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Ensayo de consolidación con tasa de deformación constante en

suelos blandos

Proyecto de grado

Para obtener el título de:

Ingeniera Civil

Desarrollado por:

Laura Alejandra Ortega De La Pava

Asistido por:

Lina Ximena Garzón Ávila

Dirigido por:

Nicolás Estrada Mejía

Mayo del 2014

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

2

Tabla de contenido

Introducción .................................................................................................................... 1

Ensayo ............................................................................................................................ 2 Material ........................................................................................................................................................................................... 2 Preparación ................................................................................................................................................................................... 2

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos usando carga incremental ................................................................................................................................................................................... 4 Descripción .................................................................................................................................................................................... 4 Montaje ............................................................................................................................................................................................ 5 Recolección de información .................................................................................................................................................... 6

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos saturados cohesivos usando velocidad de deformación controlada ............................................................................................................... 6 Descripción .................................................................................................................................................................................... 6 Montaje ............................................................................................................................................................................................ 7 Recolección de información .................................................................................................................................................... 9

Resultados .................................................................................................................... 10 Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos usando carga incremental ................................................................................................................................................................................. 10 Muestra S1 ................................................................................................................................................................................... 10 Muestra S5 ................................................................................................................................................................................... 12 Muestra S9 ................................................................................................................................................................................... 15

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos saturados cohesivos usando velocidad de deformación controlada ............................................................................................................. 17 Muestra S1 ................................................................................................................................................................................... 17 Velocidad 0,0017 mm/seg ..................................................................................................................................................... 17 Velocidad 0,0025 mm/seg ..................................................................................................................................................... 20 Velocidad 0,0033 mm/seg ..................................................................................................................................................... 23

Muestra S5 ................................................................................................................................................................................... 25 Velocidad 0,0017 mm/seg ..................................................................................................................................................... 25 Velocidad 0,0025 mm/seg ..................................................................................................................................................... 27 Velocidad 0,0033 mm/seg ..................................................................................................................................................... 30

Muestra S9 ................................................................................................................................................................................... 33 Velocidad 0,0017 mm/seg ..................................................................................................................................................... 33 Velocidad 0,0025 mm/seg ..................................................................................................................................................... 36 Velocidad 0,0033 mm/seg ..................................................................................................................................................... 38

Análisis de resultados ................................................................................................... 40 Propiedades de compresibilidad ....................................................................................................................................... 40 Ru .................................................................................................................................................................................................... 43 Tiempo .......................................................................................................................................................................................... 44 Coeficiente de consolidación Cv ......................................................................................................................................... 45 Conclusiones ................................................................................................................. 45

Bibliografía ................................................................................................................... 46

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Introducción En la construcción de cualquier estructura, por simple que parezca, es fundamental llevar a cabo una adecuada caracterización de las propiedades físicas y mecánicas del suelo. Una mala ejecución de ésta tarea implica una alta probabilidad de falla del sistema por deficiencia en resistencia del mismo con respecto a las solicitaciones de carga por parte del diseño. Adicionalmente es necesario entender el comportamiento de los suelos como un sistema dinámico el cual cambia sus propiedades a través del tiempo obedeciendo posibles variaciones en humedad, temperatura y sobre todo carga soportada; omitir éste análisis puede contribuir a la falla, no inmediata pero a largo plazo. El presente informe de centra en el estudio, caracterización y análisis del coeficiente de compresibilidad e índices de compresión y expansión asociados a suelos blandos con el propósito de documentar el comportamiento de ellos con respecto al tiempo y así conocer con claridad las condiciones bajo las cuales la muestra alcanzará el cien por ciento, o cualquier porcentaje de consolidación según sea el interés. Actualmente el análisis de las propiedades de consolidación mencionadas en el párrafo anterior se hacen mediante la aplicación del ensayo estándar de consolidación unidimensional ASTM D2435/D2435M – 11 usando escalones de carga incrementales. Sin embargo se ha encontrado que entre más blando se el material, es decir, mayor sea su humedad antes del ensayo mayor es el tiempo de duración del ensayo llegando hasta los 30 días para humedades del orden del 200% lo puede incurrir en demoras en construcción, pérdida de dinero en obra, retrasos inesperados y en general falta de eficiencia en los procesos de diseño. Es por lo anterior que se ha desarrollado un ensayo modificado de consolidación a velocidad constante con el fin de reducir la duración del mismo en laboratorio, en éste caso nos referimos a la norma ASTM D4186 – 06. Una de las ventajas de esta técnica es la reducción de la duración del ensayo y la obtención de un mayor número de datos. Sin embargo, la selección de la velocidad de deformación aplicada en el ensayo es todavía una pregunta abierta en la ingeniería. Tanto la norma ASTM D4186 – 06 como algunos estudios hechos por Lee et al., (1993); Bo et al., (2007) han propuesto diferentes velocidades de deformación. Dada la incertidumbre que hoy en día todavía persiste en la correcta selección de la velocidad de deformación en especial en suelos muy plásticos. El presente estudio tiene como objetivo evaluar en tres diferentes tipos de suelos blandos cuyos límites líquidos varían entre 85% y 320% tres velocidades de deformación en cada uno de los tres suelos y comparar estos resultados con el ensayo estándar de consolidación que servirá de patrón.

En el procedimiento se usarán tres tipos de suelos: muestra S1 compuesta por caolín en un cien por ciento, muestra S5 compuesta por caolín en un cincuenta por ciento y bentonita en el cincuenta por ciento restante por último de usó la muestra S9 con un cien por ciento de bentonita, cada una de ellas fue sometida al ensayo estándar y al modificado con tres velocidades por caso (0.003, 0.0025, 0.0017 mm/min), como resultados se analizaron las variaciones en las propiedades entre ensayos y se hacen recomendaciones en la escogencia de la velocidad a la hora de realizar el ensayo modificado.

2

Ensayo Dos tipos de ensayos de consolidación fueron llevados a cabo en el laboratorio, el primero conocido como el ensayo estándar descrito por la norma ASTM D2435/D2435M – 11 caracterizado por aplicar escalones de carga en primer lugar de manera progresiva hasta alcanzar el cien por ciento de la consolidación antes de pasar al siguiente escalón y en segundo lugar de manera regresiva ésta vez hasta que la muestra alcance su máxima descompresión. El segundo ensayo parte del mismo concepto del anterior sin embargo cuenta con modificaciones en la forma de aplicación de la carga ya que ésta se hace a velocidad constante y el aparato es el encargado de registrar los valores de carga aplicada, deformación y presión de poros con respecto al tiempo, a continuación se describirán cada uno de los ensayos con mayor detalle y claridad.

Material De acuerdo al objetivo del proyecto el análisis fue realizado en tres tipos de suelos blandos a humedad del 1,5 del límite líquido (WL). Como el objetivo era, además de calcular los coeficientes de compactación de cada uno de ellos por dos métodos diferentes, comparar los resultados del ensayo estándar con respecto al modificado se tomaron las muestras de los extremos de la librería de lodos donde el caolín representa el menos fino de todos (S1) y la bentonita representa el más fino y por lo tanto el de mayor cohesión (S9) adicionalmente se usó una muestra intermedia compuesta en un 50% de caolín y 50% bentonita (S5); a ésta última se le adicionó mineral verde con el fin de diferenciarla de las demás. A continuación se documentan las características de cada material.

Tabla 1. Propiedades básicas de las muestras

Suelo Caolín (%) Bentonita (%) Límites de Atterberg Gs

WL (%) WP (%) IP Gs S1 100.0 0.0 87 44 43 2.54 S5 50.0 50.0 189 24 165 2.68 S9 0.0 100.0 348 30 317 2.24

Tabla 2. Composición muestras de suelos

Muestra Masa caolín (g) Masa bentonita (g) Masa mineral (g) Masa agua (g) LL (%) S1 100 0 0 130 87 S5 50 50 27 360 189 S9 0 100 0 522 348

Preparación Después de definir la composición de cada muestra se llevó a cabo el siguiente procedimiento:

1. Pesar cada material 2. Dividir la mezcla seca en tres partes iguales 3. Agregar cada una por una las partes al agua previamente dispuesta en la mezcladora 4. Batir continuamente hasta lograr una mezcla homogénea

3

Imagen 1. Mezcla seca 5

Imagen 2. Mezcla antes de batir

Imagen 3. Resultado mezcla homogénea

Adicionalmente haciendo uso de la carta de plasticidad de Casagrande se relacionan el límite líquido (WL) y el índice de plasticidad del suelo para hacer su respectiva caracterización:

Tabla 3. Propiedades

Límite líquido Índice de Plasticidad WL PI Nombre Tipo Referencia 87 43 S1 MH

189,0 165,0 S5 CH

348,0 317,0 S9 CH

Gráfica 1. Carta de Casagrande

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Índi

ce d

e Pl

astic

idad

(IP)

Límite Líquido (WL)

MH

CH

4

De acuerdo a lo anterior identificamos la muestra S1 (100% caolín) como un limo de alta plasticidad mientras que tanto la muestra S5 (50% caolín-‐50% bentonita) como las S9 (100% bentonita) pertenecen a la categoría de arcillas de alta plasticidad.

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos usando carga incremental

Descripción Éste método permite la determinación del coeficiente de consolidación del suelo cuan éste se es sometido a esfuerzo axial mientras es restringido a deformaciones laterales, para ello se realizan lecturas de esfuerzo y deformación en todos los incrementos de carga, éstos incrementos se dan progresivamente cuando la muestra a alcanzado el cien por ciento de la consolidación primaria al esfuerzo sometido así se proporciona la información necesaria para la construcción de la curva de compresibilidad (e vs. σ) y de consolidación (ε vs. 𝑡) de la muestra. El cálculo del coeficiente de consolidación Cv se realiza basándose en el método gráfico de Taylor teniendo en cuenta las siguientes suposiciones:

• Las propiedades del suelo son homogéneas • El suelo está completamente saturado • El flujo de agua se da verticalmente • Hay una relación lineal entre las variables de esfuerzo y deformación ante la

aplicación de carga incremental Luego de la construcción de la curva de consolidación se procede a trazar una línea que se ajuste a los puntos iniciales sobre la misma hasta cruzar ambos ejes, el valor donde corta con el eje x debe ser magnificado en un 15% punto que generará una segunda recta al unirse con el punto inicial sobre el eje y, el punto de corte entre la curva de consolidación y la segunda recta tendrá como coordenadas (D90, T90) donde D90 corresponde a la deformación del 90% y T90 al tiempo al cual la muestra alcanza éste porcentaje de deformación, la Gráfica 2. Ejemplo curva de consolidación de Taylor ilustra el procedimiento. Posteriormente haciendo uso de la Ecuación 1. Coeficiente de consolidación de Taylor se calcula el coeficiente de consolidación para el escalón de esfuerzo en análisis.

𝐶!𝑐𝑚!

𝑠 =0,848 ∗ 𝐻!

𝑇90

Ecuación 1. Coeficiente de consolidación de Taylor

5

Gráfica 2. Ejemplo curva de consolidación de Taylor

Montaje En el ensayo estándar se necesita un edómetro o aparato generador de carga con una capacidad de por lo menos 250Kg, adicionalmente se requiere un deformímetro con precisión de 0,01mm y un lector de carga. En cuanto a la disposición del material se utiliza un recipiente de anillo flotante que permita el drenaje de la muestra por los extremos superior e inferior a través de una piedra porosa y un contenedor de agua que mantenga el suelo en condiciones de saturación.

Imagen 4. Edómetro

Para formar el anillo de suelo adecuadamente se recomienda seguir los siguientes pasos:

6

1. Poner papel filtro en la base del recipiente 2. Poner una piedra porosa 3. Ubicar el primer anillo 4. Pesar el recipiente saturado con el anillo base y la pierda de fondo 5. Agregar el material en el anillo hasta llenarlo y con ayuda de una espátula enrazar

procurando eliminar cualquier burbuja de aire o vacío existente 6. Cubrir la muestra con papel filtro evitando que éste roce con los bordes del anillo 7. Cubrir con una piedra porosa que permita el drenaje 8. Tapar con el segundo anillo sin afectar el suelo 9. Asegurar con los tornillos 10. Saturar con agua destilada

Por último se debe ubicar el recipiente contenedor del anillo flotante de tan forma que se someta a compresión por escalones en intervalos entre (0,007 y 8 kgf/m2) y posteriormente a descompresión en los mismos intervalos de carga.

Recolección de información En cuanto a la toma de datos debe hacerse de manera manual registrando los valores marcados por el deformímetro.

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos saturados cohesivos usando velocidad de deformación controlada

Descripción Éste método garantiza la obtención del coeficiente o tasa de consolidación de suelos blandos cohesivos en condiciones de total saturación y la conductividad hidráulica mediante la aplicación continua de carga axial restringiendo deformaciones laterales y drenando la muestra por su extremo superior. Durante el ensayo se registran los valores de presión de poros (bar), deformación (mm), carga aplicada (kg) y tiempo (s). Como datos de entrada se proporcionan la velocidad de deformación elegida por el usuario dentro de los rangos recomendados, es importante mencionar que el comportamiento de los suelos cohesivos es dependiente de la velocidad de deformación y los resultados se verán afectados por la escogencia de la misma; el intervalo de grabación de datos dependiendo el número de puntos deseados sobre las curvas y la carga máxima a la que se desea someter la muestra la cual depende del esfuerzo máximo definido también por el usuario. Como se mencionó anteriormente la muestra durante el ensayo está restringida lateralmente y sometida a carga progresiva, los incrementos en la carga dependen de los excesos de presión de poros en la base del material cambiando únicamente cuando éstos se han disipado. Finalmente el método hace uso de la teoría de consolidación de Terzaghi, para el cálculo del coeficiente de consolidación Cv teniendo en cuenta las siguientes suposiciones:

• Las propiedades del suelo son homogéneas • El suelo está completamente saturado • El flujo de agua se da verticalmente

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• Hay una relación lineal entre las variables de esfuerzo y deformación ante la aplicación de carga incremental

Montaje Para llevar a cabo este ensayo se necesita una prensa que cuente con transductores encargados de medir el exceso de presión de poros en la base, la carga aplicada y la deformación; lo anteriores deben estar conectados a una fuente de energía calibrada por un voltímetro que garanticé un voltaje continuo con el fin de evitar desviación en los datos o ruidos inesperados que afecten los resultados, adicionalmente se hace uso de un monitor que controle la prensa así como la velocidad de deformación y el tiempo.

Imagen 5. Prensa

Imagen 6. Deformímetro, presurometro y carga

Imagen 7. Voltímetro

En cuanto a la disposición del material se utilizan anillos metálicos asegurados con tornillos dentro de un recipiente plástico que contiene agua destilada y mantiene la muestra en condiciones de total saturación además de restringir deformaciones laterales.

Imagen 8. material sometido a asentamiento

Para formar el anillo de suelo adecuadamente se recomienda seguir los siguientes pasos:

8

11. Soplar las mangueras del recipiente con ayuda de una pistola de aire para

asegurarse de que no exista obstrucción de flujo 12. Saturar las mangueras con agua 13. Poner papel filtro en la base del recipiente 14. Ubicar el primer anillo 15. Pesar el recipiente saturado con el anillo base 16. Agregar el material en el anillo hasta llenarlo y con ayuda de una espátula enrazar

procurando eliminar cualquier burbuja de aire o vacío existente 17. Cubrir la muestra con papel filtro evitando que éste roce con los bordes del anillo 18. Cubrir con una piedra porosa que permita el drenaje 19. Tapar con el segundo anillo sin afectar el suelo 20. Asegurar con los tornillos 21. Saturar con agua destilada

Imagen 9. Recipiente saturado

Imagen 10. Peso recipiente más

anillo

Imagen 11. Material enrazado

en el anillo

Imagen 12. Peso material húmedo antes de ensayo

Imagen 13. Asentamiento previo al ensayo

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Antes de poner el material en la prensa es necesario poner un peso de (50 g) y dejarlo asentar por 24 horas con el fin de que logre un grado de compactación adecuado para el ensayo y se elimine cualquier vacío que haya podido quedar del montaje como se puede ver en la Imagen 13. Asentamiento previo al ensayo. Luego, para montar la muestra en la prensa y realizar la simulación se debe:

1. Verificar que cada parte del sistema esté registrando los datos 2. Saturar con agua las mangueras de la prensa 3. Reiniciar el programa de tal forma que los lectores se encuentren en ceros 4. Ubicar la celda de aplicación de carga lo más cerca de la muestra posible sin que

ejerza presión antes de empezar la simulación 5. Establecer en el monitor los tiempos de grabación, velocidad de deformación y carga

máxima 6. Iniciar modelación

Una vez la muestra ha sido sometida a la carga máxima se cambia la velocidad a la misma magnitud pero negativa con el fin de que modele el proceso de descarga. Finalmente cuando ha completado el proceso se desmonta la muestra y se procede a pesar el material húmedo después del ensayo, se somete el mismo a un proceso de secado durante 24 horas en un horno a 160º centígrados y se pesa nuevamente.

Recolección de información Como se ha mencionado con anterioridad el monitor va registrando la información medida con cada uno de los transductores, dependiendo del intervalo de grabación de datos éste genera un documento con la información pertinente para el análisis posterior; los datos de pesos, humedades y geometría de la muestra se recolectan a lo largo del montaje como se describió en la sección anterior.

Imagen 14. Transductores

Imagen 15. Monitor

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Resultados

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos usando carga incremental

Muestra S1 Tabla 4. Geometría muestra S1 ensayo estándar

Diámetro de la muestra d 5,11 cm Altura de la muestra hm 2,19 cm Área de la muestra A 20,48 cm^2 Volumen inicial de la

muestra Vo 44,78 cm^3

Densidad inicial ρ inicial 1,38 g/cm Altura de sólidos hs 0,51 cm

Gravedad específica Gs 2,54 -‐ Volumen de sólidos Vs 10,53 cm^3

Masa seca Gd 26,74 g Última medición Me 0,88 cm Densidad final ρ final 1,60 g/cm3

Tabla 5. Propiedades muestra S1 ensayo estándar

Antes del ensayo Después del ensayo Humedad w 131,11% -‐ 59,84% -‐

Relación de vacíos e1 3,254 -‐ 1,53% -‐ Saturación S 102,40% -‐ 99,10% -‐ Porosidad n 76,50% -‐ 60,50% -‐

Poros llenos con agua nwl 0,80% -‐ 60,00% -‐ Poros llenos con aire nl 75,70% -‐ 0,60% -‐ Altura de sólidos hs 0,514 cm 0,514 cm Altura de agua hw 0,017 cm 0,781 cm Altura de aire hl 0,017 cm 0,789 cm

Tabla 6. Resultados muestra S1 ensayo estándar

Escalón de Carga Esfuerzo aplicado (Pa) Lectura (cm) Deformación ε (%) Relación de vacíos ( e ) 0 686,3 2,13 2,86 3,14 1 6127,5 1,94 8,33 2,78 2 12254,9 1,89 2,41 2,68 3 24509,8 1,74 7,03 2,38 4 49019,6 1,62 5,37 2,15

11

5 98039,2 1,51 5,16 1,93 6 196078,4 1,38 5,80 1,69 7 392156,9 1,27 5,09 1,47 8 784313,7 1,15 5,21 1,25 9 392156,9 1,17 0,53 1,27 10 196078,4 1,19 0,97 1,31 11 98039,2 1,22 1,32 1,37 12 49019,6 1,24 1,07 1,41 13 24509,8 1,27 1,16 1,46 14 12254,9 1,29 1,00 1,50 15 6127,5 1,31 0,83 1,54

Gráfica 3. Curva de compresibilidad muestra S1 ensayo estándar

Tabla 7. Coeficientes de compresión y expansión muestra S1 ensayo estándar

Cc 0,79 Cs 0,14

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 100000,0 1000000,0

Relación de vacíos (e)

Log (σ' [Pa] )

Curva de compresibilidad S1

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Tabla 8. Coeficientes de consolidación por esfuerzo muestra S1 ensayo estándar

Esfuerzo aplicado (Pa)

Coeficiente de consolidación Cv (cm2/seg)

686,3 0,0036 6127,5 0,0035 12254,9 0,0055 24509,8 0,0095 49019,6 0,0120 98039,2 0,0123 196078,4 0,0094 392156,9 0,0151 784313,7 0,0169 392156,9 0,0117 196078,4 0,0207 98039,2 0,0113 49019,6 0,0120 24509,8 0,0074 14705,9 0,0061 6127,5 0,0053







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Relación de vacíos e1 6,689 -‐ 0,926 -‐ Saturación S 92,10% -‐ 99,30% -‐ Porosidad n 87,00% -‐ 48,10% -‐



Escalón de Carga Esfuerzo aplicado (Pa) Lectura (cm) Deformación ε (%) Relación de vacíos ( e ) 0 588,235 1,98 9,64 6,1165 1 1176,471 1,87 4,93 5,72831 2 2352,941 1,46 18,79 4,24811 3 6127,451 1,36 4,49 3,89461 4 12254,902 1,22 6,38 3,39223 5 24509,804 1,06 7,25 2,82134 6 49019,608 0,88 8,18 2,17738 7 98039,216 0,74 6,62 1,65627 8 196078,431 0,62 5,42 1,22925 9 392156,863 0,53 4,24 0,89539 10 784313,725 0,45 3,54 0,61634 11 392156,863 0,46 0,38 0,64649 12 196078,431 0,47 0,55 0,68987 13 98039,216 0,49 0,75 0,74925 14 49019,608 0,51 0,88 0,81821 15 24509,804 0,52 0,87 0,88672 16 12254,902 0,54 0,50 0,92645 17 6127,451 0,54 0,19 0,94152

14



Cc 1,56 Cs 0,15

Tabla 13. coeficientes de consolidación por esfuerzo muestra S5 ensayo estándar



588,235 0,00058 1176,471 0,00038 2352,941 0,00075 6127,451 0,00112 12254,902 0,00084 24509,804 0,00132 49019,608 0,00081 98039,216 0,00140 196078,431 0,00165 392156,863 0,00217 784313,725 0,00226 392156,863 0,00326

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

1 10 100 1000 10000 100000 1000000


Log (σ` [Pa] )


15

196078,431 0,00303 98039,216 0,00212 49019,608 0,00188 24509,804 0,00116 12254,902 0,00093 6127,451 0,00204









Relación de vacíos e1 11,933 -‐ 2,659 -‐ Saturación S 95,80% -‐ 99,50% -‐ Porosidad n 92,30% -‐ 72,70% -‐



Escalón de Carga Esfuerzo aplicado (Pa) Lectura (cm) Deformación ε (%) Relación de vacíos ( e ) 0 686,3 2,38 0,83 9,4792170 1 1372,5 2,10 11,67 8,2457521 2 2843,1 1,39 29,47 5,1313370

16

3 6127,5 1,34 2,20 4,8987344 4 12254,9 1,22 4,88 4,3826473 5 24509,8 1,04 7,50 3,5897854 6 49019,6 0,87 7,38 2,8097838 7 98039,2 0,69 7,20 2,0487930 8 196078,4 0,54 6,23 1,3901250 9 392156,9 0,42 5,10 0,8516723 10 784313,7 0,33 3,66 0,4653059 11 392156,9 0,35 0,82 0,5519727 12 196078,4 0,39 1,62 0,7230699 13 98039,2 0,49 4,04 1,1502535 14 49019,6 0,54 2,19 1,3811787 15 24509,8 0,58 1,83 1,5746415 16 12254,9 0,62 1,30 1,7121902 17 6127,5 0,63 0,68 1,7837602



Cc 2,10 Cs 0,63

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 100000,0 1000000,0


Log (σ´ [Pa] )


17

Tabla 18. Coeficientes de consolidación muestra S9 ensayo estándar



686,3 0,0024 1372,5 0,0003 2843,1 0,0008 6127,5 0,0007 12254,9 0,0008 24509,8 0,0011 49019,6 0,0011 98039,2 0,0011 196078,4 0,0014 392156,9 0,0015 784313,7 0,0010 392156,9 0,0012 196078,4 0,0039 98039,2 0,0035 49019,6 0,0035 24509,8 0,0048 12254,9 0,0024 6127,5 0,0003

Ensayo estándar para propiedades de consolidación unidimensional de suelos saturados cohesivos usando velocidad de deformación controlada

Muestra S1

Velocidad 0,0017 mm/seg Tabla 19. Propiedades muestra S1 velocidad lenta

Peso húmedo antes del ensayo 57,04 g Peso húmedo después del ensayo 28,02 g Peso seco después del ensayo 24,89 g

Gravedad especifica 2,54 -‐ Densidad agua 1 g/cm3

Gravedad 9,81 m/s2 Peso específico agua 9810 N/m3

Área 19,64 cm2 Altura inicial 20 mm Masa seca 24,89 g

Contenido de agua inicial 129,17 %

18

Volumen de solidos 9,8 cm3 Altura sólidos equivalente 5,00 mm Relación de vacíos inicial 3,01 -‐ Grado de saturación inicial 109,09 %

Tabla 20. Coeficientes de compresión y expansión muestra S1 velocidad lenta

Cc 0,75 Cs 0,17

Gráfica 6. Curva de deformación vs. tiempo muestra S1 velocidad lenta

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0

Deformación axial (-‐)

Tiempo (seg)

Millares

19

Gráfica 7. Curva de compresibilidad muestra S1 velocidad lenta

Gráfica 8. curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S1 velocidad lenta

0

1

2

3

4

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0

Relación de vacios (e)

Log (σ´[Pa])

-‐100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00

Esfuerzo axial aplicado (KPa) /Presión de poros

(KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

20

Gráfica 9. curva radio RU vs tiempo muestra S1 velocidad lenta

Velocidad 0,0025 mm/seg

Tabla 21. Propiedades muestra S1 velocidad media





Contenido de agua inicial 135,61 % Volumen de solidos 9,18 cm3

Altura sólidos equivalente 4,67 mm Relación de vacíos inicial 3,28 -‐ Grado de saturación inicial 105,04 %

-‐1,00%

-‐0,80%

-‐0,60%

-‐0,40%

-‐0,20%

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 Ru

Tiempo (seg)

Millares

21

Tabla 22. Coeficientes de compresión y expansión muestra S1 velocidad media

Cc 0,93 Cs 0,25

Gráfica 10. Curva de deformación vs. tiempo muestra S1 velocidad media

Gráfica 11. Curva de compresibilidad muestra S1 velocidad media

0

10

20

30

40

50

60

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0


Tiempo (seg)

Millares

0

1

2

3

4

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

22

Gráfica 12. curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S1 velocidad media

Gráfica 13. curva radio RU vs tiempo muestra S1 velocidad media

-‐100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0 50 100 150 200 250 300 Esfuerzo axial aplicado (KPa) /Presión de

poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

-‐50,00%

0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

23


Tabla 23. Propiedades muestra S1 velocidad rápida







Tabla 24. Coeficientes de compresión y expansión muestra S1 velocidad rápida

Cc 0,54 Cs 0,10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0


Tiempo (seg)

Millares

24

Gráfica 14. Curva de deformación vs. tiempo muestra S1 velocidad rápida

Gráfica 15. Curva de compresibilidad muestra S1 velocidad rápida

Gráfica 16. curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S1 velocidad rápida

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 50 100 150 200 250 300

Esfuerzo axial aplicado (KPa) /Presión de

poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

25


Muestra S5


Tabla 25. Propiedades muestra S5 velocidad lenta


Gravedad especifica 2,68 -‐ Densidad agua 1,00 g/cm3


Área 19,63 cm2 Altura inicial 20,00 mm Masa seca 10,37 g




Cc 2,21

-‐2,00%

-‐1,50%

-‐1,00%

-‐0,50%

0,00%

0,50%

1,00%

1,50%

2,00%

2,50%

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

26

Cs 0,12



0

10

20

30

40

50

60

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0


Tiempo (seg)

Millares

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

27




Tabla 27. Propiedades muestra S5 velocidad media

Peso húmedo antes del ensayo 45,89 g

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450


poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

28

Peso húmedo después del ensayo 19,13 g Peso seco después del ensayo 10,73 g







Cc 2,20 Cs 0,16


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0


Tiempo (seg)

Millares

29


Gráfica 24. curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S5 velocidad media

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 50 100 150 200 250 300


poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

30


Velocidad 0,0033 mm/seg Tabla 29. Propiedades muestra S5 velocidad rápida








Cc 2,22 Cs 0,15

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

31



0

10

20

30

40

50

60

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0


Tiempo (seg)

Millares

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

32

Gráfica 28. curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S5 velocidad rápida

Gráfica 29. curva radio RU vs tiempo muestra S5 velocidad rápida

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 50 100 150 200 250


poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

33

Muestra S9

Velocidad 0,0017 mm/seg Tabla 31. Propiedades muestra S9 velocidad lenta








Cc 3,61 Cs 0,80

34



0

10

20

30

40

50

60

70

0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0


Tiempo (seg)

Millares

0

2

4

6

8

10

12

14

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

35



-‐100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0 100 200 300 400 500 600 Esfuerzo axial aplicado (KPa) /Presión de

poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

36

Velocidad 0,0025 mm/seg Tabla 33. Propiedades muestra S9 velocidad media








Cc 3,39 Cs 0,27


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0


Tiempo (seg)

Millares

37


Gráfica 36. Curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S9 velocidad media

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0 50 100 150 200 250 300 350


poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

38

Gráfica 37. Curva radio RU vs tiempo muestra S9 velocidad media

Velocidad 0,0033 mm/seg Tabla 35. Propiedades muestra S9 velocidad rápida








Cc 4,02 Cs 0,46

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

39



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0


Tiempo (seg)

Millares

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´[Pa])

40

Gráfica 40. Curvas de esfuerzo y presión de poros vs tiempo muestra S9 velocidad rápida

Gráfica 41. Curva radio RU vs tiempo muestra S9 velocidad rápida

Análisis de resultados

Propiedades de compresibilidad

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 50 100 150 200 250 300


poros (KPa)

Tiempo (s)

Millares

Esfuerzo

Presión de poros

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

120,00%

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0

Ru

Tiempo (seg)

Millares

41

Gráfica 42. Comparación curvas de compresibilidad muestra S1


0

1

2

3

4

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´)

Curvas de compresibilidad S1

0,0017

0,0025

0,0033

Taylor

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´)


0,0017

0,0025

0,0033

Taylor

42


Tabla 37. Diferencias porcentuales Cc

Muestra CRS Cc Ensayo Estándar Cc Diferencia porcentual

S1 Lento 0,75

0,79 -‐6%

Medio 0,93 17% Rápido 0,54 -‐32%

S5 Lento 2,21

1,56 42%

Medio 2,20 41% Rápido 2,22 43%

S9 Lento 3,61

2,10 72%

Medio 3,39 61% Rápido 4,02 91%

Tabla 38. Diferencias porcentuales Cs

Muestra CRS Cs Ensayo Estándar Cs Diferencia porcentual

S1 Lento 0,17

0,14 23%

Medio 0,25 83% Rápido 0,10 -‐28%

S5 Lento 0,12

0,15 -‐22%

Medio 0,16 1% Rápido 0,15 0%

S9 Lento 0,80

0,63 28%

Medio 0,27 -‐56% Rápido 0,46 -‐26%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0,0 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000,0


Log (σ´)


0,0017

0,0025

0,0033

Taylor

43

En el caso del caolín (S1) se ve gráficamente que de las tres muestras probadas es la que tiene menor dispersión entre las curvas, seguida por la bentonita (S9) y por último la mezcla de los dos anteriores (S5); sin embargo si tenemos en cuenta que la curva de referencia es la obtenida mediante la realización del ensayo estándar y comparamos los errores porcentuales de cada valor de coeficiente de compresión se destacan las siguientes observaciones: las menores diferencias, nuevamente son aquellas correspondientes a la muestra S1 para las tres velocidades desarrolladas estando la lenta y la rápida un poco por debajo mientras que la media está un poco por encima, la muestra S5 a pesar de que gráficamente parece ser la de mayor dispersión en los valores de presiones de poros, en cuánto al Cc, tiene errores porcentuales menores que la muestra S9 donde la primera representa valores cercanos al 40% mayores que el estándar y la segunda valores también superiores pero en porcentajes más altos. Cabe resaltar que los errores incrementan a medida que la muestra tiene un mayor contenido de bentonita, es decir, cuando pasa de ser un limo a ser una arcilla e incrementa su plasticidad, además si se analizan las muestras individualmente también se puede observar, a excepción de la S9 para velocidad media, que a medida que aumenta la velocidad también lo hace el error. Ahora, si nos enfocamos en los resultados de los coeficientes de expansión Cs el patrón de similitudes entre las curvas cambia. Para éste caso, la S5 es la más acertada con errores casi nulos mientras que en las S1 y S9 para las velocidades lenta y rápida el error es muy parecido y cercano al 20%, finalmente en estas muestras la velocidad media presentó los errores más grandes. De acuerdo a lo anterior no se logra establecer un patrón en los resultados que permita saltar a conclusiones acerca de cómo mejorar la precisión y exactitud del ensayo de deformación controlada.

Ru

Gráfica 45. Rango de Ru

El radio Ru (relación entre la presión de poros y el esfuerzo aplicado), es tenido en cuenta por la norma ASTM como una variable de aprobación y verificación del cumplimiento de los resultados y por lo tanto la confiabilidad de los mismos; en ella se establece que el rango de

0,00% 50,00% 100,00% 150,00% 200,00% 250,00%

S1 Lento

S1 Medio

S1 Rápido

S5 Lento

S5 Medio

S5 Rápido

S9 Lento

S9 Medio

S9 Rápido

Ru

Muestra

44

Ru debe encontrarse entre el 15% y el 30% en orden de ser acertado el resultado del ensayo, sin embargo como se ilustra en la Gráfica 45. Rango de Ru la totalidad de los ensayos ejecutados se salen de éste rango y a pesar de ello los coeficientes de consolidación obtenidos son del mismo orden. Adicionalmente se puede observar que el ensayo de la muestra S5 para velocidad lenta es el más acercado al rango propuesto y a su vez la curva más alejada de la obtenida mediante en método estándar, poniendo en duda el criterio de elección de los porcentajes indicadores de bondad. Por otro lado, si tenemos en cuenta que tener un valor alto de Ru implica que debe haber una reducción en la velocidad de consolidación y que un valor bajo de Ru sugiere un incremento en la misma las muestras S9 y S5 tendrían que ser probadas a valores de velocidad muy lentas caso para el cual el ensayo tomaría un tiempo muy largo de ejecución y sería más conveniente realizar el estándar.

Tiempo Tabla 39. Duración de los ensayos

Muestra Tiempo [días]

CRS Lento CRS Medio CRS Rápido Estándar S1 4,01 3,08 1,40 3,04 S5 4,52 3,30 2,75 11,20 S9 5,63 3,38 3,13 14,33

La Tabla 39. Duración de los ensayos permite hacer un análisis de la efectividad de la realización del ensayo de deformación controlada con respecto a la del estándar en cuánto al tiempo de ejecución, pues como se mencionó a principios del documento parte de la justificación de la realización del ensayo modificado es lograr una reducción importante en la duración de los mismos con el fin de facilitar la caracterización de suelos, por ser información fundamental en cualquier análisis de estabilidad, factibilidad y tipos de uso de terrenos. De acuerdo a lo anterior vemos que para el caso de limos únicamente la velocidad rápida tomo menos tiempo que el estándar y fue la que presentó los mayores errores; por otro lado las arcillas si redujeron el tiempo de ejecución en 8 días para la S5 y 11 días para la S9 cuando se realizó con la velocidad rápida aunque vale la pena recalcar que estas muestran fueron nuevamente las de mayor dispersión. En éste orden de ideas ya es criterio del ingeniero decidir si los errores porcentuales son inadmisibles y realizar el estándar o si la agilidad del de deformación controlada es suficiente para usar los resultados como punto de referencia.

45

Coeficiente de consolidación Cv

Tabla 40. Diferencias porcentuales coeficientes de consolidación

Muestra CRS Ensayo estándar Diferencia

porcentual Velocidad Esfuerzo aplicado [KPa]

Cv [cm2/seg]

Esfuerzo aplicado [KPa]

Cv [cm2/seg]

S1 Lento 99 0,395

98,039 0,012 97%

Medio 101 1,678 -‐99% Rápido 97 0,130 -‐91%

S5 Lento 100 0,001

98,039 0,001 -‐50%

Medio 99 0,002 -‐32% Rápido 102 0,001 33%

S9 Lento 101 0,001

98,039 0,001 57%

Medio 104 0,00020 435% Rápido 101 0,495 -‐100%

Finalmente se obtuvieron coeficientes de consolidación para cada escalón de carga en el caso del ensayo estándar y uno por hora en el de deformación controlada. Con el fin de realizar una comparación se tomo en cada uno de los casos el esfuerzo más cercano a los 100KPa. Los errores encontrados son considerablemente altos y no permiten identificar un patrón entre materiales ni velocidades; por lo tanto, si se tiene en cuenta la influencia de éste coeficiente a pesar de ser estimado para un único escalón de esfuerzo, debería invalidarse la veracidad de los resultados y proceder a hacer uso del ensayo de consolidación estándar para caracterizar suelos blandos.

Conclusiones

1. A pesar de que los valores de relaciones de vacíos en el caso de los resultados por ensayo de deformación controlada son mayores que con el de compresión estándar, las curvas obtenidas en la totalidad de los casos obedecen la misma forma dejando una percepción acertada del comportamiento del material ante el fenómeno de compresión por carga axial al cuál fue sometido.

2. Los coeficientes de compresión obtenidos mediante el uso de velocidad de deformación controlada cuentan con el mismo orden de magnitud que los del ensayo estándar, aunque pueden alcanzar diferencias de hasta el 80%, así que la admisibilidad de los mismos es criterio del profesional dependiendo el uso que pretenda darle.

3. Los tiempos de ejecución de los ensayos estándar en comparación a los de deformación controlada no son tan diferentes como se esperaba, lo que implica que se no ser de extrema urgencia sería mejor realizar el ensayo estándar pues con éste se obtienen resultados más acertados.

4. Si comparamos los coeficientes de consolidación para un esfuerzo aplicado de 100Kpa vemos que tanto para la muestra S1 como para la S5 los errores

46

porcentuales son cercanos o superiores al 100 por ciento lo que permite concluir que el método no es confiable y los resultados no son admisibles, por otro lado para la muestra S5, a pesar de ser los menores, cuenta con errores del orden del 30% lo cual sigue siendo bastante alto.

5. El ensayo de CRS modificado aplicado durante el desarrollo del ensayo no tuvo en cuenta la influencia de la presión en la cámara, la cual es utilizada en la norma para el cálculo de esfuerzos efectivos, presiones de poros y por lo tanto los valores de coeficientes de consolidación se verían alterados, lo anterior es posiblemente una de las fuentes de error en los resultados y un posible motivo por el cual éstos no son admisibles.

6. Con la realización del ensayo CRS modificado se esperaba que a mayor velocidad de aplicación de carga mayores fueran las presiones de poros registradas en la base, sin embargo en la totalidad de las muestras se encontró que este patrón no se cumple cuando las curvas para la mayor velocidad aplicada (0.0033 mm/seg) demostraron presiones de poros menores que las curvas obtenidas con velocidades de menor magnitud; esto confirma la invalidez de los resultados.

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