4

3. Equipo y métodos de ensayo

3.1 Introducción

El ensayo edométrico convencional, basado en la teoría de la consolidación deTerzaghi, ha sido llevado a la práctica por los laboratorios durante cerca de 60 años sinmayores modificaciones y, sin duda, es uno de los ensayos de laboratorio más utilizado.El ensayo edométrico convencional consiste en aplicar unos escalones de cargasucesivamente crecientes a los que se somete la probeta hasta llegar a un máximo, apartir del cual se descarga de nuevo también escalonadamente. Para cada escalón decarga, al final de la consolidación, se obtiene la curva asiento-tiempo a partir de la cualse pueden obtener los parámetros del modelo teórico de consolidación unidimensionalcv (coeficiente de consolidación), Em (módulo edométrico) y k (permeabilidad).

Durante los años 1960 y 1970, numerosos investigadores proporcionaron variosmétodos alternativos, con el objetivo de reducir el tiempo de ensayo, entre un dia o dos,o incluso en varias horas. Estos son procedimientos que se basan en aplicar a la muestraun constante incremento en la tensión efectiva, a partir de unos procedimientos, que, enciertos casos, son distintos a los de incrementar la tensión total. Todos ellos dependende la presión de agua en la base de la muestra. A la vez que se desarrollaron estosmétodos, se vió la necesidad de contemplar estos casos con una extensión de la teoría deTerzaghi.

En la figura 3.1.1 se muestra un esquema del edómetro convencional y deledómetro con carga variable respectivamente.

- Suelo confinado lateralmente. - Suelo confinado lateralmente.- Drenaje 1-D en la cara superior e - Drenaje 1-D en la cara superior.inferior de la muestra. - Carga vertical variable en función- Carga vertical por escalones, ∆σ. del tiempo, σ(t).

- Medida de la presión intersticial uben la base de la muestra.

Figura 3.1.1 Esquema de los edómetros convencional y con carga variable.

ub

σσσσ(t)

H

Edómetrocon carga variable

muestra

∆∆∆∆σσσσ

H

EdómetroConvencional

muestra

5

Los ensayos edométricos con carga variable más usuales son:

- Controlled Gradient consolidation test (CG) desarrollado por Lowe et al. en 1969[2].Ensayo de consolidación de gradiente de presión de agua controlado durante todo elensayo.

- Constant Rate of Loading consolidation test (CRL) propuesto por Aboshi et al. en1971 [3].Ensayo de consolidación con velocidad de carga constante durante todo el ensayo.

- Constant Rate of Strain consolidation test (CRS) propuesto por Smith et al. en 1971[4]. Ensayo de consolidación con velocidad de deformación constante durante todo elensayo.

- Continuous Loading consolidation test (CL) propuesto por Janbu et al. en 1979 [5].Ensayo de consolidación en el cual la relación velocidad de carga/presión de porosse mantiene constante durante todo el ensayo.

En la figura 3.1.2 se muestra un esquema para cada uno de los ensayos con cargavariable que se han realizado en este trabajo en el cual se refleja la condición que seimpone en cada uno de ellos, donde ub es la presión intersticial en la base de la muestra,σv es la carga vertical aplicada y εv es la deformación vertical.

Figura 3.1.2 a) Ensayo CG; b) Ensayo CRL; c) Ensayo CRS.

En este trabajo y para el suelo de S. Sadurní d’Anoia se han reproducido losensayos CG, CRL, y CRS descritos en la revisión bibliográfica de la teoría de losensayos de consolidación continua del trabajo de Martín, 2002 [1]. A continuación sepresenta una breve descripción de las condiciones de cada ensayo y la formulaciónnecesaria para determinar los parámetros geomecánicos que se derivan de un ensayo deconsolidación unidimensional.

ub

t t

σv

t

εv

(a) (b) (c)

6

El proceso de consolidación bajo un incremento de carga externa está gobernadopor la ecuación de Terzaghi (1923-1925):

donde u: presión intersiticialt: tiempocv: coeficiente de consolidaciónz: profundidadσ: tensión verticalk: permeabilidadEm: módulo edométricoγw: peso específico del agua

La ecuación (1) se cumple asumiendo las hipótesis siguientes:

• Suelo homogeneo, isótropo y saturado.• Se consideran las partículas y el agua incompresibles.• Ley de Darcy válida ( k = cte).• Presión vertical uniforme.• Suelo confinado lateralmente (deformación 1-D).• Drenaje unidimensional (1-D).• Relación σ’ – e lineal.• La deformación es debida exclusivamente a cambios de tensión vertical

efectiva σ’.

Si se extiende la expresión de Terzaghi para cada tipo de ensayo (CRL, CG yCRS) y se imponen las condiciones de contorno adecuadas para cada uno de ellos sepuede obtener la velocidad de disipación de las presiones intersticiales y el parámetrocv.

3.1.1 Ensayo de consolidación de gradiente de presión de agua controladoCG

El procedimiento de ensayo y el método de análisis de los resultados estádescrito en Lowe et al., 1969 [2].

CG es un ensayo de consolidación con carga variable en el cual la presiónintersticial en la base impermeable de la muestra (ub) se mantiene constante durantetodo el ensayo. Por lo tanto, durante el ensayo CG ∂u/∂t=0. La distribución de ub, engeneral parabólica, dentro de la muestra también permanece constante. ub es unacondición de contorno que se selecciona adecuadamente antes de realizar el ensayo, ydebe ser tal que no supere el 50% de la presión total aplicada y no menor que unos0.007MPa. Reescribiendo la ecuación (1) y realizando algunas operaciones matemáticasse deriva la expresión del coeficiente de consolidación cv para un ensayo CG.

muestraladealturalaesHdonde)2(u2

Ht

cb

2

v∆σ∆≡

)1(Ek

c,tz

uctu

w

mv2

2

vγ×

=∂σ∂+

∂∂=

∂∂

7

El registro continuo de los datos (tiempo t, asiento, carga vertical σ y presión ub)permite obtener el valor de cv en cada incremento de tiempo.

3.1.2 Ensayo de consolidación con velocidad de carga CRL

El procedimiento de ensayo y el método de análisis de los resultados estádescrito en Aboshi et al., 1971 [3].

CRL es el ensayo de consolidación con carga variable que mantiene unavelocidad de carga constante durante todo el ensayo. Esto significa que ∂σ/∂t esconstante. La solución a la ecuación de Terzaghi es la distribución de la presiónintersticial en la base de la muestra impermeable, ub, bajo una carga vertical externa quevaria con el tiempo.

La expresión (3) es la solución simplificada de una serie de n términos para n=1.En este caso el cálculo de cv es un poco más complejo que en el ensayo anterior. Sedebe resolver una ecuación no lineal en la cual se tiene como datos ub y la velocidad decarga que se haya seleccionado para el ensayo en cuestión. Hay que destacar que paratiempos grandes, cuando se alcanza el estado estacionario, la expresión (3) se simplificamás aún dado que el valor de la exponencial es cero y tan solo queda el primer términode la ecuación:

Referente a la velocidad de carga, para velocidades de carga extremadamentealtas la presión intersticial en la base de la muestra puede llegar a ser tan grande que launiformidad de la tensión vertical efectiva no se mantiene dentro de la muestra. Por elcontrario, para velocidades de carga extremadamente bajas, aunque la uniformidad essatisfactoria, la relación ub /σ en la base impermeable es pequeña como para obtenerresultados con exactitud. Pero esto depende, naturalmente, de la exactitud con la que sedetermine la relación σ’ – cv.

3.1.3 Ensayo de consolidación con velocidad de deformación constante CRS

El procedimiento de ensayo y el método de análisis de los resultados estádescrito en Wissa et al., 1971 [4].

CRS es un ensayo de consolidación con carga variable que mantiene unavelocidad de deformación vertical constante durante todo el ensayo. La muestra se cargabajo una velocidad de deformación vertical, r, constante, y para cualquier instante detiempo la muestra se deforma verticalmente de tal manera que en superficie se observa

)3(H4

tc exp1tc

H16u 2

v2

3v

2

b

⋅

⋅⋅π−−∆σ∆

π⋅⋅≈

)4(tC

H16u 3v

2

b∆σ∆

π⋅⋅≈

8

un desplazamiento de rHt. La ecuación de consolidación, en términos de deformación,ε, es:

Realizando las operaciones matemáticas necesarias y aplicando las condicionesde contorno en la base y en la cara superior de la muestra convenientes, la solución de ladeformación para cualquier punto de la muestra y cualquier instante de tiempo t es:

El primer término del sumatorio representa la deformación media impuesta en elensayo (rt) y describe cual seria la deformación media en la muestra si la deformaciónfuese la misma en cualquier punto de la muestra. El segundo término se divide en dospartes; la primera, independiente del tiempo, representa la desviación respecto a ladeformación media en el caso estacionario. Esta desviación debe existir para que seproduzca el gradiente necesario que genera un flujo intersticial constante. Y la segunda,dependiente del tiempo, es la parte transitoria de la solución despreciable para Tv >0.5.

Así, en condiciones estacionarias, para Tv grandes, con una relación esfuerzo-deformación lineal, el coeficiente de consolidación es:

A priori, es díficil determinar la velocidad de deformación. Para velocidadesbajas, la presión intersticial en la base de la muestra es despreciable, con lo cual, esimposible calcular cv. Si se aplican velocidades muy elevadas se generan grandespresiones intersticiales en la base de la muestra y esta se ve sometida a un gradientehidráulico que no representa las hipótesis de partida. La velocidad óptima es aquella quepermite determinar una mejor relación e - log σ’. En la práctica, se ha observado que lasvelocidades que ofrecen mejores resultados son aquellas en las que se cumple que larelación ub/σ es del 2 al 5%.

mv

vwv2

2

vE1my

mkcdonde)5(

tzc =

⋅γ=

∂ε∂=

∂ε∂

( ) 2v

v1m

Tm222

2

v

2

Htc

Tdonde)6(em

Hzmcos

2Hz3

Hz62

61

crHrtt,z v

22

=

π

π−

+−+=ε ∑

∞

=

π−

)7(u2

Ht

cb

2

v∆σ∆=

9

3.2 Equipo utilizado y preparación de muestras

Los ensayos edométricos con carga variable requieren el registro de la cargavertical aplicada sobre la muestra, el desplazamiento vertical y la presión intersticial enla base de la muestra. La adquisición de estas lecturas se realiza mediante la conexiónde 4 unidades básicas que son, los transductores, un amplificador, una terminalanálogica (el Datalogger) y un PC. El amplificador registra la señal (en voltios)procedente de los transductores, la amplifica y la transmite a la terminal análogica. Laterminal analógica tiene dos funciones, la primera es transmitir la información de lostransductores al PC y la segunda es actuar de forma indirecta sobre el pistón, transmitela orden enviada por el PC al motor el cual está totalmente ligado al cilindro neumático.La comunicación entre el PC y la terminal analógica se realiza mediante un sistemabasado en el WOS (Workstation Operation System).

Para cada tipo de ensayo (CRL, CG y CRS) se realiza un programa que gobiernala variable correspondiente, bien sea la velocidad de carga, la presión intersticial en labase de la muestra o la velocidad de deformación. Estos programas se ejecutan desde elPC a través del sistema WOS y permiten visualizar en la pantalla los resultados atiempo real y guardarlos en un archivo para su posterior post-proceso.

Las figuras 3.2.1 y 3.2.2 muestran el equipo de consolidación con carga variabledonde se pueden observar las diferentes unidades de control y describe elfuncionamiento del ensayo.

Figura 3.2.1 Equipo de consolidación con carga variable.

PC

Motor

Cilindroneumático

Terminalanalógica

Amplificador

11

La preparación de la muestra se debe hacer con la máxima precaución intentandoque el procedimiento empleado sea lo más repetitivo y conduzca a muestras idénticas.Para cada ensayo se ha fabricado una muestra remoldeada con suelo de Sant Sadurníd’Anoia que pasa por el tamiz nº16 y con una humedad del 45% aproximadamente. Lamuestra edométrica es de un tamaño estándar (área de 19.63 cm2, altura de 2 cm) y estáconfinada lateralmente por un anillo de acero. El anillo con la muestra se introduce en lacélula edométrica y en la cara superior de la muestra se coloca la piedra porosa(saturada). Seguidamente, se ajusta el cuerpo lateral de cierre (collarín) que queda fijadopor tres tornillos. Y finalmente se coloca el pistón de carga que transmite la cargavertical a la muestra. Antes de realizar el ensayo aplicamos una carga de pre-consolidación de 0.05 MPa durante 24horas, se enrasa la muestra con la altura del anilloy se situa bajo el marco de carga.

La base de la célula es impermeable y tiene un pequeño orificio (diámetro,0.1cm) a través del cual se puede medir la presión intersticial en la cara inferior de lamuestra. A diferencia del ensayo edométrico convencional, el drenaje de la muestra serealiza en un único sentido ascendente por lo que la distancia que recorrerá el aguadesde la cara inferior será igual a la altura de la muestra (2 cm).

Para garantizar una distribución de la carga homogenea sobre la superficie de lamuestra se ha modificado el pistón de carga respecto el trabajo de referencia, Martín,2002 [1]. Se ha intentado mejorar el apoyo entre la célula de carga y el pistón de carga,y aumentar la estabilidad del sistema de medida en general (ver figura 3.2.4).

CÉLULA EDOMÉTRICA 1. Célula edométria2. Cuerpo lateral de cierre (collarín)3. Anillo edométrico4. Piedra porosa5. Pistón de carga6. Tornillos para fijar el collarín

Figura 3.2.3 Elementos que constituyen la célula edométrica.

1. Pistón de carga utilizada en el trabajo actual2. Pistón de carga utilizada en el trabajo de Martín, 2002 [1]

Figura 3.2.4 Pistones de carga.

12

3.3 Estudio de la estabilidad de los transductores

Tanto el transductor de desplazamientos (LVDT), como el transductor depresiones intersticiales, así como la célula de carga son equipos de medida eléctricosque permiten un registro continuo de los datos. Antes de utilizarlos es convenienteanalizar su estabilidad, es decir, debemos comprobar que no se producirán errores demedida a causa de una deriva temporal del transductor.

La idea es realizar medidas de los desplazamientos, presiones intersticiales ycarga vertical, por separado, y estando el equipo en reposo. De esta manera se puedeobservar el comportamiento de los transductores. Si el funcionamiento es correcto nodeben existir variaciones más allá de las originadas por el ruido estocástico. Por mediode un programa de recogida de datos se realiza medidas cada minuto y durante eltiempo impuesto de 24h. Dado que se estudia la estabilidad de cada transductor porseparado, se ha elegido el mismo canal de entrada a la terminal analógica, el canal 1.

Figura 3.3.1 Figura 3.3.2Transductor de desplazamientos (LVDT). Transductor de presiones intersticiales

conectado a la base de la célula edométrica.

Figura 3.3.3 Célula de carga.

13

Figura 3.3.4. Estabilidad del transductor de presiones intersticiales.

La figura 3.3.4 muestra una variación de la presión intersticial de 1 KPa. Estasoscilaciones son admisibles y no perjudican la futura interpretación de los datos. Eltransductor de presiones intersticiales se considera, por tanto, estable.

Figura 3.3.5. Estabilidad de la célula de carga.

35

36

37

38

0 4 8 12 16 20 24Tiem po (horas)

Lect

ura

Pres

ión

Inte

rstic

ial (

KPa

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50Tiempo (horas)

Lect

ura

Cél

ula

de c

arga

(KPa

)

14

Dado que en los ensayos la unidad de registro de los datos de la carga vertical esde tensión, se ha creido conveniente representar los valores de las lecturas de la célulade carga en KPa (para un área de 19.63 cm2). La variación, en valor absoluto, de laslecturas de la célula de carga, es de 2 a 3 KPa (ver figura 3.3.5), que está dentro delrango admisible. En consecuencia, la célula de carga se puede considerar estable.

Figura 3.3.6. Estabilidad del LVDT.

En la gráfica 3.3.6 se puede comprobar la estabilidad del transductor dedesplazamientos. La variación en valor absoluto de las lecturas es ≤ 6 micras. Por lotanto, se está dentro del rango de valores admisibles ( + 10 micras).

Llegados a este punto se puede considerar a las medidas libres de la derivatemporal.

25

30

35

40

45

0 4 8 12 16 20 24

Tiempo (horas)

Lect

ura

LVD

T (m

icra

s)

15

3.4 Calibración

El sistema de medida eléctrico del cual se dispone en este trabajo tiene la ventajade facilitar un registro continuo de los datos. Es necesario calibrar cada uno de losinstrumentos de medida, el transductor de desplazamientos, el transductor de presionesintersticiales y la célula de carga. Mediante la calibración se obtiene la relación entre laseñal de salida (∆voltaje) y la magnitud física de referencia (patrón). A esta relación sele denomina constante de calibración.

Para llevar a cabo la calibración se ejecuta un programa sencillo que permitaguardar las dos variables de estudio (voltaje de salida y magnitud física). Se utiliza lamisma unidad de amplificación que en los ensayos edométricos con carga variable. Acada transductor le corresponde un canal, el nº1 para el de desplazamientos, el nº3 parael de presiones intersticiales y la célula de carga está conectada al canal nº4.

3.4.1 Calibración del transductor de presiones intersticiales

La calibración del transductor de presiones intersticiales consiste en colocar enparalelo el comparador patrón de presión y el transductor, ver figura 3.4.1. Se siguendos trayectorias, una de carga hasta 0.8 MPa y otra de descarga hasta 0.

Figura 3.4.1 Calibración del transductor de presiones intersticiales.

Patrón depresión

Transductorde presionesintersticiales

16

Figura 3.4.2. Calibración del transductor de presiones intersticiales. Ajuste lineal de laslecturas de carga y descarga.

Figura 3.4.3. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

De la gráfica 3.4.3 se observa que existe una pérdida de la linealidad para losvalores iniciales de la carga, de la descarga y para algún punto intermedio en el cual elerror absoluto supera los 0.002 MPa. Descartando las lecturas de la gráfica 3.4.2, queprovocan estos errores, se obtiene una nueva recta de regresión y el error absoluto delnuevo conjunto de datos (ver figuras 3.4.4 y 3.4.5):

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Voltímetro (V)

Patro

n Pr

es.In

ters

t. (M

Pa)

DatosLineal (Datos)

-0.004

-0.002

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Patrón Pres.In terst. (MPa)

Erro

r abs

olut

o (M

Pa)

17

Figura 3.4.4. Calibración del transductor de presiones intersticiales. Ajuste lineal de las lecturasde carga y descarga.

Figura 3.4.5. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

La cota de error máximo entre el ajuste lineal y las lecturas tomadas es de0.001MPa (1 KPa) aproximadamente, ver figura 3.4.5, y se considera suficiente para eltransductor de presiones intersticiales. Asi, de la recta de regresión obtenida en la figura3.4.4, se determina la constante de la calibración la cual no es más que la constante de larecta:

KPres Interst = 9.41 (MPa/V)

y = 9.4124x - 0.0027

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10Voltímetro (V)

Patro

n Pr

es.In

ters

t. (M

Pa)

DatosLineal (Datos)

-0.002

-0.001

0.000

0.001

0.002

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Patrón Pres.Interst. (MPa)

Erro

r abs

olut

o (M

Pa)

18

3.4.2 Calibración de la célula de carga

Para calibrar la célula de carga se utiliza como patrón una bancada de edómetroconvencional en la que se ha substituido la célula edométrica por la célula de cargaobjeto de calibración, ver figura 3.4.6. Análogamente a la calibración anterior serealizan dos trayectorias, una de carga hasta 250kp, equivalente a 1.25 MPa para unamuestra de 20cm2 de área y otra de descarga hasta hasta el valor inicial (se utiliza laspesas habituales de los edómetros convencionales).

Figura 3.4.6 Calibración de la célula de carga.

Bancada deun edómetroconvencional

Célula de carga

19

Figura 3.4.7. Calibración de la célula de carga. Ajuste lineal de las lecturas de carga ydescarga.

Figura 3.4.8. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

Análogamente a la calibración anterior, se observa que hay una lectura delpatrón de carga, ver figura 3.4.7, que difiere notablemente del valor teórico, -0.0035MPa como se puede ver en la figura 3.4.8. Para realizar un mejor ajuste de lacalibración se desprecia este valor de la gráfica 3.4.7. La nueva relación MPa/V y ladistribución del error absoluto se presentan en las siguientes dos figuras (ver figuras3.4.9 y 3.4.10):

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20Voltímetro (V)

Patró

n ca

rga

(MPa

)

DatosLineal (Datos)

-0.0040

-0.0030

-0.0020

-0.0010

0.0000

0.0010

0.0020

0.0030

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Patrón carga (MPa)

Erro

r abs

olut

o (M

Pa)

20

Figura 3.4.9. Calibración de la célula de carga. Ajuste lineal de las lecturas de carga ydescarga.

Figura 3.4.10. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

La cota del error máximo, en valor absoluto es de 0.0012 MPa y se considerasuficiente para la célula de carga. La relación MPa/voltios que se obtiene de la figura3.4.9 es de 6.87 (MPa/voltio).

KCel.carga= 6.87 (MPa/V)

y = 6.866x - 0.004

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20Voltímetro (V)

Patró

n ca

rga

(MPa

)

DatosLineal (Datos)

-0.0015

-0.0010

-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Patrón carga (MPa)

Erro

r abs

olut

o (M

Pa)

21

3.4.3 Calibración del transductor de desplazamientos (LVDT)

La calibración del LVDT requiere un voltímetro de precisión y un comparadorpatrón, ver figura 3.4.11. Se somete el vástago del LVDT a una serie dedesplazamientos (una serie de incrementos y otra de disminución) de forma indirecta através del comparador, y el voltaje de salida lo recogemos en un archivo de resultadospara su posterior post-proceso.

Figura 3.4.11 Calibración del transductor de desplazamientos (LVDT).

Comparador

LVDT

22

Figura 3.4.12. Calibración del transductor de desplazamientos. Ajuste lineal de las lecturas deincremento y de disminución.

Figura 3.4.13. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Voltímetro (V)

Patró

n de

spla

zam

ient

o (m

icra

s)

DatosLineal (Datos)

-40-30-20-10

010203040506070

0 5000 10000 15000 20000

Patrón desplazamientos (micras)

Erro

r abs

olut

o (m

icra

s)

23

De la figura 3.4.12 se puede deducir que el cero eléctrico del LVDT está situadoalrededor del valor 12.327 micras y la linealidad se encuentra dentro del rango dondelos errores absolutos son más pequeños (ver figura 3.4.13). Por lo tanto, a la hora derealizar los ensayos es conveniente ajustar el vástago del LVDT de manera que lasmedidas se realicen dentro del rango donde los errores son más pequeños. Despreciandoel rango donde los errores absolutos son superiores a 10 micras, la relaciónmicras/voltios es la que se muestra en la figura 3.4.14, y la nueva gráfica de erroresabsolutos entre la recta de regresión y las lecturas reales es la figura 3.4.15:

Figura 3.4.14. Corrección de la calibración del transductor de desplazamientos. Ajuste lineal delas lecturas de incremento y de disminución.

Figura 3.4.15. Error absoluto entre la recta de regresión y las lecturas reales.

La constante de calibración del transductor de desplazamientos es K=4967.1(micras/voltios). KLVDT= 4967.1 ( µm /V)

y = -4967.1x + 12327.3R2 = 1.0

90001000011000120001300014000150001600017000

-1 -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75Voltímetro (V)

Patró

n de

spla

zam

ient

o(m

icra

s)

-15

-10

-5

0

5

10

0 5000 10000 15000 20000

Patrón desplazamientos (micras)

Erro

r abs

olut

o (m

icra

s)

24

3.5 Puesta en marcha del equipo. Ensayo CRL sobre el suelo delllano de Barcelona

3.5.1 Introducción

Con tal de poner en marcha el equipo, se ha reproducido el ensayo CRL sobre elsuelo del llano de Barcelona en el que se obtuvieron los mejores resultados en el trabajode referencia Martín, 2002 [1]. La finalidad de este apartado es evaluar, desde un puntode vista cuantitativo, el resultado del ensayo actual y comprobar que los parámetros deconsolidación obtenidos son del orden de los hallados en el ensayo de referencia. Laconexión entre ambos trabajos reside en la comparación entre los dos ensayos, que a suvez da paso al inicio del trabajo actual.

Se ha elaborado una muestra de suelo bajo las mismas condiciones de referencia,con una humedad inicial aproximada del 35% (wl=30.5) y una presión depreconsolidación de 0.05MPa. La tabla 3.5.1 recoge las condiciones iniciales del ensayode referencia y del ensayo actual. Cabe destacar que w0 es el valor de la humedad de lamuestra después de la fase de preconsolidación y justo antes de realizar el ensayo.

Tabla 3.5.1. Condiciones iniciales del ensayo CRL_CNORD.

Nombre del ensayo CRL_CNORD 2

Duración (horas) 4 4

Pc' (MPa) 0.05 0.05

w0(%) 22.7 23.7

e0 0.67 0.63

γγγγd0 (kN/m3) 15.9 16.3

Trabajo actual Trabajo de referencia Martín, 2002 [1]

Velocidad de carga (MPa/hora) 0.15 0.15

25

3.5.2 Resultados

El equipo utilizado registra automáticamente el asiento producido en la muestra,la presión intersticial en la base impermeable y la carga vertical en cualquier instante detiempo t. La medida directa de la presión intersticial en función del tiempo se puedeobservar en la figura 3.5.1. Y en la figura 3.5.2 se muestra la deformación de la muestradurante el ensayo que no es más que el cociente del desplazamiento vertical (medidadirecta) entre la altura inicial de la muestra.

Figura 3.5.1. Evolución de la presión intersticial durante el ensayo CRL_CNORD.

Durante el ensayo, la carga aplicada es absorvida por el agua intersticial y segeneran unas presiones ub en la base de la muestra que, en un principio, aumentanrápidamente y de forma más o menos lineal (ver figura 3.5.1). ub alcanza un valormáximo a partir del cual la carga aplicada ya deja de tener influencia en el aumento dela presión intersticial, y esta comienza a disiparse. El aumento de la presión intersticialse produce con una cierta regularidad, pero la disipación de ub presenta algunos cambiosbruscos, aunque con tendencia clara a la situación estacionaria. Si se observa la figura3.5.2, se puede apreciar que los incrementos de deformación mayores coinciden con elincremento rápido de ub. En el momento que las presiones intersticiales se disipan elcambio volumétrico del suelo se produce más lentamente.

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 1 2 3 4Tiempo (horas)

Pres

ión

Inte

rstic

ial u

b (M

Pa)

26

Figura 3.5.2 Evolución de la deformación durante el ensayo CRL_CNORD.

La deformación de la muestra durante el ensayo también se puede representar através de la variación del índice de poros e. La relación entre el índice de poros (o ladeformación) y la tensión vertical efectiva pone de manifiesto la historia de esfuerzosdel suelo, y en este caso se ve claramente que el suelo tiene un cambio decomportamiento para σ’ = 0.05 MPa (ver figura 3.5.3), coincidiendo así con la presiónde preconsolidación aplicada sobre la muestra antes de realizar el ensayo.

Figura 3.5.3. Relación entre el índice de poros y la tensión vertical efectiva en escalalogarítmica. Ensayo CRL_CNORD.

0.4

0.5

0.6

0.70.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

σ' (MPa)

Índi

ce d

e po

ros

e

Pc'

00.020.040.060.080.1

0.120.140.16

0 1 2 3 4

Tiempo (horas)

Def

orm

ació

n

27

Uno de los parámetros de la consolidación unidimensional es el móduloedométrico, Em. Se define como la derivada de la tensión vertical efectiva respecto de ladeformación. La variación de Em (ver figura 3.5.4), durante el ensayo, es lógica ya quea medida que aumenta la carga, el índice de poros disminuye, el suelo es menoscompresible y Em aumenta, con lo cual el suelo es cada vez más rígido.

Figura 3.5.4. Variación del módulo edométrico respecto de la tensión efectiva verticaldurante el ensayo CRL_CNORD.

Otro parámetro de la consolidación 1-D es el coeficiente de consolidación cv. Elcálculo de cv se realiza para cada punto de la figura 3.5.1 y aplicando la exprexión (4),según la teoría de Aboshi et al [3]. El resultado se muestra en la figura 3.5.5.

Figura 3.5.5. Evolución del coeficiente de consolidación respecto de la tensiónefectiva vertical durante el ensayo CRL_CNORD.

0

5

10

15

20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1σ' (MPa)

Mód

ulo

edom

étric

o E m

(MPa

)

Pc'

0

2

4

6

8

10

12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

σ' (MPa)

cv (

10-3

cm2 /s

)

Pc'

28

La expresión (4) del apartado 3.1.2 ofrece buenos resultados para tiemposgrandes, es decir, en condiciones aproximadamente estacionarias. Para presionesintersticiales bajas, el cálculo de cv resulta difícil y puede carecer de sentido físico. Lasconclusiones se centran básicamente en los valores de cv en condiciones estacionarias.Así, cv tiende a un valor de 3 10-3 cm2/s (ver figura 3.5.5).

Por último, según la expresión (1) del apartado 3.1. se puede relacionar elmódulo edométrico Em y el coeficiente de consolidación cv para obtener la variación dela permeabilidad k (ver figura 3.5.6.).

Figura 3.5.6. Variación de la permeabilidad respecto de la tensión efectiva verticaldurante el ensayo CRL_CNORD.

Tal como sucede con el coeficiente de consolidación cv, el valor de lapermeabilidad obtenido para pequeñas cargas no es muy realista lo que conlleva aanalizar la tendencia del parámetro para cargas mayores que, obviamente, secorresponden con tiempos mayores. Como se muestra en la figura 3.5.6 lapermeabilidad del suelo del llano de Barcelona tiende a 2 10-8 cm/s.

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

σ' (MPa)

Perm

eabi

lidad

k (c

m/s

)

29

Para este ensayo en particular no se va a hacer émfasis en las posiblesinestabilidades del ensayo, ni en los cambios bruscos de algunas variables porque, paraeste suelo en particular, ya existen datos anteriores (Martín, 2002 [1]). Sin embargo, esinteresante realizar una tabla comparativa entre los resultados del ensayo CRL sobre elsuelo del llano de Barcelona del trabajo de referencia y los resultados del presentetrabajo.

Tabla 3.5.2. Comparación entre los resultados del presente trabajo y el trabajo de referenciaMartín, 2002 [1] .

Los resultados de ambos trabajos ponen de manifiesto que los parámetros de laconsolidación Em, cv y k son del mismo orden. Tan solo existe dispersión en los valoreshallados de la presión intersticial ub máxima. En el caso del trabajo de Martín, 2002 [1],ub aumenta hasta 0.08 MPa y a continuación empieza a disiparse hasta alcanzar un valorde 0.037 MPa aproximadamente [1]. En cambio en la figura 3.5.1 de este trabajo elvalor máximo que alcanza ub es de 0.035 MPa y seguidamente disminuye máslentamente y se estabiliza entorno a 0.027 MPa. Así, dentro de la dispersión existente, amedida que avanzan ambos ensayos los valores de ub tienden a converger. Esto haceque los resultados de los parámetros de la consolidación sean bastante similares paratiempos grandes, o lo que es lo mismo para σ’ grandes, como es el caso mostrado en latabla 3.5.2.

ub máx 0.035 M Pa 0.08 M Pa

ε máx 0.14 0.14

Em/σ ' 23 25

cv (σ ' = 0.6 M Pa) 3 10-3 cm2/s 2 10-3 cm2/s

k (σ ' = 0.6 M Pa) 2 10-8 cm/s 1.6 10-8 cm/s

Variable/Parámetro Valores del presente trabajo

Valores de referencia (M artin, 2002)

30

3.6 Plan de ensayos

Una vez puesto a punto el equipo y se ha comprobado la concordancia entre losresultados de ambos trabajos, se está en condiciones de iniciar la serie de ensayosprogramados:

Sobre el suelo de S. Sadurní d’Anoia (suelo más plástico que el llano de Barcelona):

- Edómetro convencional con lectura automática de los desplazamientos yaplicación de la carga vertical mediante un cilindro neumático. La finalidad deeste ensayo es caracterizar las propiedades del suelo siguiendo el procedimientoclásico.

- Edómetro con carga variable. Ensayos CRL, CG y CRS. El objetivo general esexplorar las ventajas e inconvenientes de estos tres métodos de ensayos deconsolidación con carga variable y elegir uno de ellos para aplicarlo sobre labentonita FEBEX.

Sobre la bentonita FEBEX (arcilla expansiva de baja permeabilidad):

- Ensayo CRL. La finalidad de este ensayo es obtener la permeabilidad de labentonita y su variación con el índice de poros, y contrastarla con los resultadosobtenidos en diversos ensayos de permeabilidad cuya duración es la de un mescomo mínimo para cada ensayo.