Prueba del edómetro

Un ensayo edométrico es un tipo de investigación geotécnica que se realiza en ingeniería geotécnica para medir las propiedades de consolidación de un suelo . Los ensayos edométricos se llevan a cabo aplicando diferentes cargas a una muestra de suelo y midiendo su respuesta de deformación . Los resultados de estos ensayos se utilizan para predecir cómo se deformará un suelo en el campo ante un cambio en la tensión efectiva .

Los ensayos edométricos están diseñados para simular la deformación unidimensional y las condiciones de drenaje que experimentan los suelos en el campo. La muestra de suelo en un ensayo edométrico suele ser un disco circular con una relación diámetro-altura de aproximadamente 3:1. La muestra se sujeta en un anillo de confinamiento rígido, que impide su desplazamiento lateral , pero permite que se expanda o comprima verticalmente en respuesta a los cambios en la carga aplicada. Se aplican tensiones verticales conocidas a las caras superior e inferior de la muestra, generalmente mediante pesas libres y una palanca . Se varía la tensión vertical aplicada y se mide el cambio en el espesor de la muestra.

Para muestras saturadas de agua, se colocan piedras porosas en la parte superior e inferior para permitir el drenaje vertical, y la muestra se sumerge completamente en agua para evitar que se seque. Las muestras de suelo saturadas presentan el fenómeno de consolidación, mediante el cual el volumen del suelo cambia gradualmente, lo que produce una respuesta retardada a la variación de las tensiones de confinamiento aplicadas. Este proceso suele tardar minutos u horas en completarse en un edómetro, y se registra la variación del espesor de la muestra con el tiempo, lo que permite medir el coeficiente de consolidación y la permeabilidad del suelo.

La palabra oedometer ( / i ˈ d ɒ m ɪ t ər / ee- DO -mi-tər , a veces / oʊ ˈ d ɒ m ɪ t ər / oh- DO -mi-tər ) deriva del griego antiguo οἰδέω ( oidéō 'hincharse') y del sustantivo oídēma 'hinchazón', ^{[ 1 ]} que también se usa en inglés con el mismo significado, como oedema . ^{[ 2 ]}

Esto no debe confundirse con la palabra odómetro , de apariencia similar pero sin relación, derivada del griego antiguo ὁδός ( hodos 'camino'), que se refiere a un dispositivo para medir la distancia recorrida por un vehículo. ^{[ 3 ]}

Los primeros experimentos de consolidación fueron realizados en 1910 por Frontard. Se cortó una muestra delgada (de 5 cm de espesor y 35,5 cm de diámetro) y se colocó en un recipiente metálico con base perforada. Esta muestra se cargó gradualmente mediante un pistón, permitiendo que se alcanzara el equilibrio después de cada incremento. Para evitar que la arcilla se secara, el ensayo se realizó en una habitación con alta humedad. ^{[ 4 ]}

Karl von Terzaghi comenzó su investigación sobre la consolidación en 1919 en el Robert College de Estambul. ^{[ 4 ]} A través de estos experimentos, Terzaghi comenzó a desarrollar su teoría de la consolidación , que finalmente se publicó en 1923.

El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) desempeñó un papel clave en las primeras investigaciones sobre consolidación. Tanto Terzaghi como Arthur Casagrande pasaron un tiempo en el MIT: Terzaghi de 1925 a 1929 y Casagrande de 1926 a 1932. Durante ese tiempo, se mejoraron los métodos y aparatos de ensayo para la consolidación. ^{[ 5 ]} Las contribuciones de Casagrande a la técnica del ensayo edométrico incluyen el "método Casagrande" para estimar la presión de preconsolidación de una muestra de suelo natural. ^{[ 6 ]} Donald Taylor continuó la investigación en el MIT en la década de 1940. ^{[ 7 ]}

Tanto el British Standards Institute como el ASTM han estandarizado métodos de ensayo edométrico. ASTM D2435 / D2435M - 11 cubre el ensayo edométrico por carga incremental. ASTM D3877, ASTM D4546 y AASHTO T216 también proporcionan procedimientos relacionados para realizar otros ensayos similares para la determinación de las características de consolidación de los suelos. ^{[ 8 ]} BS 1377-5:1990 es la norma británica pertinente para el ensayo edométrico; la serie más amplia BS 1377 también proporciona información de base y consejos de buenas prácticas sobre la preparación de muestras para diversas investigaciones geotécnicas. ^{[ 9 ]} También existen dos normas ISO sobre ensayos edométricos: ISO 17892-5:2017 sobre ensayos edométricos de carga incremental; ^{[ 10 ]} y BS EN ISO 17892-11:2019 cubre varios métodos de ensayo de permeabilidad del suelo, incluidos los ensayos edométricos en muestras saturadas. ^{[ 11 ]}

Un edómetro se compone fundamentalmente de tres elementos: una "celda de consolidación" para contener la muestra de suelo, un mecanismo para aplicar una presión conocida sobre la muestra y un instrumento para medir los cambios en el espesor de la muestra. ^{[ 12 ]}

El equipo necesario para realizar una prueba de edómetro se denomina a veces "conjunto de prueba de edómetro". Un inventario típico de un laboratorio de edómetro incluye: ^{[ 13 ]}

• 1 x Banco
• 3 edómetros
• 3 celdas, ya sean de 50 mm, 63,5 mm o 75 mm.
• 3 indicadores de esfera, analógicos o digitales.
• 1 juego de pesas

La celda de consolidación es la parte del edómetro que contiene la muestra de suelo durante la prueba. En el centro de la celda de consolidación se encuentra un anillo de muestreo donde se sujeta la muestra de suelo. Este anillo suele tener forma de cortador de galletas , con un borde afilado en un lado, lo que permite cortar una porción de suelo de un bloque más grande de suelo natural. Dos láminas de piedra porosa, que encajan perfectamente en el anillo de muestreo, permiten el drenaje del agua a la muestra de suelo a la vez que la confinan mecánicamente. Todos estos componentes se alojan en un cilindro más grande, que presenta ranuras para asegurar la alineación de los componentes y proporciona suministro y drenaje de agua a la red de tuberías externa. Una tapa de carga rígida se coloca sobre la muestra de suelo para aplicar cargas de compresión. ^{[ 12 ] [ 14 ]}

El mecanismo de carga del edómetro aplica una carga de compresión conocida, y por lo tanto una tensión de compresión conocida dado que el diámetro es fijo, a la muestra de suelo. La mayoría de los edómetros logran esto con un brazo de palanca y un conjunto de pesas libres : las pesas libres proporcionan una carga gravitacional conocida, y el brazo de palanca multiplica y transmite la carga a la muestra de suelo. ^{[ 15 ]}

Existen numerosos ensayos edométricos que se utilizan para medir las propiedades de consolidación. El tipo más común es el ensayo de carga incremental (CI). ^{[ 16 ]}

Los ensayos edométricos proporcionan a los ingenieros datos muy útiles sobre el suelo que se está analizando.

Coeficiente de compresibilidad volumétrica

${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta e}{1+e_{0}}}{\frac {1}{\Delta \sigma _{v}^{'}}}}$derivado de la prueba del edómetro

${\displaystyle \Delta H=m_{v}{\sigma _{v}^{'}}H_{0}}$Aplicado a la capa en el campo (ver imágenes)

• Mecánica de suelos
• Estrés efectivo