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Prueba de consolidación

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PRUEBA DE CONSOLIDACIÓN
La consolidación impone la necesidad de evaluar la magnitud y la velocidad de los
asentamientos. Si el suelo es altamente deformable, las sobrecargas producen
asentamientos excesivos. Si el suelo es un limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer
asentamientos rápidos que suelen darse durante la construcción. Si el suelo es limo
arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse darse un tiempo importante después de
terminada la obra.
Como nos podemos dar cuenta el estudio de la deformación de un suelo donde vamos a
desplantar alguna construcción es muy importante, ya que con esto tendremos los
parámetros necesarios para realizar un buen diseño de la cimentación, en la cual es
necesaria la revisión de los asentamientos totales y diferenciales, con lo cual podremos
garantizar la seguridad de la obra.
OBJETIVO DE LA PRÁCTICA
 Este ensayo se utiliza para determinar las características de consolidación de los
suelos.
 Conocer las deformaciones al aplicar cargas de 0.25, 0.50, 1.0, 2.0 y 4.0 kg. en un
determinado tiempo.
 Los datos obtenidos con la prueba de consolidación son usados para determinar el
índice de compresibilidad y el índice de expansión.
 Asimismo, una vez trazadas las gráficas, a simple cálculo se podrá determinar el
coeficiente de consolidación y el coeficiente de permeabilidad aplicando los
métodos de Casagrande y Taylor en el tramo de carga.
 Aprender a diferenciar qué materiales y equipos se deben utilizar para este
ensayo.
FUNDAMENTO TEÓRICO
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, 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 el 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.
La consolidación de un suelo tiene tres fases, las cuales se mencionan a continuación:
 consolidación inicial.- Reducción de vacíos por eliminación de aire.
 consolidación primaria.- Reducción de vacíos por eliminación de agua.
 consolidación secundaria.- Reacomodo de las partículas sólidas.
La velocidad de consolidación se caracteriza por medio del coeficiente de consolidación
Cv, aunque este no es constante durante la consolidación y depende de la sobrecarga
aplicada y de la permeabilidad del suelo.
Procesos en la Consolidación
El proceso de consolidación se estudia en dos niveles:
(a) Consolidación Primaria
Permite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la carga es
totalmente transferida a la estructura de suelo. Esta etapa que corresponde al fin de la
consolidación primaria, se obtiene de este ensayo y es representada por la curva de
consolidación. Es necesario decir que existe una consolidación secundaria y corresponde
a las deformaciones acumuladas después de que se completa la consolidación primaria y
ocurre no para incrementos de la tensión efectiva sino que para una tensión efectiva
constante
(b) Proceso Transiente
Este proceso corresponde a la transferencia gradual de los excesos de presión neutra a la
estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del ensayo de
laboratorio, la variación de los asentamientos en el tiempo, así como las presiones
neutras y tensiones efectivas en cada punto de la masa de suelo, igualmente en el
tiempo.
Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada (arcilla NC) o
preconsolidada (arcilla PC). Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando
nunca fue sometida en su pasado geológico a cargas mayores que las existentes ahora
en terreno. Por otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo
que fueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una época glacial, se la
denomina preconsolidada (también existe la preconsolidación por secamiento o por
descenso de la capa freática con posterior recuperación).
El ensayo permite igualmente conocer si se trata de una arcilla NC o PC tras comparar la
tensión efectiva que la muestra tiene en terreno (a partir de la estratigrafía y profundidad
de la muestra) con la presión de preconsolidación que, como se verá más adelante, se
obtiene de la curva de consolidación.
Consolidación Primaria
De acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidación, (ver figura
1). Esta curva representa el fin de la transferencia de cargas desde los excesos de
presión neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el fin del proceso de
consolidación primaria. A partir de esta curva – siempre que ella sea representativa del
estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidación
sobre diferentes muestras inalteradas del mismo estrato - se puede calcular el
asentamiento final de un estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a
un incremento de carga Δq = Δσ’. El asentamiento está dado por:
Donde:
 S: asentamiento del estrato de suelo (arcilla o suelo fino saturado).
 H: espesor del estrato de suelo.
 eo: índice de vacíos inicial.
 σ'vo: tensión vertical efectiva inicial (antes de la aplicación de sobrecarga).
 Δσ’: incremento de tensión efectiva (o sobrecarga), la cual producirá la
consolidación.
 C = Cc índice de compresibilidad que es la inclinación de la recta virgen de la
curva de consolidación en escala semi-logarítmica.
Para el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, existirán dos casos posibles.
(a) El primero corresponde a un incremento de carga tal, que sumado a la tensión vertical
efectiva existente (a la profundidad que se obtuvo la muestra) no supera la presión de
preconsolidación (calculada gráficamente como se indica en Figura 1). En este caso se
utiliza la misma fórmula anterior, pero con el valor de C = Cr (índice de recompresión)
(b) El segundo caso se refiere a un incremento de carga que sumado a la tensión vertical
efectiva existente (a la profundidad de la muestra), supera la presión de preconsolidación.
En este caso la fórmula contendrá dos términos, uno que corresponde a la deformación
según la curva de recompresión y el otro a la deformación según la curva virgen.
 Método de Casagrande para la Determinación Gráfica de la Tensión de
Preconsolidación, σpc’.
En el gráfico e – Log σv’:
1. Ubicar punto 1, punto de máxima curvatura
2. Trazar la recta 2, tangente por el punto 1
3. Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1
4. Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3
5. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada
6. La intersección de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de σpc’
 Estableciendo si la Arcilla es NC o PC
Debemos comparar la tensión vertical efectiva de terreno, σvo’ con la tensión de
preconsolidación, σpc’, para saber si la arcilla está normalmente consolidado (NC)
o preconsolidada (PC).
 Si σvo’ ~ σpc’ se trata de una arcilla NC
 Si σvo’ < σpc se trata de una arcilla PC, siempre que estas diferencias sean
significativas
En la curva de consolidación (figura 2):
1. Ubicar σpc’.
2. Ubicar el punto (σvo’, eo), tensión vertical efectiva de terreno e índice de vacíos
en terreno.
3. Ubicar el punto 0.4 eo en la prolongación de la recta de carga normalmente
consolidado, también denominada curva virgen.
4. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta
curva es el Índice de Compresibilidad, Cc.
 Métodos de Determinación del Coeficiente de Consolidación, cv
(a) Según método de Taylor
En el gráfico deformación vs raíz cuadrada del tiempo (Figura 3):
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:
Donde:
 Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.848
 H = ½ la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje).
Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar cv
en función de σv’. El valor de cv a utilizar será aquel correspondiente al incremento de
carga que se tendrá en terreno, es decir, desde σvo’ a la tensión vertical efectiva final.
(b) Según método de Casagrande
En el gráfico deformación vs log t (figura 4):
1. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es
parabólica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4)
2. Marcar t2 = 4 t1. Definidos t1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia
vertical Δ.
3. Dibujar la distancia 2Δ, y encontrar D0 en el eje de las ordenadas.
4. Dibujar la proyección horizontal del final de la curva de deformación e
intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100.
5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las
ordenadas.
6. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t50 en el eje de las
abscisas.

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Prueba de consolidación

  • 1. PRUEBA DE CONSOLIDACIÓN La consolidación impone la necesidad de evaluar la magnitud y la velocidad de los asentamientos. Si el suelo es altamente deformable, las sobrecargas producen asentamientos excesivos. Si el suelo es un limo arenoso, la permeabilidad puede ofrecer asentamientos rápidos que suelen darse durante la construcción. Si el suelo es limo arcilloso, los asentamientos pueden prolongarse darse un tiempo importante después de terminada la obra. Como nos podemos dar cuenta el estudio de la deformación de un suelo donde vamos a desplantar alguna construcción es muy importante, ya que con esto tendremos los parámetros necesarios para realizar un buen diseño de la cimentación, en la cual es necesaria la revisión de los asentamientos totales y diferenciales, con lo cual podremos garantizar la seguridad de la obra. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA  Este ensayo se utiliza para determinar las características de consolidación de los suelos.  Conocer las deformaciones al aplicar cargas de 0.25, 0.50, 1.0, 2.0 y 4.0 kg. en un determinado tiempo.  Los datos obtenidos con la prueba de consolidación son usados para determinar el índice de compresibilidad y el índice de expansión.  Asimismo, una vez trazadas las gráficas, a simple cálculo se podrá determinar el coeficiente de consolidación y el coeficiente de permeabilidad aplicando los métodos de Casagrande y Taylor en el tramo de carga.  Aprender a diferenciar qué materiales y equipos se deben utilizar para este ensayo. FUNDAMENTO TEÓRICO 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, 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 el 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.
  • 2. La consolidación de un suelo tiene tres fases, las cuales se mencionan a continuación:  consolidación inicial.- Reducción de vacíos por eliminación de aire.  consolidación primaria.- Reducción de vacíos por eliminación de agua.  consolidación secundaria.- Reacomodo de las partículas sólidas. La velocidad de consolidación se caracteriza por medio del coeficiente de consolidación Cv, aunque este no es constante durante la consolidación y depende de la sobrecarga aplicada y de la permeabilidad del suelo. Procesos en la Consolidación El proceso de consolidación se estudia en dos niveles: (a) Consolidación Primaria Permite estimar los asentamientos que se van a producir una vez que la carga es totalmente transferida a la estructura de suelo. Esta etapa que corresponde al fin de la consolidación primaria, se obtiene de este ensayo y es representada por la curva de consolidación. Es necesario decir que existe una consolidación secundaria y corresponde a las deformaciones acumuladas después de que se completa la consolidación primaria y ocurre no para incrementos de la tensión efectiva sino que para una tensión efectiva constante (b) Proceso Transiente Este proceso corresponde a la transferencia gradual de los excesos de presión neutra a la estructura de suelo en el tiempo, lo que nos permite calcular, a partir del ensayo de laboratorio, la variación de los asentamientos en el tiempo, así como las presiones neutras y tensiones efectivas en cada punto de la masa de suelo, igualmente en el tiempo. Una arcilla puede encontrarse en terreno normalmente consolidada (arcilla NC) o preconsolidada (arcilla PC). Se dice que una arcilla es normalmente consolidada cuando nunca fue sometida en su pasado geológico a cargas mayores que las existentes ahora en terreno. Por otro lado, si la arcilla estuvo en el pasado cargada por estratos de suelo que fueron posteriormente erosionados, o por cargas de hielo en una época glacial, se la denomina preconsolidada (también existe la preconsolidación por secamiento o por descenso de la capa freática con posterior recuperación). El ensayo permite igualmente conocer si se trata de una arcilla NC o PC tras comparar la tensión efectiva que la muestra tiene en terreno (a partir de la estratigrafía y profundidad de la muestra) con la presión de preconsolidación que, como se verá más adelante, se obtiene de la curva de consolidación. Consolidación Primaria De acuerdo a los resultados del ensayo, se obtiene la curva de consolidación, (ver figura 1). Esta curva representa el fin de la transferencia de cargas desde los excesos de presión neutra a la estructura de suelo, o en otras palabras, el fin del proceso de consolidación primaria. A partir de esta curva – siempre que ella sea representativa del estrato de suelo, por lo que suele ser el resultado de varios ensayos de consolidación sobre diferentes muestras inalteradas del mismo estrato - se puede calcular el asentamiento final de un estrato de arcilla saturada normalmente consolidada sometida a un incremento de carga Δq = Δσ’. El asentamiento está dado por:
  • 3. Donde:  S: asentamiento del estrato de suelo (arcilla o suelo fino saturado).  H: espesor del estrato de suelo.  eo: índice de vacíos inicial.  σ'vo: tensión vertical efectiva inicial (antes de la aplicación de sobrecarga).  Δσ’: incremento de tensión efectiva (o sobrecarga), la cual producirá la consolidación.  C = Cc índice de compresibilidad que es la inclinación de la recta virgen de la curva de consolidación en escala semi-logarítmica. Para el caso de un estrato de arcilla preconsolidada, existirán dos casos posibles. (a) El primero corresponde a un incremento de carga tal, que sumado a la tensión vertical efectiva existente (a la profundidad que se obtuvo la muestra) no supera la presión de preconsolidación (calculada gráficamente como se indica en Figura 1). En este caso se utiliza la misma fórmula anterior, pero con el valor de C = Cr (índice de recompresión) (b) El segundo caso se refiere a un incremento de carga que sumado a la tensión vertical efectiva existente (a la profundidad de la muestra), supera la presión de preconsolidación. En este caso la fórmula contendrá dos términos, uno que corresponde a la deformación según la curva de recompresión y el otro a la deformación según la curva virgen.  Método de Casagrande para la Determinación Gráfica de la Tensión de Preconsolidación, σpc’. En el gráfico e – Log σv’: 1. Ubicar punto 1, punto de máxima curvatura 2. Trazar la recta 2, tangente por el punto 1 3. Trazar la recta 3, horizontal por el punto 1 4. Trazar la bisectriz de la recta tangente 2 y la horizontal 3 5. Prolongar recta de la curva virgen o curva normalmente consolidada 6. La intersección de las rectas 4 y 5 determina en abscisas el valor de σpc’
  • 4.  Estableciendo si la Arcilla es NC o PC Debemos comparar la tensión vertical efectiva de terreno, σvo’ con la tensión de preconsolidación, σpc’, para saber si la arcilla está normalmente consolidado (NC) o preconsolidada (PC).  Si σvo’ ~ σpc’ se trata de una arcilla NC  Si σvo’ < σpc se trata de una arcilla PC, siempre que estas diferencias sean significativas En la curva de consolidación (figura 2): 1. Ubicar σpc’. 2. Ubicar el punto (σvo’, eo), tensión vertical efectiva de terreno e índice de vacíos en terreno. 3. Ubicar el punto 0.4 eo en la prolongación de la recta de carga normalmente consolidado, también denominada curva virgen. 4. Unir con una recta los puntos 2 y 3. El valor absoluto de la pendiente de esta curva es el Índice de Compresibilidad, Cc.
  • 5.  Métodos de Determinación del Coeficiente de Consolidación, cv (a) Según método de Taylor En el gráfico deformación vs raíz cuadrada del tiempo (Figura 3): 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:
  • 6. Donde:  Tv (factor tiempo) para (U = 90%) = 0.848  H = ½ la altura inicial de la muestra (ya que existe doble drenaje). Cv se calcula para todos los incrementos de carga del ensayo, lo cual permite graficar cv en función de σv’. El valor de cv a utilizar será aquel correspondiente al incremento de carga que se tendrá en terreno, es decir, desde σvo’ a la tensión vertical efectiva final. (b) Según método de Casagrande En el gráfico deformación vs log t (figura 4): 1. En la parte inicial parabólica de la curva marcar t1 (si la parte inicial no es parabólica, utilizar D0 asociado a t = 0 y seguir en el paso 4) 2. Marcar t2 = 4 t1. Definidos t1 y t2, ellos determinan sobre la curva la distancia vertical Δ. 3. Dibujar la distancia 2Δ, y encontrar D0 en el eje de las ordenadas. 4. Dibujar la proyección horizontal del final de la curva de deformación e intersectarla con el eje de las ordenadas, punto que define D100. 5. Encontrar D50, como la distancia promedio entre D0 y D100 en el eje de las ordenadas. 6. Proyectar D50 en la curva de deformación y encontrar t50 en el eje de las abscisas.
  • 7. 7. Calcular cv como: Donde:  Tv es el factor tiempo para U = 50% y tiene el valor 0.197  H = ½ la altura inicial de la muestra (doblemente drenada)