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Un estudio sobre el proceso de consolidación unidimensional de los suelos, un fenómeno fundamental que ocurre cuando se aplica una carga adicional sobre una masa de suelo saturado. El documento detalla el procedimiento experimental llevado a cabo en el laboratorio de geotecnia de la universidad de cartagena, colombia, para determinar las propiedades de consolidación del suelo, como la compresibilidad y la permeabilidad, que son cruciales para predecir el asentamiento de estructuras construidas sobre suelos arcillosos. Se explican los conceptos de consolidación inicial, primaria y secundaria, y se muestra el cálculo del coeficiente de consolidación (cv) utilizando dos métodos diferentes. Además, se presentan los resultados obtenidos para diferentes incrementos de carga aplicados a la muestra de suelo. Este estudio proporciona información valiosa para estudiantes y profesionales de ingeniería civil interesados en el comportamiento de los suelos bajo cargas.
Tipo: Monografías, Ensayos
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Rogelio Gamarra Tapiero
Camilo Ernesto Pérez Herrera
Steven Puerta Campo
Edwin Orozco Perez
Cartagena de Indias Presentado a los 22 días del mes de junio del año 2023
la permeabilidad, que son fundamentales para predecir la velocidad y la magnitud
del asentamiento de las estructuras construidas sobre suelos arcillosos.
1.1. Consolidación de suelos
Los datos que se generan a partir de este ensayo se utilizan para estimar la
magnitud y velocidad de los asentamientos diferenciales y totales de una estructura
o de un terraplén, además son esenciales para diseñar y evaluar el comportamiento
de las estructuras civiles. Este ensayo permite modelar situaciones en campo o
encontrar parámetros especiales. En muestras inalteradas, este procedimiento
permite estimar el esfuerzo de preconsolidación usando técnicas establecidas.Los
métodos de ensayo usan la teoría de la consolidación basada en la ecuación de
consolidación de Terzaghi para calcular el coeficiente de consolidación, CV. Por lo
tanto,el análisis se basa en los siguientes supuestos:
incremento de carga.
transferencia de carga del agua a las partículas sólidas del suelo, debido a la
disipación de la presión de poros.
1.7. Consolidación secundaria
Reducción en el volumen de la masa del suelo, causada por la aplicación de una
carga permanente y el acomodo de la estructura interna de su masa, luego de que la
mayor parte de la carga ha sido transferida a las partículas sólidas del suelo.
1.8. Consolidómetro
Es también conocido como edómetro. Es un aparato de laboratorio útil para conocer
la compresibilidad de un suelo que va a ser objeto de una consolidación. Es un
equipo el cual permite determinar el asentamiento, que puede sufrir un suelo cuando
es sometido a diversas cargas bajo condiciones de saturación o en estado natural.
Este equipo también es usado para realizar ensayos de colapso de los suelos y
expansión libre o controlada por el método edométrico.
1.9. Coeficiente de consolidación
La consolidación que ocurra después del 100% de la consolidación primaria se
define como consolidación secundaria. El asentamiento correspondiente al 50% de
la consolidación primaria para cada incremento de carga, es igual al promedio de los
asentamientos del 0% y 100%. El tiempo (t50) para un incremento de carga se
puede hallar usando una gráfica de asentamiento – Logaritmo del tiempo.
2
50
Donde:
H= Altura de la muestra (para una muestra con drenaje doble al 50% de
consolidación)
50
= tiempo para el 50% de consolidación
Cv = coeficiente de consolidación
Puede emplearse un procedimiento alterno que requiere un gráfico de deformación
Vs raíz cuadrada del tiempo para determinar los puntos del 0 y 100% de
consolidación, así como el coeficiente de consolidación (Cv) para cada incremento,
está vez usando el 90% de la consolidación primaria. Las deformaciones al 50 y
100% de la consolidación (D50 y D100) se calculan en función de las deformaciones
al 0 y 90% (D0 y D90), así:
50
0
90
0
100
0
90
0
En el tiempo del 90% de consolidación, se halla de la siguiente forma:
2
90
Para cada incremento de carga se pueden calcular adicionalmente los siguientes
valores de consolidación inicial (Ci) y total (Ct), así: Ci = D100 (carga anterior) – D
(carga en análisis) Ct = D100 (carga anterior) – D100 (carga en análisis)
● Consolidómetro
● Diametro MIN = 50 mm, Altura MIN muestra = 12 mm, Relación MIN diámetro
● Piedras porosas (de carburo de silicio, de óxido de aluminio o similar)
● Pesas metálicas
● Pantalla filtrante (opcional)
● Anillo para tallar muestras
● Deformímetro
● Balanza
● Horno
● Recipientes para determinar la humedad
● Herramientas menores
Como primer paso, se realizó la preparación de la muestra a ensayar, este fue
extraído en una exploración geotécnica mediante el ensayo llamado STP tiendo una
profundamente de 7 a 7.5 metros, dicha muestra fue entregada por el laboratorista,
ya que se debe tener un procedimiento previo como de ser confinado lateralmente o
ser drenado axialmente.
Se procedió a medir la altura (2.5cm), obtener el peso húmedo y seco, este último se
secó en el horno,, con esto se sacó matemáticamente la humedad de la muestra, y
por último el peso teórico con los datos encontrado anteriormente, esto se halló con
el fin de saber los índices de vacíos y saber que humedad tenía la muestra.
Este ensayo somete la muestra a ser confianza lateralmente y posteriormente
cargada axialmente, esto se consigue aplicando un esfuerzo constante, hasta que
todos las presiones de poros se hayan disipado en cada incremento. cabe resaltar
que solo se trabajó en un lapso de tiempo de 60 minutos tomado los siguientes
tiempos:30s, 1m, 2.15m ,4m ,6.15m ,9m, 12.15m,,16m,20.15m,,25m, 30.15m,60m,
90m ,120m, 240 m, 480 m, 1440 m, Durante el proceso de compresión se tomaron
medidas del decremento en la altura de la muestra, dichos resultados se utilizaran
en la gráfica de deformación vs logaritmo de tiempo y deformación vs raíz del
tiempo.
Tabla 2. Lecturas de tiempo y deformación por carga (Fuente: Laboratorio)
Utilizando la información previamente mencionada, se procedió a generar una
representación gráfica para cada aumento de carga, donde los valores en el
eje vertical corresponden a las lecturas del dial de deformación, mientras que
los valores en el eje horizontal representan los tiempos en una escala
logarítmica. Con base en este enfoque, se obtuvo una gráfica específica para
la primera carga aplicada, la cual fue de 0,28 kg/cm2. A continuación, se
presenta el resultado visual obtenido mediante este análisis.
Figura 1. Grafica tiempo vs lectura para incremento de 0,28. (Fuente:
Elaboración propia)
A continuación, se detallará el procedimiento empleado para calcular los
tiempos en los cuales ocurre el 50% y el 90% del proceso de consolidación,
específicamente para el primer aumento de carga aplicada de 0.28 Kg/cm
2
. Estos
cálculos son fundamentales para comprender y analizar el comportamiento de la
muestra en relación a su capacidad de consolidación.
Determinación de t50 y t90:
En primer lugar, se seleccionan dos tiempos arbitrarios, denotados como Ta y
Tb, que guardan una relación de 1 a 4, es decir, Ta es igual a 4 veces Tb (Ta = 4Tb).
Estos tiempos específicos son elegidos con el propósito de realizar cálculos y
obtener información relevante acerca del proceso de consolidación. En el caso
1,
1,
1,
1,
1,
1,
0,1 1 10 100 1000 10000
Deformación (%)
Tiempo (min)
Al prolongar las tangentes, se busca encontrar el punto en el cual las dos líneas se
cruzan, lo que indica el momento en el cual la muestra ha alcanzado una
consolidación completa. Al determinar la lectura del dial de deformación en este
punto de intersección, se obtiene el valor de d 100 , que representa la máxima
deformación alcanzada durante el proceso de consolidación.
Figura 2. Grafica T vs D para incremento de 0,
A partir del análisis de la gráfica, se determina que la lectura registrada en el dial de
deformación cuando el porcentaje de consolidación alcanza el 100% es
100 = 1. 890
Al haber calculado 𝑑 0
100
, se calculan 𝑑
50
90
, para poder determinar 𝑡
50
90
Entonces para 𝑑 50
1,
1,
1,
1,
1,
1,
0,1 1 10 100 1000 10000
Deformación (%)
Tiempo (min)
50
0
100
100
50
90
0
0
100
90
Determinados los valores de d90 y d50 se procede a identificar los valores de t50 y
t90 en la gráfica
Figura 3. Grafica T vs D para incremento de 0,28. Resultados de Consolidación
Para cada incremento de carga aplicado, se sigue el mismo procedimiento detallado
previamente. Por ende, para los incrementos de carga restantes (0.56, 1,11, 2,23,
1885
1890
1895
1900
1905
1910
0,1 1 10 100 1000 10000
Deformacion (%)
Tiempo (min)
100% de consolidacion
0% de consolidacion
t
t
Figura 6. Grafica T vs D para incremento de 2,23. Resultados de Consolidación
Figura 7. Grafica T vs D para incremento de 4,45. Resultados de
Consolidación
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
0,1 1 10 100 1000 10000
Deformación (%)
Tiempo (min)
0% de
100% de consolidacion
t
t
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
0,1 1 10 100 1000 10000
Deformación (%)
Tiempo (min)
0% de consolidacion
100% de consolidacion
t
t
A continuación, se presenta una tabla donde se encuentran todos los resultados
para cada incremento
Altura
muestra
Esfuerzo Ta Tb Db Da
Db-
Da
2 cm 0.
min
min
min
min
cm
min
min
min
min
cm
min
min
min
min
cm
min
min
min
min
cm
min
min
min
min
cm
