y 24 mm. de altura con sus bordes cortantes para tallar la muestra, un disco de moldeo para rebajar la muestra en una profundidad de 2 y 4 mm., dos piedras porosas, dos discos de papel filtro y un bloque o pistón de carga. Un juego de masas para alcanzar las presiones de ensayo. Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. Balanza de capacidad superior a 1000 grs. y precisión de 0,01 gr. Herramientas y accesorios. Cuchillo, espátula, recipientes plásticos, escobilla, agua destilada y cronómetro. Procedimiento. Una vez determinado el peso del anillo de bronce (Mr) de una muestra inalterada de suelo, se talla la muestra de ensaye con el anillo, el cual posee sus bordes cortantes que facilitan el proceso. Del suelo sobrante, se toman muestras representativas para determinar: humedad natural, gravedad específica de los sólidos y límites de consistencia. Luego de obtenida la muestra de ensaye, de modo que las piedras porosas calcen dentro del anillo, se deberá rebajar la altura de la muestra. Utilizando el disco de moldeo por su lado de 2 mm., se empuja la muestra y al otro extremo, con un cuchillo se corta el suelo sobrante y se coloca un disco de papel filtro. A continuación, se pasa el disco de moldeo al otro extremo, empujando la muestra con el lado de 4 mm, repitiendo el procedimiento. Por la cara recién cortada, se empuja la muestra con el disco de moldeo por su lado de 2 mm. y se determina la altura inicial (Ho) de la probeta y el peso del anillo más el suelo (W1). Sobre cada cara de la probeta, se coloca una piedra porosa saturada, las que deben ajustar perfectamente dentro del anillo como se vio en la figura 4.2. Luego se centra el conjunto dentro de la caja de bronce, se coloca el pistón o bloque de carga y se levanta el nivel de agua por encima de la piedra porosa superior. Se ajusta el consolidómetro al aparato de carga y se aplica una carga de inicialización de 0,05 kgs/cm2 para suelos blandos y de 0,10 kgs/cm2 para suelos firmes. Sin retirar esta carga, se lleva a cero el dial de deformación. La compresión de la muestra consiste en aplicar el siguiente incremento de presiones o escalones de carga en kgs/cm2: 0,25 - 0,50 - 1,00 - 2,00 4,00 y 8,00. 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. Finalmente, se descarga la muestra ensayada, se retira el consolidómetro y del anillo de bronce, se extrae el total de la muestra, se pesa (W2) y se coloca a horno durante 24 horas para determinar el peso seco (W3). - Cálculos y gráficos. - Calcular el área (A) de la probeta: A = π * (D/2)2 ( cm2 ) donde: D= diámetro interior del anillo de broce (cm.) - Calcular el volumen (V): donde: Ho - = donde: Mr W1 W3 ( cm3 ) A * Ho = altura inicial de la probeta (cm.) ( ( W1 - Mr ) - W3 ) / W3 * 100 ( % ) = peso del anillo de bronce (grs.) = peso del anillo más la probeta (grs.) = peso de la probeta seca (grs.) Calcular el contenido de humedad final (wf) de la probeta (suponiendo S = 100%), mediante la siguiente expresión: wf = ( W2 - W3 ) / W3 * 100 donde: W2 - = Calcular el contenido de humedad inicial (wi) de la probeta, el que se compara con aquel obtenido a través de una muestra representativa, mediante la siguiente expresión: wi - V ( % ) = peso de la probeta luego de ensayada (grs.) Calcular la altura de sólidos (Hs) de la probeta: Hs = W3 / ( Gs * γw * A ) ( cm ) donde: Gs = valor de la gravedad específica de los sólidos = densidad del agua (valor ≈ 1) γw Si no se conoce el valor de Gs, la altura de sólidos (Hs) de la probeta, se puede calcular una vez concluído el ensayo, mediante la expresión: Hs = ( Ho - ∆H ) - ( W2 - W3 ) / A ( cm ) donde: ∆H = asentamiento total de la probeta (cm.) - Calcular la altura inicial de vacíos (Hvo) de la probeta, mediante la expresión: Hvo = Ho - Hs ( cm ) - Calcular el grado de saturación inicial (So) de la probeta: So = ( ( W1 - Mr ) - W3 ) / ( Hvo * A ) * 100 ( % ) - Calcular la relación de vacíos inicial (eo) de la probeta: eo = Hvo / Hs - Calcular la altura promedio (H’) para cada incremento mediante la expresión: H’ = ( Hi + Hf ) / 2 ( cm ) de carga, donde: Hi= altura inicial de la muestra (cm.) Hf = altura final de la muestra (cm.) - Calcular la altura de vacíos (Hv’) para cada incremento de carga, mediante la expresión: Hv’ = Hf - Hs ( cm ) - Calcular la relación de vacíos (e’) para cada incremento de carga, mediante la expresión: e’ = Hv’ / Hs - Calcular la deformación unitaria (ε) para cada incremento de carga, mediante la expresión: ε = ∆H’ / Ho donde: ∆H’ = lectura final del dial de deformación (cm.) - Calcular la longitud promedio de la trayectoria del drenaje (H2) para cada incremento de carga, mediante la siguiente expresión: H2 = ( H’ / 2 )2 ( cm2 ) - Obtener los parámetros de consolidación por uno de los dos métodos establecidos. - Método de la raíz cuadrada del tiempo o de Taylor. Consiste en graficar la curva lecturas de dial contra raíz cuadrada del tiempo para cada incremento de carga. Por su parte recta se traza una tangente, prolongándola hasta cortar la ordenada, obteniendo así el origen corregido (Ds). Por este punto se traza una línea recta con una inclinación del 15% mayor a la tangente, hasta cortar la curva, cuya intersección proyectada en la ordenada corresponderá al 90% de consolidación (D90) y en la abscisa al tiempo de 90% de consolidación (T90). El 100% de consolidación (D100) se obtiene mediante la siguiente expresión: D100 = Ds - ( 10 / 9 ) * ( Ds - D90 ) - Método del logaritmo del tiempo. Consiste en graficar la curva lecturas de dial contra logaritmo del tiempo para cada incremento de carga. Por sus partes rectas (en el medio y final de la curva), se trazan tangentes cuya intersección proyectada en la ordenada corresponderá al 100% de consolidación (D100) y en la abscisa al tiempo de 100% de consolidación (T100). • El origen corregido (Ds) se obtiene seleccionando en la cercanía de 0.1’, un tiempo T1 y uno T2 = 4*T1. Desde T1 a T2 se mide la ordenada y este valor se fija verticalmente sobre T1. • La operación se repite para otros tres puntos, los que deben estar en una recta aproximada. La intersección con la ordenada determina el valor de Ds. El 50% de consolidación (D50) se obtiene mediante: D50 = ( Ds + D100 ) / 2 - Calcular el coeficiente de consolidación (Cv), por el método de la raíz cuadrada del tiempo o de Taylor: Cv = ( 0,848 * H2 ) / T90 ( cm2/seg ) - Calcular el coeficiente de consolidación (Cv), por el método del logaritmo del tiempo: Cv = ( 0,197 * H2 ) / T50 ( cm2/seg ) - Calcular la razón primaria de compresión (r), por el método de la raíz cuadrada del tiempo o de Taylor: r = ( 10 / 9 ) * ( Ds - D90 ) / ( Do - Df ) donde: Do = Df = - - lectura del dial de compresión al tiempo cero (cm) lectura del dial de compresión al final del ensayo(cm) Calcular la razón primaria de compresión (r), por el método del logaritmo del tiempo: r = ( Ds - D100 ) / ( Do - Df ) Graficar la curva relación de vacíos (e’) contra logaritmo de presión. La pendiente de su parte recta determina el índice de compresión Cc = ∆e / ( log ( P2 / P1 ) ) (Cc): donde: ∆e = diferencia de vacíos para dos logaritmo de presión (P1 y P2) de la recta. - Graficar la curva deformación unitaria (ε) v/s logaritmo de presión. La pendiente de su parte recta determina la relación de compresión (Cc’): Cc’ = ∆ε / ( log ( P2 / P1 ) ) donde: ∆ε = diferencia de deformación unitaria presión (P1 y P2) de la recta. - para dos logaritmo Graficar la curva presión (P) contra relación de vacíos (e’). pendiente de su parte recta determina el coeficiente av = ∆e / ∆p compresibilidad (av): de La de donde: ∆e = diferencia de vacíos para dos logaritmo de presión (P1 y P2) de la recta. ∆p = P2 - P1 Este coeficiente se puede calcular también, en función del índice de compresión, mediante la siguiente expresión: av = ( 0,435 * Cc ) / P donde: P = presión promedio en la obtención de Cc - De la curva lectura de dial v/s log. del tiempo, la pendiente de la rama secundaria determina el coeficiente de compresibilidad secundaria (Cα). Cα = ∆h / ( log ( T2 / T1 ) ) donde: ∆h = diferencia de altura para dos logaritmo de tiempo (T1 y T2) de la rama secundaria. - Calcular el coeficiente de compresibilidad volumétrica (mv): mv = av / ( 1 + eo ) - Calcular el coeficiente de permeabilidad (K) en resultados obtenidos para cada incremento de carga: K = ( Cv * av * γw ) / ( 1 + eo ) función de los ( cm/seg ) - Observaciones. - La preparación de la probeta deberá ser realizada dentro de una sala o cámara húmeda. - La probeta al momento de ensayo, deberá quedar misma dirección que ocupaba en el estrato original. - Este ensayo es unidimensional, por el hecho de que un anillo metálico rodea la probeta y no permite el flujo o movimiento del agua en un sentido lateral como sucede en terreno. - Con el objeto de limpiar completamente los poros de las piedras porosas, estas se lavarán y escobillarán, para luego saturarlas con agua destilada. - Dependiendo de la capacidad de carga del edómetro, obtener esfuerzos iguales o superiores a 16 kgs/cm2. - Generalmente el valor del coeficiente de consolidación (Cv) es mayor por el método de Taylor. - Si se desea conocer el coeficiente de recompresión (Cr), concluída la descarga, se vuelve a cargar la probeta en 2, 4 y 8 kgs/cm2, graficando los resultados a continuación de la curva de descarga. La pendiente de esta nueva curva determina el valor de Cr. Cr = ∆e / ( log ( P2 / P1 ) ) - Si se desea conocer el coeficiente de expansión o hinchamiento (Cs), concluida la compresión de la probeta, se descarga esta a 4, 2 y 1 kg/cm2 en al menos 12 horas de aplicación para cada una. Los resultados obtenidos se grafican a continuación de la curva relación de vacíos contra logaritmo de presión. La pendiente de esta nueva curva determina el valor de Cs. Cs = ∆e / ( log ( P2 / P1 ) ) - En caso de querer realizar el ensayo para arenas, gravillas o para muestras remoldeadas, se puede emplear un edómetro especial de gran diámetro propuesto por Rowe y Barden (1966) como se puede ver en la figura 4.3. Figura 4.3. Edómetro Rowe. Fuente: Espinace R., 1984. orientada es en la posible Este aparato tiene grandes ventajas con respecto a los edómetros convencionales, pues no presenta inconvenientes como el control de drenaje, medición de presiones instersticiales, existencia de fricción lateral, etc. La carga vertical se aplica por medio de presión de agua que actúa sobre una membrana flexible de goma. Las muestras ensayadas tienen un diámetro de 10” (25,4 cm.) y una altura aproximada de entre 8 y 9 cm. dependiendo del tipo de dren poroso y placa utilizada. UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS ENSAYO EDOMETRICO ( CONSOLIDACION ) Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : Características de la muestra Diámetro interior del molde ( cm ) : Area de la muestra ( cm2 ) : Altura inicial de la muestra ( cm ) : Volumen inicial de la muestra ( cm3 ) : Gravedad específica de los sólidos : Altura de sólidos ( cm ) : Altura inicial de vacíos ( cm ) : Saturación inicial ( % ) : Relación de vacíos inicial : Humedades Peso del molde Peso del molde + suelo húmedo inicial Peso del suelo seco Humedad inicial ( % ) Peso del molde + suelo húmedo final Humedad final ( % ) ( Suponiendo S = 100 % ) Carga aplicada : Fecha y hora kgs Tiempo ( minutos ) 0 0,1 0,25 0,5 1 2 4 8 15 30 60 120 240 480 960 1440 Presión : √ tiempo kgs / cm2 Lectura del dial ( mm ) Lectura dial ( mm ) Método del logaritmo del tiempo Logaritmo del tiempo ( minutos ) Método de Taylor ( raíz cuadrada del tiempo ) Lectura dial(mm ) Raíz cuadrada del tiempo ( minutos ) Presió n Kg/cm 2 Lectura dial inicial final Altura de vacíos Parámetros de consolidación Tiempos Coef. Altura Longitud Relació Defor T90 consolidac. mUnita promedi promedio T50 nde Taylor Log ( t o ria vacíos ) 0 0,25 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00 Gráfico relación de vacíos ( e’ ) contra logaritmo de presión relación de vacíos ( e’ ) Cc = Cs = Cr = log presión Gráfico deformación unitaria ( ε ) contra logaritmo de presión Deformación unitaria ( ε ) Cc’ = log presión Gráfico relación de vacíos ( e’ ) contra presión relación de vacíos ( e’ ) av = mv = presión ( Kg / cm2 ) Observaciones :
