Nota importante del experto: Este artículo es una revisión educativa de archivo y no es un estudio geotécnico, una norma de laboratorio válida, un cálculo de cimientos ni un manual de instrucciones. Los términos, procedimientos, unidades de medida, valores, clasificaciones y referencias originales a “nuestras regulaciones” fueron transferidos sin verificar el cumplimiento de las normas y regulaciones aplicables. Las pruebas del suelo, la elección del método, la interpretación de los resultados y las decisiones de diseño deben ser realizadas por expertos geotécnicos autorizados y el laboratorio adecuado para un objeto y ubicación específicos.
El tema de la compresibilidad del suelo no forma parte de la nueva oferta pública de Savo Kusić. El foco de producción actual consiste en ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio y puertas hechas a medida. Para un proyecto específico de ventana o puerta, puede enviar solicitud de cotización.
Bases de la prueba del edómetro
La compresibilidad del suelo se determina mediante una prueba de compresión con expansión lateral evitada, que también se denomina prueba de edómetro o prueba de consolidación.
La prueba se realiza con muestras no perturbadas y, en algunos casos, con muestras perturbadas. En el primer caso, la muestra de prueba se toma presionando anillos de metal en una muestra más grande e intacta, que luego se introduce en el aparato junto con el anillo después de cortar el exceso de muestra y nivelar sus superficies con los bordes del cilindro. En el segundo caso, el anillo se llena con una muestra en estado de consistencia en el límite elástico y en ese estado se introduce en el edómetro.
La prueba se realiza utilizando el aparato que Terzaghi construyó por primera vez y llamó oedómetro. Hoy en día, existen varias construcciones diferentes de este aparato, pero todas se basan en el mismo principio: probar la compresión de una muestra de suelo bajo carga con expansión lateral evitada.
Edómetro: descripción del dispositivo
Fig. 1. Odómetro
El edómetro consta de un cilindro metálico en el que se sitúa la muestra entre dos piedras filtrantes (fig. 1). La muestra se introduce en el aparato en un anillo metálico de diámetro 7-10 cm y altura de 1-4 cm. La carga P se transfiere a la muestra a través de la piedra filtrante superior. Debajo de la piedra filtrante inferior, en el fondo del cilindro hay canales para drenar el agua de la muestra al tubo capilar, así como para el suministro de agua. Dado que la compresión de la muestra se realiza a expensas de los poros, ya que las partículas sólidas del suelo y el agua en los poros son prácticamente incompresibles, es necesario asegurarse de que el agua drene de la muestra durante la prueba, lo que es posible mediante una piedra filtrante, un canal y un tubo capilar.
En el lado izquierdo del dispositivo hay una tubería de suministro de agua con un grifo delante del cilindro, mientras que en el lado derecho hay un tubo capilar, con un grifo detrás del cilindro. El tubo capilar también se utiliza para determinar el coeficiente de permeabilidad del suelo k.
Examen
Cuando se coloca la muestra en el cilindro y se ensambla el aparato, cierre el grifo izquierdo, el suministro de agua, y abra el grifo derecho, para que el agua drene hacia el tubo capilar. Luego se acerca la carga de la muestra, que se aplica gradualmente. Generalmente se aplican las siguientes cargas: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 y más hasta la carga de suelo más alta esperada debajo del edificio, generalmente hasta 10 kp/cm2, y para presas puede ser incluso más hasta 20 kp/cm2. En cada nivel de carga, en el momento de su aplicación, se pone en marcha el cronómetro y en determinados intervalos de tiempo 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, luego cada 24h, hasta la consolidación de la muestra bajo ese grado de carga, se lee en el comparador el asentamiento correspondiente en milésimas de milímetro y se registra en el registro. Para la consolidación, se supone que se ha logrado si el asentamiento de la muestra Δh ≤ 0,02 mm durante un tiempo de 24 hora. Una vez lograda la consolidación, se aplica el siguiente nivel de carga y todo el procedimiento se repite de la misma manera y así sucesivamente hasta el nivel de carga final.
La prueba de consolidación con expansión lateral evitada se realiza con carga y descarga, con el fin de determinar las propiedades elásticas del suelo. Habiendo cargado la muestra hasta cierto punto, la descargamos con la misma gradualidad con la que la cargamos. El alivio generalmente se realiza después de 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 y 6,0 kp/cm2.
Como regla general, la prueba se realiza con la muestra bajo agua, que se sostiene en el tubo de vidrio izquierdo a la altura de la superficie superior de la muestra en el aparato. La prueba de compresibilidad de la muestra en presencia de agua se realiza por esta razón, porque la prueba toma mucho tiempo y la muestra se seca durante ese tiempo, como resultado de lo cual la compresibilidad de la muestra sería menor que la compresibilidad real del suelo en su estado de humedad natural. Además, la humedad natural del suelo puede ser mayor que en el momento del muestreo, especialmente cuando aumenta el nivel del agua subterránea, lo que podría conducir a una desviación significativa de la compresibilidad real del suelo durante el período de alto nivel del agua.
Los resultados de la prueba se aplican a tres tipos de diagramas, a saber, el diagrama de compresión relativa, el diagrama de cambio del coeficiente de porosidad y el diagrama de asentamiento en el tiempo.
Diagrama de compresión relativa
Este diagrama se obtiene cuando se aplica presión normal a la muestra en el eje de abscisas σ = P/A, donde P es la carga que actúa sobre la muestra a través de la piedra filtrante superior en kp/cm2, A es el área de la sección transversal de la muestra en el aparato, y en el eje de ordenadas está la compresión relativa Δh/h donde Δh es la asentamiento de la muestra bajo carga Δσ durante la consolidación, h altura de la muestra antes de la carga (fig. 2).
Fig. 2. Diagrama de compresión relativa
Durante la carga, se obtiene diagrama de compresión primaria a.
Durante la descarga, si se habilita la entrada de agua sin obstáculos, de modo que la muestra permanezca bajo el agua durante la descarga, vuelve a su estado original, es decir, hincharse. Sin embargo, la muestra no vuelve a su estado inicial, lo que significa que ha sufrido una deformación plástica (permanente) además de elástica. Por tanto, en este caso, el diagrama de hinchamiento b se obtiene durante la descarga. Sin embargo, si la prueba se realizó sin recibir agua, en lugar de un diagrama de hinchamiento, aparecerá el llamado diagrama de elasticidad.
Si la muestra se carga nuevamente después de la descarga, se obtiene el diagrama de compresión secundario c. El diagrama de hinchamiento y el diagrama de compresión secundario c forman un bucle de histéresis entre ellos. En la arcilla, los bucles de histéresis son significativos y por tanto las deformaciones en la zona de hinchamiento y compresión secundaria (diagramas b y c) no se consideran elásticas, sino reversibles, ya que no son proporcionales a la carga según la ley de Hooke. Las deformaciones en la zona de compresión primaria (diagrama a) en la parte donde no regresaron son permanentes (irreversibles).
Módulo de compresibilidad del suelo
A partir del diagrama de compresión relativa obtenemos, según la ley de Hooke, de forma análoga al módulo de elasticidad de Jung E para un material elástico, el módulo de compresibilidad del suelo Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
donde Δσ es el incremento de carga, Δh/h es la compresión relativa correspondiente, que se toma del diagrama de compresión primaria a (fig. 2).
El módulo de compresibilidad del suelo Ms difiere del módulo de elasticidad E de un material elástico, porque Ms no es constante para un mismo material sino que es variable y aumenta con la carga normal σ. Por lo tanto, sólo se puede dar un valor específico del módulo de compresibilidad Ms para un intervalo estrecho de carga normal del suelo Δσ. Si el valor del módulo Ms es mayor, la compresibilidad del suelo es menor y viceversa. Según nuestra normativa de cimentaciones se adopta el siguiente criterio para el módulo de compresibilidad del suelo en su estado natural:
La clasificación siguiente es una transferencia del texto original, incluido el intervalo repetido 100-400 kp/cm2. No ha sido comprobado ni armonizado con la normativa vigente.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 suelo extremadamente compresible
Ms = 20 - 50 kp/cm2 suelo muy compresible
Ms = 50 - 100 kp/cm2 suelo medio compresible
Ms = 100 - 400 kp/cm2 suelo menos compresible
Ms = 100 - 400 kp/cm2 suelo ligeramente compresible
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 suelo ligeramente compresible
Ms > 1000 kp/cm2 suelo muy poco compresible.
Módulo de elasticidad del suelo
De la misma forma obtenemos el módulo de elasticidad del suelo E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
donde el incremento de compresión relativa Δh/h se toma del diagrama de elasticidad del suelo para el correspondiente incremento de presión normal Δσ.
Suelo normal consolidado y sobreconsolidado
Fig. 3. Diagrama de cambios en el coeficiente de porosidad de una muestra de suelo perturbado
Si realizamos una prueba de edómetro con una muestra perturbada, que introdujimos en el aparato en el límite elástico, y trazamos los resultados de la prueba en el diagrama del cambio en el coeficiente de porosidad e dependiendo de la presión σ (Fig. 3), el flujo de consolidación se representa mediante diagramas 1 para la carga primaria, 2 para descarga, 3 para la carga secundaria hasta el límite a de la extensión de carga primaria σa y 4 más allá de ese límite.
El diagrama de descarga 2 y el diagrama de compresión secundario 3 forman un bucle de histéresis detrás del cual el diagrama 4 continúa en la extensión del diagrama 1, sin interrupción, como si no hubiera descarga y recarga.
Fig. 4. Diagrama de cambio del coeficiente de porosidad de una muestra de suelo no perturbada
Sin embargo, si realizamos la prueba del edómetro de la misma manera que antes con una muestra intacta tomada de una cierta profundidad del suelo (fig. 4), el diagrama de carga secundaria 3 mostrará una ruptura σb en el punto b a una carga determinada, después de lo cual el diagrama 4 tendrá una pendiente mayor. Esta fractura se produjo porque el suelo del que se tomó la muestra estaba bajo una carga mayor p=γt que la carga de la muestra σ en el edómetro. La mayor carga p se origina por el peso de las capas superiores de suelo existentes sobre la superficie del terreno, lo que llamamos presión del suelo, o por la carga de las capas de suelo anteriores arrastradas con el tiempo por la erosión o por el suelo de morrena o el hielo, lo que llamamos precarga. La aparición de sobreconsolidación es particularmente característica de las arcillas, donde distinguimos entre arcillas normalmente consolidadas y arcillas sobreconsolidadas.
Arcilla normalmente consolidada
La arcilla normalmente consolidada se encuentra a profundidades menores debajo de la superficie del suelo, que anteriormente no estaba expuesta a la precarga. Una muestra de esta arcilla, cargada en el edómetro con cargas superiores al peso de las capas superiores de “presión del suelo”, muestra un flujo continuo de consolidación, sin rupturas en el diagrama de compresión relativa ni en el diagrama de cambio del coeficiente de porosidad. El asentamiento de esta arcilla bajo la carga del objeto es normal, es decir, bajo una determinada carga, el asentamiento disminuye con el tiempo.
Arcilla sobreconsolidada
La arcilla sobreconsolidada se encuentra a mayores profundidades o estuvo previamente expuesta a precarga. Una muestra de esta arcilla cargada en el edómetro con una presión mayor que la presión del suelo o precarga presenta una fractura en el diagrama de compresión relativa o en el diagrama de cambio del coeficiente de porosidad, el llamado. fractura geológica g, con fuerte cambio de dirección (fig. 5a). El asentamiento de esta arcilla debajo de la estructura es pequeño para cargas por debajo de la presión del suelo o precarga σ1, pero se vuelve significativamente mayor para cargas por encima de σ1.
Si la ruptura geológica no está claramente definida, entonces se determina usando tangentes al diagrama (fig. 5b).
Fig. 5. Diagrama de cambios en el coeficiente de porosidad de arcilla sobreconsolidada
Diagrama de liquidación de tiempos
Este diagrama, también llamado diagrama de consolidación, se obtiene cuando para cada grado de carga de la muestra en el edómetro se aplica al eje de abscisas el tiempo t en horas, y al eje de ordenadas se aplica el asentamiento en mm (fig. 6a) o en % del asentamiento total (fig. 6b).
Fig. 6. Diagrama de liquidación de tiempos
Los suelos no ligados y ligados se comportan de manera diferente bajo carga. Los suelos sueltos, como la arena, tienen poros grandes, de los cuales el agua se expulsa rápidamente bajo carga, de modo que el suelo se asienta rápidamente, produciéndose el mayor asentamiento al comienzo de la carga y alcanzando el asentamiento final con una carga determinada en un intervalo de tiempo relativamente corto. Los suelos cohesivos, como los arcillosos, tienen pequeños poros de los que es difícil exprimir el agua bajo carga. Hay dos fases en el proceso temporal de asentamiento del suelo compactado. En la primera fase, inmediatamente después de aplicar la carga al suelo, como el agua no puede salir de los poros, éste se estresa y recibe toda la carga aplicada. En la segunda etapa, el agua intersticial estresada comienza a salir por su propia fuerza debido a la carga, que se transfiere gradualmente a las partículas sólidas del suelo. En esta segunda fase, las partículas se juntan y los poros se contraen. El proceso de hundimiento continúa hasta que el agua a presión es expulsada de los poros, es decir, hasta que deja de existir el estado estresado del agua en los poros. Por lo tanto, la consolidación del suelo es principalmente un problema hidrodinámico, que depende de la permeabilidad y porosidad del suelo. En el caso de la arcilla, cuya permeabilidad es baja, el proceso de consolidación puede durar mucho tiempo y, además, los asentamientos pueden ser significativamente mayores debido a la mayor porosidad total que en el caso de la arena. Sobre la base de la prueba de consolidación, se puede calcular el curso temporal de la liquidación para toda la duración de la consolidación y en fases individuales.