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• Edison C Hilario

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DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE COLAPSO DE UN SUELO PARCIALMENTE SATURADO I.N.V. E – 157 – 07

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OBJETO 1.1

Este procedimiento de ensayo tiene por objeto determinar la magnitud del colapso unidimensional o edometrico que se produce en el momento cuando se inunda un suelo parcialmente saturado.

1.2

Este procedimiento se puede utilizar para determinar en un suelo, la magnitud del colapso (Índice de colapso) que se produce para un esfuerzo vertical (axial) determinado y el potencial porcentual de colapso.

1.3

En el método de ensayo se describen la técnica de preparación de la muestra, el equipo necesario, el procedimiento a seguir para cuantificar el cambio de altura que se produce en la muestra y la presentación de los resultados.

1.4

El método es aplicable tanto a muestras de suelo inalterado como remoldeado.

1.5

Los valores se deben expresar en unidades SI.

1.6

Esta norma no considera los problemas de seguridad asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplee establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y determinar la aplicación de limitaciones regulatorias antes de su empleo.

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DEFINICIONES 2.1

2.2

2.3

Colapso – Se define como la disminución de altura que experimenta una muestra de suelo en unas determinadas condiciones de estado (densidad y humedad), confinada lateralmente y sometida a un esfuerzo vertical constante, en el momento de ser inundada. Un suelo con susceptibilidad al colapso puede experimentar deformaciones verticales pequeñas bajo el efecto de esfuerzos verticales importantes, mientras su contenido en humedad sea bajo; sin embargo, puede sufrir asentamientos importantes a partir del momento de ser inundado, manteniéndose constante la presión vertical. Índice de colapso (Ie), porcentaje – Es el valor del colapso determinado, para un esfuerzo vertical de 200 kPa, como el porcentaje de disminución de altura que experimenta la muestra al ser inundada, una vez alcanza el equilibrio bajo la acción de la presión vertical a la cual esta siendo evaluada, con respecto a la altura de la probeta en el momento de proceder a la inundación. Ecuación (1) Potencial porcentual de colapso (Ic), porcentaje – Es el valor de colapso determinado, para una presión vertical cualquiera, como el porcentaje de disminución de altura que experimenta la probeta al ser inundada, una vez alcanzado el equilibrio bajo la acción

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de la presión vertical seleccionada, con respecto a la altura inicial de la probeta. Ecuación (1)

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RESUMEN DEL MÉTODO El método de ensayo consiste en colocar un espécimen de suelo con el contenido natural de humedad en un consolidómetro, aplicando una presión vertical predeterminada, después de experimentar el asentamiento bajo esa carga el espécimen se inunda con un fluido para inducir el potencial de colapso en el espécimen de suelo. El fluido debe ser agua destilada cuando se esté evaluando el índice de colapso, Ie. El fluido puede simular el agua de los poros del espécimen u otra condición de campo tal como sea necesaria cuando se este evaluando el potencial de colapso, Ic.

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USO Y SIGNIFICADO 4.1

Los suelos susceptibles al colapso se encuentran en cualquier parte del mundo. Tienen en el campo, típicamente, densidades y humedades naturales bajas. Los trabajos de ingeniería fundados sobre suelos susceptibles al colapso pueden dañarse de repente y a menudo inducen grandes asentamientos cuando estos son saturados después de la construcción. La predicción del potencial de colapso es importante para el diseño de muchas estructuras de ingeniería.

4.2

El potencial de colapso, Ic, se usa para estimar los asentamientos que pueden ocurrir en una capa de suelo en un sitio particular. Ic es determinado (ecuación de la Sección 9.1) aplicando al espécimen de suelo la presión vertical predeterminada y los fluidos que tiene la capa de suelo donde se tomo la muestra o sea las condiciones in situ. Los asentamientos de la capa de suelo para una presión vertical aplicada son obtenidos multiplicando Ic por H/100 donde H es el espesor de la capa de suelo.

4.2.1

Los procedimientos para estimar el potencial de colapso, Ic, son inciertos porque no se tiene un único criterio que se pueda aplicar a todos los suelos susceptibles al colapso. Por ejemplo, algunos suelos se pueden expandir después de que el fluido es añadido al espécimen hasta que la presión vertical aplicada haya sido suficiente para contrarrestar la expansión. El colapso puede ocurrir después de la aplicación de un esfuerzo adicional vertical. Este método puede ser usado para determinar el potencial de colapso, Ic, a presión vertical particular o el índice de colapso, Ie, con una presión aplicada de 200 kPa. El valor de Ic para una presión vertical más pequeña, se puede estimar asumiendo que el suelo con la carga menor aplicada no se expande después de inundado.

4.2.2

La cantidad de asentamiento depende de la magnitud del frente de humedecimiento y de la disponibilidad de agua, por lo que raramente puede ser pronosticado a priori el colapso.

4.3

El índice de colapso, Ie se usa para medir el índice básico de la propiedad del suelo.

4.3.1

En el índice de colapso, Ie, no se intenta reproducir ninguna condición particular de campo, ni la carga colocada a la estructura de suelo ni la química del agua de los poros. En este procedimiento se mantienen constantes las condiciones de prueba permitiendo

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la correlación directa de un aspecto del comportamiento del suelo entre los datos de organizaciones y los de investigaciones. 4.3.2

El valor de Ie es clasificado en la Tabla 1. Tabla 1 Clasificación del Índice de Colapso, Ie Grado del colapso Ninguno Ligero Moderado Moderadamente severo Severo

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Índice de colapso Ie, % 0 0.1 a 2.0 2.1 a 6.0 6.1 a 10 > 10

EQUIPO 5.1

El equipo de ensayo que se utilizará es el mismo que especifica la norma INV E – 151, “Consolidación unidimensional de los suelos”.

5.2

Para montar el ensayo se deberán utilizar piedras porosas previamente secadas al aire, con el de fin de evitar que la probeta pueda tomar agua por capilaridad antes de iniciarse el ensayo.

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PREPARACIÓN DEL ESPÉCIMEN 6.1

Las muestras que se montan en el ensayo pueden ser inalteradas, preparadas mediante tallado a partir de la muestra original inalterada, o bien remodeladas con una densidad y una humedad determinadas. En cualquier caso se deberá seguir las instrucciones de la norma INV E – 151, en todo lo que sea pertinente y que resulte aplicable a la toma, manejo y preparación de la muestra.

6.2

Se deben usar muestras relativamente inalteradas para determinar el potencial de colapso, I c. Puesto que los suelos susceptibles al colapso son sensitivos para métodos de muestreo usando fluidos, las muestras deben ser tomadas usando métodos secos. Resulta exitoso el método de muestreo en seco, incluyendo barreno de doble tubo y tallado a mano de bloques.

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CALIBRACIÓN Previamente a la preparación del ensayo, se debe montar el equipo edometrico y calibrarlo, según se indica la norma INV E – 151.

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PROCEDIMIENTO 8.1

Se deberá seguir el procedimiento de ensayo descrito en la norma INV E – 151, con las siguientes variaciones o cuidados particulares: E 157 - 3

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8.1.1

Comprobar que las piedras porosas están secas.

8.1.2

Una vez preparada la probeta en el interior del anillo edometrico del equipo, se determinará su masa inicial y altura, se ensambla en el aparato de carga el anillo con el espécimen, el papel filtro seco, si se usa, y piedras porosas secadas al aire. Se envuelven el espécimen, el anillo, el papel filtro, si lo hay, y las piedras porosas, tan pronto como sea posible, con una membrana de plástico floja, toalla de papel húmeda o lámina de aluminio para minimizar cambios en el contenido de humedad y en el volumen del espécimen a causa de la evaporación. Esta envoltura se puede retirar y descartar a la hora de la inundación del espécimen. Se aplica una presión de asentamiento o fijamiento, de por lo menos 5 kPa. Dentro de los 5 minutos, después de la aplicación de la carga de fijamiento, se ajusta el dispositivo extensiómetro de deformación para la lectura inicial o de cero. Esta es la lectura inicial do. A continuación, al espécimen montado con humedad natural (sin inundar) se le deberá aplicar la carga preestablecida por escalones de carga, uno cada hora, hasta alcanzar el valor del esfuerzo vertical para el que se desea conocer el colapso. Los incrementos de carga deben ser 12, 25, 50, 100, 200 kPa. Al transcurrir una hora, a partir de la colocación del último escalón se deberá anotar la lectura del medidor de deformaciones. Esta es la lectura di. Nota 1.- El intervalo de tiempo entre incrementos de presión se ha establecido en una hora para evitar que la perdida de humedad de la probeta pueda dar lugar a resultados erróneos.

8.2

La presión que va a ser aplicada al espécimen de suelos a priori a la inundación depende del plan que se tenga, determinar Ic o determinar Ie.

8.3

Se inunda la probeta con el fluido 1 hora después de aplicar la carga apropiada y después de registrar la lectura del dial de deformación, di. Se debe registrar lecturas de tiempo contra deformación axial a aproximadamente 0.1, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutos y 1, 2, 3, 8 y 24 horas o según la norma INV E – 151, para observar el comportamiento de la curva que se obtiene al graficar estas dos variables y poder determinar el equilibrio del proceso estudiado. Se debe esperar hasta que se equilibre el proceso de colapso o un tiempo mínimo de 24 horas y anotar la lectura del medidor de deformaciones. Esta es la lectura df. Nota 2.– En suelos con permeabilidad alta, el colapso puede ocurrir rápidamente y la medida del comportamiento del asentamiento con el tiempo se puede dificultar.

8.3.1

El fluido deberá ser agua destilada y desionizada para determinar Ie.

8.3.2

Se deberá usar un fluido adecuado para las condiciones de varios sitios o que anticipe los cambios en las características del agua freática, cuando se desee determinar Ic. Estos fluidos deben ser descritos en el informe.

8.4

Se añade el fluido permitiendo que únicamente se humedezca la base, para que el espécimen no atrape aire.

8.5

La duración del incremento de carga seguido a la inundación, debe ser de la noche o hasta que se produzca la consolidación primaria de acuerdo con el procedimiento de la norma INV E – 151.

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Para el proceso de aplicación de escalones de presión, se deberá seguir el mismo procedimiento descrito en la norma INV E – 151, hasta que la pendiente final de la curva esfuerzo deformación sea obtenida. Se debe dejar cada incremento la noche o hasta que la consolidación primaria haya sido completada. 8.6

9

Finalizado el proceso, se deberá desmontar el ensayo siguiendo de nuevo las indicaciones incluidas en la norma ya mencionada.

CÁLCULOS Se obtendrán los valores de índice de colapso y del potencial porcentual de colapso con la siguiente expresión: 9.1

Potencial de colapso (Ic):

( d f − di )  ( d f − d o ) ( di − d o )  − Ic =  × 100  × 100 = h h h o o o  

(1)

donde: do

= lectura en el deformímetro después de la carga de fijamiento en el momento en que se va a iniciar el ensayo, antes de aplicar el esfuerzo vertical predeterminsdo, en mm,

di

= lectura en el deformímetro correspondiente al equilibrio con el esfuerzo vertical predeterminado aplicado, antes de inundar, en mm,

df

= lectura en el deformímetro correspondiente al equilibrio con la presión vertical aplicada y después de inundar, en mm,

ho

= altura inicial de la probeta en mm,

(df - do)/ho

= deformación a causa del esfuerzo predeterminado después de la inundación, y

(di - do )/ho

= deformación a causa del esfuerzo predeterminado antes de la inundación.

La expresión se puede poner en función de la relación de vacíos:

Ic =

∆e ×100 1 + e0

donde: ∆e = variación de la relación de vacíos producida por la inundación, análogamente a la

ecuación anterior, y eo = relación de vacíos inicial, análogamente a la ecuación anterior. E 157 - 5

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También se puede expresar de la siguiente forma, puesto que el ensayo es conducido como prueba en una sola dirección

Ic =

∆h × 100 ho

donde: ∆h = cambio de altura del espécimen por inundación, mm, y

h o = altura inicial del espécimen, mm. 9.2

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Índice colapso (Ie) – Se calcula con la misma expresión del Ic, la diferencia radica en el procedimiento seguido, esfuerzo predeterminado y fluido utilizado.

INFORME 10.1

El informe deberá incluir los siguientes aspectos:

10.1.1 Datos de identificación y descripción de la muestra ensayada, indicando si la probeta es inalterada o remodelada. 10.1.2 Contenido de humedad inicial y final y densidad. 10.1.3 Dimensiones de la muestra ensayada. 10.1.4 Descripción del equipo utilizado 10.1.5 Esfuerzo vertical aplicado en el momento de inundar la probeta 10.1.6 Porcentaje de compresión o deformación del espécimen en cada esfuerzo vertical aplicado antes de la inundación. 10.2

Los datos deben ser dibujados, deformación versus logaritmo del esfuerzo aplicado. La relación de vacíos, puede ser usada en vez de la deformación, si la gravedad específica del suelo es determinada.

10.2.1 La Figura 1 es una ilustración de los resultados de una prueba para medir potencial de colapso, Ic, aplicando un esfuerzo predeterminado de 100 kPa, calculado de acuerdo con la ecuación (1):

I c = (9.6 − 1.5) = 8.1 Donde el punto C esta a 9.6% de deformación y B esta a 1.5% de deformación. El potencial de asentamiento de una capa de suelo de 3 m de alto puede ser determinado con el Ic, así:

I c × H / 100 = 8.1 × 3 / 100 = 0.24 m E 157 - 6

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10.2.2 El potencial de colapso puede ser estimada para un esfuerzo predeterminada menor de 100 kPa calculando la diferencia de deformación entre las determinadas en la curva de inundación y en la punteada para el esfuerzo predeterminado, por ejemplo para un esfuerzo predeterminado de 40 kPa el Ic, calculado con base en las deformaciones obtenidas de la Figura 1:

I c = (6.8 − 0.8) = 6.0 10.3

Todas las desviaciones de estos procedimientos incluyendo secuencias de carga especiales, preparación especial del espécimen, dimensiones especiales y fluido de inundación.

Figura 1. Ejemplo de una Curva de Compresión de la prueba de potencial de colapso

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NORMAS DE REFERENCIA ASTM

D 5333 – 92 (Reaprobada 1996)

NLT

254/99

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