ABORDAJE DIDÁCTICO DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE EXPERIMENTAL. PARTE I #EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS

in StemSocial10 months ago (edited)

Un fuerte abrazo a toda la comunidad científica de #StemSocial y al público en general que se desenvuelve en la blockchain de HIVE. Continuamos ahondando en ese interesante mundo de los suelos, enfatizando el hecho de que representan algo más de lo que pisamos. Es un placer para mí escribir sobre estos temas, así que sin más preámbulos bajo el lema de “educar más allá de los muros del aula” disfruta de esta publicación preparada con mucho cariño y esfuerzo.

INTRODUCCIÓN

Una preocupación que surge al momento de fundar una edificación, son los asentamientos que el suelo experimentará al recibir las cargas de la misma. El suelo y la estructura constituyen una especie de matrimonio, en el que una adecuada comunicación es importante para garantizar la vida útil de la edificación. Continuando con la metáfora del matrimonio, para una adecuada comunicación es importante el conocimiento que se tengan las partes; esto extrapolado a la temática que nos ocupa, enaltece el hecho de conocer al suelo donde vamos a fundar. Para este fin, son necesarias actividades experimentales tanto en un laboratorio como en campo que se engloban en el concepto de ensayos, los cuales están respaldados por normativas. En esta oportunidad comenzaremos con el estudio del fenómeno de consolidación unidimensional de los suelos desde un enfoque experimental, tomando como referencia la normativa ASTM D-2435 “método de prueba estándar para el estudio de la consolidación unidimensional de los suelos con carga incremental”.

Imagen N°01: una visión global de los contenidos a estudiar

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. Las tablas que se aprecian son obtenidas de la herramienta computacional Microsoft Excel.

En esta aventura que vamos emprender, dedicaré especial atención a la utilidad de las relaciones volumétricas y gravimétricas (relaciones peso-volumen), tema que en mi experiencia como docente he buscado siempre promover en mis estudiantes a través de desarrollar aplicaciones, y lo que veremos en este post es una muestra de ello.

DELIMITACIÓN DE LA TEMÁTICA A ESTUDIAR

Es importante si por primera vez abordas el fenómeno de consolidación unidimensional de los suelos la revisión de la referencia N°05 en la cual explico detalladamente los conceptos que lo rigen y que justifican delimitarnos a un suelo en particular como lo son las arcillas. A diferencia del trabajo realizado en las referencias N°05, N°06, y N°07 donde la rigurosidad matemática se hizo presente para comprender la ecuación diferencial que rige este fenómeno, vamos a enfocarnos ahora en un tratamiento práctico- experimental del cual di un abrebocas en la referencia N°07 al estimar la evolución de los asentamientos en el tiempo.

@eliaschess333 ¿Y en qué va a consistir ese tratamiento práctico-experimental?

En esta primera parte, por medio del uso de las relaciones peso-volumen deduciremos ecuaciones de gran utilidad en la rutina de un laboratorio de Mecánica de Suelos, que nos van a permitir construir la data a partir de la información que en esencia nos proporciona el consolidómetro (ver imagen N°01) es decir, lecturas del micrómetro a partir de cargas aplicadas. En ese sentido el objetivo general de esta publicación es: comprender la utilidad de las relaciones volumétricas-gravimétricas en el desarrollo del ensayo de consolidación unidimensional de los suelos. Los pasos para lograr esta meta están representados por los siguientes:

Objetivos Específicos:

1.- Estudiar las propiedades índices de la muestra de arcilla antes y después del ensayo de consolidación unidimensional de los suelos.

2.- Estudiar el proceso de obtención de la curva de compresibilidad del suelo.

3.- Aplicar los conocimientos a un caso de estudio.

Adicionalmente supondremos que se conocen ciertas propiedades índices de la muestra a ensayar, donde resalta la Gravedad Específica de los Sólidos “Gs”. En relación al segundo objetivo específico, nos limitaremos a estudiar las variables que permiten obtener la curva de compresibilidad, la comprensión de las partes de la misma formará parte de una futura publicación, donde entran en juego técnicas de corrección de la curva en cuestión. También escapa del alcance de este artículo ahondar en procedimientos de muestreo para obtener el espécimen de arcilla a ensayar. Este es un tema que gradualmente abordaré en futuras publicaciones, dado que abre las puertas a estudios como muestras remoldeadas vs. muestras inalteradas, técnicas de exploración del subsuelo, técnicas de compactación dinámica o estática en el proceso de obtención de una muestra remoldeada. Para los fines de este artículo, simplemente vamos a considerar que la muestra requiere un proceso de labrado para ser incluida en el anillo de consolidación, tal como se puede apreciar en el esquema conceptual de la imagen N°02. Procedamos con el desarrollo de cada uno de los objetivos específicos, los cuales constituyen los tópicos en los que se estructura esta publicación.

ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE LA MUESTRA DE ARCILLA, ANTES Y DESPUÉS DEL ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL DE LOS SUELOS

En el esquema conceptual de la imagen N°02 se aprecia la configuración de la muestra de arcilla, la cual adquiere una forma cilíndrica, donde son conocida tanto la altura “H” como el diámetro “D”. Esta altura variará para cada incremento de carga, pudiéndose considerar una altura inicial “Ho(comienzo del ensayo y que coincide con H) y una altura final “Hf(fin del ensayo) que evidencia deformaciones permanentes en la arcilla, dado que se obtiene de un proceso de descarga completa de la muestra y su magnitud es menor a “Ho”. Por su parte, el diámetro (D) de la muestra (diámetro del anillo) si es constante durante todo el proceso de duración del ensayo, por consiguiente el área “A” también.

Imagen N°02: dimensiones de la muestra de arcilla y su idealización en fases

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

La altura (H) de la muestra la podemos desglosar en atura de altura de vacíos “Hv” y altura de sólidos “Hs” siendo esta última constante. A continuación vamos a estudiar a través de la aplicación de relaciones peso-volumen como llegar a una expresión que permite calcular “Hs”. Partiendo del concepto de gravedad específica de los sólidos (Gs) se tiene:

Dónde:
Ws, es el peso de las partículas sólidas
Vs, es el volumen de la fase sólida
γw, es el peso específico del agua
γs, es el peso específico de los sólidos

El volumen de los sólidos puede ser expresado así:

Al sustituir esta ecuación en la N°01 obtenemos:

Procedemos a despejar la altura de los sólidos “Hs”:

Esta expresión nos será de gran ayuda en las deducciones que vamos a estar realizando a lo largo del artículo. En esta tónica de las propiedades índices del suelo, vamos a reflexionar sobre la determinación del contenido de agua (humedad). En ese sentido, tenemos que el peso de la muestra “Wm” es conocido y está constituido por "Wa", "Ww", "Ws", que hacen alusión a los pesos del aire, agua y sólido respectivamente. El peso del aire “Wa” es considerado como cero “0”. Para la obtención del peso del agua “Ww” y peso de los sólidos “Ws” procedemos según el ensayo de humedad natural de los suelos (norma ASTM-2216) donde en líneas generales la muestra es sometida al horno a una temperatura de 110 ± 5°C por un período de tiempo comprendido según la norma en cuestión entre 12 a 16 horas, no obstante en mi experiencia en laboratorio ese tiempo de secado oscilaba entre 18 a 24 horas; la idea fundamental es que en ese tiempo la muestra alcance un peso constante representado por “Ws” puesto que el agua higroscópica se habrá evaporado. Para la obtención de “Ww” simplemente restamos:

Por lo que para encontrar la humedad de la muestra (ω) aplicamos la siguiente relación:

En el desarrollo del ensayo de consolidación, ciertas propiedades índices variarán desde que se inicia el ensayo hasta que este finalice. Una de estas propiedades es la humedad, la cual se puede calcular fácilmente con la ecuación N°06, obteniendo por lo tanto una humedad inicial (ωo) y una humedad final (ωf), esta última referida a la humedad de la muestra luego del desmontaje del ensayo. Otra propiedad índice de importancia es el grado de saturación (S), para su obtención usamos la siguiente relación:

Dónde:
Vw, es el volumen del agua
Vv, es el volumen de vacíos

@eliaschess333 ¿pero cómo obtenemos esos volúmenes?

Es muy sencillo, puesto que el área (A) es constante; este hecho permite plantear las siguientes relaciones en las que “Hw” representa la altura del agua y “Hv” la altura de vacíos:

Sustituimos estas ecuaciones en la N°07:

Una vez que expresemos la saturación en términos de altura, vamos a encontrar “Hw” a partir de la humedad “ω”. Como estamos deduciendo la ecuación no voy a especificar un instante de tiempo (inicio o fin del ensayo). En este orden de ideas, de la ecuación N°06 se obtiene que el peso del agua “Ww” es:

En la rutina del laboratorio de Mecánica de Suelos el peso específico del agua se considera como “1 grf/cm3”. De igual manera es necesario plantear la relación teórica para obtenerlo:

Despejamos “Ww”:

Sustituimos la ecuación N°08 en la N°13:

De la ecuación N°01 obtenemos el peso de los sólidos “Ws”:

Sustituimos la ecuación N°02 en la N°15:

Las ecuaciones N°14 y N°16 las sustituimos en la ecuación N°11 de la siguiente manera:

Cancelando los términos semejantes a ambos lados de la igualdad obtenemos:

El términos resaltado en color verde es una constante de los suelos obtenida previamente a través de la normativa ASTM D-854, en una próxima publicación realizaré un abordaje didáctico de este ensayo, basado en mi experiencia en laboratorio. El término resaltado en color “naranja” lo obtenemos aplicando la ecuación N°04, y es una constante del ensayo dado que las partículas sólidas se consideran incompresibles.

Finalmente para encontrar el grado de saturación “S” falta hallar la altura de vacíos “Hv”, la cual varía en el transcurso del ensayo por los incrementos de carga, y que en líneas generales al igual que ocurre con la humedad podemos tener una altura de vacíos inicial “Hvo” y una altura de vacíos final “Hvf”. La primera de estas alturas es fácil de obtener, dado que la altura de la muestra “H” es conocida (coincide con la altura del anillo, la podemos denominar si queremos altura inicial “Ho”, ver imagen N°02) y simplemente hay que restarle la altura de los sólidos “Hs”:

Por lo que la saturación inicial viene dada por el cociente de las ecuaciones N°18 y N°19, contextualizando en la primera la humedad al valor inicial “ωo”:

La obtención de la saturación final “Sf” se rige por los mismos conceptos; la diferencia está es el proceso de obtención de la altura de vacíos final “Hvf”, aspecto en el cual voy a profundizar en el tópico concerniente a construcción de la curva de compresibilidad del suelo. Además existe una alternativa para encontrar la saturación a partir del concepto de peso específico de la muestra “γm”, el cual se puede obtener del cociente del peso de la muestra “Wm” que es conocido, y el volumen que esta ocupa, que corresponde al volumen del anillo y que conduce a la siguiente ecuación:

Simplemente si deseamos obtener la saturación inicial o final, se trabaja con la humedad para el caso que corresponda. En el video que sigue se explica la deducción de esta ecuación, y en el video N°02 se realiza un ejemplo con fines académicos y didácticos donde vamos a ver la aplicación de estas ecuaciones.

Video N°01: relaciones volumétricas gravimétricas. Deducción de una ecuación para la saturación

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

ESTUDIO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE LA CURVA DE COMPRESIBILIDAD DEL SUELO

La curva de compresibilidad del suelo es una gráfica en la que se representan en el eje de las abscisas los esfuerzos obtenidos según la ecuación N°22 ( ver imagen N°03) y en el eje de las ordenadas las oquedades “e”, conocida esta última también como relación de vacíos.

Imagen N°03: aspectos que intervienen en la elaboración de la curva de compresibilidad

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. El gráfico presentado fue elaborado con el programa Microsoft Excel.

La fórmula fundamental para “e” viene dada por:

Tal como se realizó anteriormente, resulta más conveniente trabajar en términos de altura (H), por lo que partiendo de las ecuaciones N°09 y N°02, la ecuación N°23 queda de la siguiente forma:

Esta ecuación nos permite obtener la relación de vacíos inicial “eo”, donde el término resaltado en color “rojo” para condiciones iniciales, se obtiene simplemente restando la altura de los sólidos “Hs” a la altura de la muestra “H” la cual coincide con la altura del anillo (ver imagen N°03). Por ejemplo:

Ahora bien, ese término resaltado en color “rojo” en la ecuación N°24 varía para los sucesivos aumentos o decrementos de carga; variaciones que en la imagen N°03 se representan por “ΔH”, las cuales se obtienen a partir de la lectura del micrómetro en milímetro “mm”, de allí a que sea trascendental la lectura al inicio del ensayo. Supongamos que la lectura del micrómetro en “mm” al inicio del ensayo es de “4.2”. Después de aplicar la carga por un período de un día (24 horas) tenemos una lectura de micrómetro en “mm” de “4.51”. La primera variación de altura “ΔH1” para “σ1” sería:

Entonces la oquedad para ese primer incremento de carga viene dada por:

Conviene recalcar que el término resaltado color “rojo” es constante para todo el ensayo dado que la parte sólida del suelo se considera incompresible. Procedemos a obtener “Hv1”:

Sustituimos en la ecuación N°30 para encontrar “e1” correspondiente a “σ1” :

De esa forma se va trabajando para los próximos “ΔH”, manteniendo en las ecuaciones N°29 , N°31 y N°32 la lectura del micrómetro inicial, la altura de vacíos inicial “Hvo” y la altura de sólidos “Hs” respectivamente. Por ejemplo, vamos a suponer que en el último incremento de carga la lectura del micrómetro en “mm” arroja “7.14”. Entonces el “ΔH” es:

La altura de vacíos viene dada por:

Por lo que la oquedad correspondiente al último incremento de carga es:

Finalmente, si detallamos la curva de compresibilidad mostrada en la imagen N°03, especialmente el tramo resaltado por el óvalo de color “amarillo”, se tiene que el ensayo de consolidación incluye un proceso de descarga. Para el cálculo de las oquedades “e” se procede de la misma manera detallada en los ejemplos anteriores, respetando los valores iniciales de lectura del micrómetro y altura de vacíos. En el tópico siguiente se afianzan estas ideas a través de la aplicación de los conocimientos a un caso de estudio.

APLICACIÓN DE LOS CONOCIMIENTOS A UN CASO DE ESTUDIO

El desarrollo de este tópico lo realizaremos a través del siguiente recurso audiovisual. Disfrútalo:

Video N°02: propiedades índices de la arcilla. Desarrollo de curva de compresibilidad

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

CONCLUSIONES

Los conocimientos básicos que adquirimos cuando nos adentramos en un estudio determinado, son la base para construir grandes edificaciones de conocimientos. En esta publicación hemos visto lo importante de las relaciones volumétricas-gravimétricas para la obtención de información valiosísima en el ensayo de consolidación de los suelos, desprendiéndose por lo tanto las siguientes conclusiones:

1.-Un suelo puede ser idealizado a través de fases, típicamente representadas por aire, agua y sólidos. Los primeros componentes representan los vacíos del suelo.

2.- En el proceso de consolidación los vacíos disminuyen por la aplicación sucesiva de cargas y la propiedad índice que permite representar este hecho es la oquedad.

3.- La aplicación de cargas sucesivas a la arcilla durante el ensayo, induce deformaciones permanentes, las cuales quedan evidenciadas al remover todas las cargas, y el suelo no recupera su altura inicial, por lo que su comportamiento está alejado del rango elástico.

4.- A cada oquedad “e” le corresponde un esfuerzo “σ”. Con esta información construimos la curva de compresibilidad del suelo.

5.- En el desarrollo del ensayo de consolidación gracias a la aplicación de relaciones volumétricas-gravimétricas podemos encontrar propiedades índices de mucho interés practico como el peso específico de la muestra “γm”, la humedad “ω” y el grado de saturación “S”.

6.- La curva de compresibilidad obtenida es base para determinar parámetros mecánicos de importancia para la comprensión del comportamiento de las arcillas ante cargas aplicadas y los asentamientos que esta va a experimentar en el tiempo. Así que nos queda mucho camino por recorrer en el estudio de la consolidación unidimensional de lo suelos desde un enfoque practico-experimental.

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@eliaschess333

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Excelente publicación las que nos presenta, realmente el suelo es un mundo muy desconocido para mucho de nosotros,, saludos

Esa es la idea estimado @felixrodriguez, promover una cultura geotécnica en la blockchain de HIVE bajo el lema: el suelo es algo más de lo que pisamos. Gracias por visitar mi blog. Saludos!

La consolidación unidimensional de suelos fue uno de mis temas favoritos durante mi paso por la materia Mecánica de Suelos II con el Prof. Naime. Yo aprendí más la parte teórica que la práctica, a este Prof. le encantan los métodos numéricos y la teoría, nos enseño a construir ábacos de Steinbreiner mediante Excel y calcular asentamientos con unas fórmulas que requieren iteración. Sin duda el estudio de la consolidación del suelo donde se fundará una estructura es de gran importancia, puesto que la interacción entre ambos es tal como lo mencionas: un matrimonio. Se destacan tus conocimientos teóricos y prácticos en esta área especial, que bueno ver contenido sobre Geotecnia en la blockchain. Saludos! @elisachess333

Estimado @acont escuché mucho del prof. Naime pero no lo conocí. Yo ví fundaciones con el maestro Benarroch, un grande. Y Suelos Avanzadado con Duilio Marcial. La UCV tiene mucho potencial, espero pronto regresar para culminar mi postgrado. Y como bien lo señalas, el tema de consolidación es un campo de mucho estudio. Voy a tomar nota de esos ábacos que mencionas para profundizar al respecto. Gracias por comentar. Saludos compañero!