FULL REPORT consolidation.docx

35
TITLE : CONSOLIDATION TEST 1.0 INTRODUCTION Consolidation is a process by which soils decrease in volume. According to Karl Terzaghi consolidation is any process which involves decrease in water content of a saturated soil without replacement of water by air. In general it is the process in which reduction in volume takes place by expulsion of water under long term static loads. It occurs when stress is applied to a soil that causes the soil particles to pack together more tightly, therefore reducing its bulk volume. When this occurs in a soil that is saturated with water, water will be squeezed out of the soil. The magnitude of consolidation can be predicted by many different methods. In the Classical Method, developed by Karl von Terzaghi, soils are tested with an odometer test to determine their compression index. This can be used to predict the amount of consolidation. When stress is removed from a consolidated soil, the soil will rebound, regaining some of the volume it had lost in the consolidation process. If the stress is reapplied, the soil will consolidate again along a recompression curve, defined by the recompression index. The soil which had its

description

report

Transcript of FULL REPORT consolidation.docx

TITLE : CONSOLIDATION TEST

1.0 INTRODUCTION

Consolidation is   a   process   by   which soils decrease   in volume.   According   to   Karl 

Terzaghi consolidation  is  any process  which  involves  decrease   in  water  content  of  a 

saturated soil without replacement of water by air. In general it is the process in which 

reduction in volume takes place by expulsion of water under long term static loads. It 

occurs when  stress is applied to a soil that causes the soil particles to pack together 

more  tightly,   therefore   reducing   its  bulk  volume.  When  this  occurs   in  a   soil   that   is 

saturated  with   water,   water   will   be   squeezed   out   of   the   soil.   The  magnitude   of 

consolidation can be predicted by many different methods.   In the Classical  Method, 

developed by Karl  von Terzaghi,  soils  are tested with an odometer  test to determine 

their compression index. This can be used to predict the amount of consolidation.

When stress is removed from a consolidated soil, the soil will rebound, regaining some 

of the volume it had lost in the consolidation process. If the stress is reapplied, the soil 

will consolidate again along a recompression curve, defined by the recompression index. 

The soil which had its load removed is considered to be over consolidated. This is the 

case for soils which have previously had glaciers on them. The highest stress that it has 

been subjected to is termed the preconsolidation stress. The over consolidation ratio or 

OCR is defined as the highest stress experienced divided by the current stress. A soil 

which is currently experiencing its highest stress is said to be normally consolidated and 

to have an OCR of one. A soil could be considered under consolidated immediately after 

a   new   load   is   applied   but   before   the   excess pore  water   pressure has   had  time   to 

dissipate.

Consolidation is defined as the reduction of the volume of a soil due to the expulsion of 

water. This will be accompanied by the dissipation of pore water pressures. A laboratory 

consolidation   test   is   performed   on   an   undisturbed   sample   of   a   cohesive   soil   to 

determine   its   compressibility   characteristics.   The   soil   sample   is   assumed   to   be 

representing a soil layer in the ground. A conventional consolidation test is conducted 

over a number of load increments. The number of load increments should cover the 

stress range from the initial stress state of the soil to the final stress state the soil layer 

is   expected   to   experience   due   to   the   proposed   construction.   Increments   in   a 

conventional consolidation test are generally of 24 hr duration and the load is doubled 

in   the   successive   increment.   In   this   practical   class   one   load   increment   of   a  multi 

increment consolidation test is conducted and the data will be analysis to obtain the 

compressibility characteristics of the soil.

The compressibility characteristics of the soil are;

(a). Parameters needed to estimate the amount of consolidation settlement

(b). Parameters needed to estimate the rate of consolidation settlement in the field.

Using the data from a single load increment of the test, only the coefficient of volume 

compressibility  mv   can  be  estimated.  Data   from all   the   load   increments   should  be 

combined to draw the e vs log σ graph and to obtain the compression index Cc - the 

other   parameter   used   to   estimate   the   consolidation   settlement.   The   rate   of 

consolidation settlement   is  estimated using   the  Coefficient  of   consolidation Cv.  This 

parameter   is   determined   for   each   load   increment   in   the   test.   In   this   laboratory 

assignment, the coefficient of consolidation should be estimated using two methods - 

the   root  time method   (Taylor's  method)  and   the   log   (time)  method   -  Casagrande's 

method. 

2.0 OBJECTIVE

To determine the consolidation characteristics of soils of low permeability

3.0 THEORY

When a fully saturated soil   is subjected to a compressive stress,  its volume tends to decrease. The decreasing of its volume is due to compression of the solid grains and escape of water from the voids. In a free drainage soil such as saturated sand the escape of water can take place rapidly. But in clay, due to low permeability, the movement of water occurs very much slowly and therefore, considerable time may be required for excess water to be squeezed out to permeable boundaries. 

Settlement is the direct result of the decrease in soil volume and consolidation is the rate of volume decrease with time. The consolidation test is use to estimate the amount of settlement and time of consolidation. From this test some consolidation parameters such   as   coefficient   of   consolidation   (cv),   coefficient   of   volume   compressibility   (mv), compression index (Cc), preconsolidation pressure (Pc) can be determined.

There are two methods for determining the coefficient of consolidation:

(i) Casagrande or log (time) or 50% consolidation(ii) Taylor or √ time or 90% consolidation

The coefficient of consolidation can be determined by this equation,

cv=T vH

2

t      

Where, 

cv = coefficient of consolidation (m2/year)

Tv = Time factor

H  = Maximum length of drainage path (m)

t = Time to achieve 50% or 90% consolidation (year or minute)

Figure : Settlement versus log Time

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Square Root Time (minute)

Set

tlem

ent

(mm

)

x

1.15x

√t90

12

Figure : Settlement versus square root time

4.0 TEST EQUIPMENTS

1.  Consolidation apparatus

      - Consolidation ring

      - Corrossion-resistant porous plate

      - Consolidation cell

      - Dial Gauge

      - Loading device

      

2.  Balance readable to 0.1g

3.  Vernier caliper

4.  Stop-clock readable to 1 s    

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.1 1 10 100 1000 10000

Time (minute)

Set

tlem

ent

(mm

)

100% consolidation line

A

B = 4A

δδ

0% consolidation line

50% consolidation line

t50

5.0 PROCEDURES

1. The internal diameter (D) and the height of the ring was measured by using internal vernier calipers.

2. The ring was weighed to the nearest 0.01g (mR).3. The specimen was cut and was trim into ring.4. The initial moisture content from trimming soil are determined.5. The weight of ring and specimen (m1) are determined.6. The mass of bulk specimen (m) to the nearest 0.01 g was determined using this 

equation

                                     m = m1 – mR

7. The consolidation ring and specimen (cutting edge uppermost) was placed centrally on the porous disc.

8. Fit the ring retainer and cell body was fitted and then the upper porous disc was placed centrally on top of the specimen. 

9. The consolidation cell was placed centrally in position on the platform of the machine base.

10. The end of the beam are lifted to allow the loading yoke to be raised to the vertical position and the loading stem was adjusted by screwing it downwards until the end engages closely in the recess on the top of the loading cap

11. The compression dial gauge was attached to the arm on the support post.12. Weight (2.5 kg) was added carefully to the load hanger13. Water was added at room temperature to the cell and make sure that the 

specimen and upper porous disc are completely submerged. 14. Wind down the beam support and at the same time start the clock. 15. The compression gauge readings and the clock was observed, and the readings 

was recorded on a consolidation test form at the selected time intervals.16. The readings of the compression against time to a logarithmic scale and against 

square-root-time are plotted.

7.0 RESULTS AND CALCULATION

Date started: 17/2/2011 Sample No: 1

Soil Type: Clay Load: 2.5kg / 50kN/m2

BEFORE TEST

Moisture content for trimming : 60.76 % S.G (Assumed) : 2.7

Weight of ring: 121.0 g Diameter of ring: 75.0 mm

Weight of sample + ring: 265.7 g Area of ring: 4417mm2

Weight of sample: 144.7 g Thickness of ring: 16 mm

Weight of dry sample: 102.6 g Volume of ring : 70672 mm3

Weight of initial moisture: 42.1 g Density, p : 2.05 Mg/m3

Dry density d:  1.45 Mg/m3

Initial void ratio,  Gs  -1      =    0.862

                              d

SETTLEMENT READINGS

Elapsed Time

Time (min)

√time

Clock

time

(pm)

Gauge

Reading

Cumulative Compression Hr Min Sec

0 0 0 12.00 0 0

10 0.17 0.41 112 0.22

20 0.33 0.57 120 0.24

30 0.50 0.71 280 0.56

40 0.67 0.82 285 0.57

50 0.83 0.91 300 0.60

1 1 1 12.11 325 0.65

2 2 1.41 12.12 380 0.76

4 4 2 12.14 440 0.88

8 8 2.83 12.18 464 0.92

15 15 3.87 12.25 580 1.16

30 30 5.48 12.40 716 1.43

1 60 7.75 1.10 780 1.56

CALCULATION

Weight of sample = Weight of sample + ring - Weight of ring

                    = 265.7g – 121.0g

        = 144.7g

Weight of initial moisture = Weight of sample - Weight of dry sample

         = 144.7g – 102.6 g

         = 42.1 g

Initial moisture contents = Weight of initial moisture / Weight of dry sample

                                            =   42.1/102.6

            =   0,41 x 100%

        =   41%

Area of ring = πD2/4

           = π (75.0) 2/4

           = 4417 mm   2  

Volume of ring = Area of ring x Thickness of ring

                           = 4417 x 16

                          = 70672 mm   3  

Density,  = Weight of sample (ring) 

                           Volume of ring

                  = 144.7 x 10    -6  (Mg)                  

                       70672 x 10 -9(m3)

= 2.05 (Mg/m   3  )  

Dry density, d        = Weight of dry sample 

                                     Volume of ring

                              =     102.6 x 10    -6  (Mg)          

                              70672 x 10 -9 (m3)

= 1.45 (Mg/m   3  )  

Date started: 17/2/2011 Sample No: 2

Soil Type: Clay Load: 5.0 kg / 100 kN/m2

BEFORE TEST

Moisture content for trimming : 60.76 % S.G (Assumed) : 2.7

Weight of ring: 108.6 g Diameter of ring: 75.0 mm

Weight of sample + ring: 254.0 g Area of ring: 4417mm2

Weight of sample: 145.4 g Thickness of ring: 16 mm

Weight of dry sample: 109.2 g Volume of ring : 70672 mm3

Weight of initial moisture: 36.2 g Density, p : 2.06 Mg/m3

Dry density d:  1.55 Mg/m3

Initial void ratio,  Gs  -1      =    0.742

                              d

SETTLEMENT READINGS

Elapsed Time

Time (min)

√time

Clock

time

(pm)

Gauge

Reading

Cumulative Compression Hr Min Sec

0 0 0 12.15 0 0

10 0.17 0.41 185 0.37

20 0.33 0.57 220 0.44

30 0.50 0.71 240 0.48

40 0.67 0.82 245 0.49

50 0.83 0.91 275 0.55

1 1 1 12.16 285 0.57

2 2 1.41 12.17 315 0.63

4 4 2 12.19 403 0.806

8 8 2.83 12.22 521 1.042

15 15 3.87 12.30 656 1.312

30 30 5.48 12.45 666 1.332

1 60 7.75 1.15 682 1.364

CALCULATION

Weight of sample = Weight of sample + ring - Weight of ring

                    = 254.0g – 108.6g

        = 145.4 g

Weight of initial moisture = Weight of sample - Weight of dry sample

         = 145.4 g – 109.2 g

         = 36.2 g

Initial moisture contents = Weight of initial moisture / Weight of dry sample

                                           =   36.2 /109.2

            =   0.331 x 100%

        =   33.1%

Area of ring = πD2/4

           = π (75.0) 2/4

           = 4417 mm   2  

Volume of ring = Area of ring x Thickness of ring

                           = 4417 x 16

                          = 70672 mm   3  

Density,  = Weight of sample (ring) 

                           Volume of ring

                  = 145.4 x 10    -6  (Mg)                  

                       70672 x 10 -9(m3)

= 2.06 (Mg/m3)

Dry density, d        = Weight of dry sample 

                                     Volume of ring

                              =     109.2 x 10    -6  (Mg)          

                              70672 x 10 -9 (m3)

= 1.55 (Mg/m   3  )  

8.0 OPEN ENDED QUESTIONS

QUESTIONS 1

From your experimental data, determine the coefficient of consolidation, cv (m2/year) using Casagrande Method. Please comment your answer.

Sample 1 : Load 2.5 kg (clay soil)

1 10 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Graph settlement versus log time

Time (minute)

Sett

lem

ent (

mm

)

Cv =  0.197 H² 

              t50

        =  0.197 (0.005)²mm

                   2min

       =   4.925 x 10   -6  

            2

       =   2.463 x 10 -6 mm 2 /min

Cv = 2.463 x 10-13 (   )

    = 1.294 x 10 -6 m 2 /year

Sample 2 : Load 5.0 kg (clay soil)

1 10 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Graph settlement versus log time

Time (minute)

Sett

lem

ent (

mm

)

Cv =  0.197 H² 

   t50

        =  0.197 (0.005)²mm

       2.5 min

       =   4.925 x 10   -6  

     2.5

       =   1.97x 10 -6 mm 2 /min

Cv = 1.97 x 10-12 (                                                                          )

void ratio againts effective stress

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 10

effective stress , kN/m2

void

ratio

    = 1.01 x 10 -6 m 2 /year

2.) Clay samples collected from 5 metres deep in Batu Pahat has a unit weight () of 18 

kN/m3. The following data were recorded during an oedometer test. 

Effective Stress (kN/m2) 25 50 100 200 400 800 200 50

Void ratio (e) 0.85 0.82 0.71 0.57 0.43 0.3 0.4 0.5

      (i)  Plot the graph of void ratio against effective stress on semi-log graph and                   determine the compression index (Cc), Preconsolidation pressure (Pc) and             coefficient of volume compressibility (mv)

Cc =  slope of the graph           =     0.82 – 0.53 

The compression index (Cc) is the slope of the graph

                   log(800/200)            =    0.482

      From graph, we obtained:     Preconsolidation pressure, Pc=150kN/m2

      Coefficient of volume compressibility, mv

      = 

Δe

Δσ '1

1+eavg

         

Δe

Δσ '=

slope of the graph

       eavg=

e1+es2              =  (0.85 + 0.5 ) / 2

    =  0.675              

   mv = 

Δe

Δσ '1

1+eavg            = (0.482) (1/ 1 + 0.675)            =  0.288            

(ii)  Define whether the soil is normally consolidated or over consolidated.

      D = 10m

      P0= γ×d            = 18 ¿ 10                                                     D = 10m           = 180kN/m   2        

      Overconsolidation, OCR=

PcP0

                                              = 150/180                                              = 0.83 < 1      The soil is over consolidated , OCR<1 . It means that the stress had been applied to the  sample of soil previously is less than the stress applied during that test.

QUESTIONS 2

1) From the experimental data , determine the coefficient of consolidation, cv (m2/year) 

using Taylor Method. Please comment your answer.

Sample 1 : Load 2.5 kg (clay soil)

1 10 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Cummulative compression VS square root time

Square root ime (minute)

Cum

mul

ative

com

pres

sion

(mm

)

t90 = 11.8

        

Cv =  

= 0.848 ( 19.84 )² / 4( 11.8 )

                     = 7.072 mm   2  /min   

Cv =   7.072 x 10-6    (                                                                                    )

= 3.717  m   2  /year    

Sample 2 : Load 5.0 kg (clay soil)

1 10 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Cummulative compression VS square root time

Square root ime (minute)

Cum

mul

ative

com

pres

sion

(mm

)

t90 = 10.1

        

Cv =  

= 0.848 ( 19.84 )² / 4( 10.1 )

                     = 8.262 mm   2  /min   

Cv =   8.262 x 10-6    (                                                                                   )

= 4.343  m   2  /year    

2) Clay samples collected from 10 metres deep in Parit Raja has a unit weight () of 20 kN/m3. The following data were recorded during an oedometer test. 

Effective Stress (kN/m2) 50 100 200 400 800 1600 400 100

Void ratio (e) 0.95 0.92 0.81 0.67 0.53 0.4 0.5 0.6

(i)  Plot the graph of void ratio against effective stress on semi-log graph and determine the  compression index (Cc), Preconsolidation pressure (Pc) and coefficient of volume 

           compressibility (mv).

void ratio againts effective stress

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 10

effective stress , kN/m2

void

ratio

Cc =  slope of the graph

           =     0.92 – 0.53 

      log(800/100)

            =    0.408

From graph, we obtained:

      Preconsolidation pressure, Pc=150kN/m2

      Coefficient of volume compressibility, mv

      = 

Δe

Δσ '1

1+eavg

         

Δe

Δσ '=

slope of the graph

       eavg=

e1+es2             

 

=0.95+0.62

=0.775

       

       

  Mv = 

Δe

Δσ '1

1+eavg

            =(0 .465)( 1

1+0 .775 )            =0.262

   (ii)  Define whether the soil is normally consolidated or over consolidated.

      D = 10m

      P0= γ×d  

          = 20 ¿ 10                                                            D = 10m 

          = 200kN/m   2  

          

  Overconsolidation, OCR=

PcP0

                                              =

150200

                                              = 0.75 < 1

      

The soil is over consolidated, OCR<1 . It means that the stress had been applied to the 

sample of soil previously is less than the stress applied during that test.

9.0 DISCUSSION

Consolidation is a process by which soils decrease in volume. According to Karl 

Terzaghi,  consolidation is any process which  involves decrease in water content of a 

saturated soil without replacement of water by air. In general it is the process in which 

reduction in volume takes place by expulsion of water under long term static loads. It 

occurs when stress is applied to a soil that causes the soil particles to pack together 

more  tightly,   therefore   reducing   its  bulk  volume.  When  this  occurs   in  a   soil   that   is 

saturated  with   water,   water   will   be   squeezed   out   of   the   soil.   The  magnitude   of 

consolidation can be predicted by many different methods.   In the Classical  Method, 

developed  by  Terzaghi,   soils   are   tested  with  an  oedometer   test   to  determine   their 

compression index. This can be used to predict the amount of consolidation.

           From the experiment that we have done, we have achieved the objective of the 

experiment   that   to   determine   the   consolidation   characteristic   of   soils   of   flow 

permeability.   In   this  experiment  we used  2  different  weight  of   slity   clay   soil  which 

weighed 2.5 kg for sample 1 and 5.o kg for sample 2. 

From the graph settlement versus log time and graph settlement versus square 

root time, we get a curve shape for the both sample. From the graph we can find the 

value   of   t50  t90  and   other   value   that   is   need   to   calculate   the   value   coefficient   of 

consolidation, Cv. from the calculation we can see that the value of value coefficient of 

consolidation,   Cv  will   increase  when   the   load   that  we   applied   to   the   peat   soil   ins 

increase.

10.0 CONCLUSION

Based on the experiment that we have done, we have determined the consolidation 

characteristic   of   soils   of   flow   permeability   through   the   data   that   we   get   after 

experiment has finished. Moisture content supply sample silty clay soil is 60.76%. The 

coefficient of consolidation, Cv using Casagrande method for Sample 1   is 1.294 x 10-6 

m2/year.

And sample 2 is 1.01 x 10-6 m2/year. Cv using Taylor method for sample peat soil is 3.717 

m2/year and sample clay soil is 4.343 m2/year. Based on the experimental data obtained 

in the laboratory, dry density and specific gravity values of tropical peat correlate well. 

When large loads such as embankments are applied to the surface, cohesive sub soils 

will consolidate, such as settle over time, through a combination of the rearrangement 

of   the  individual  particles  and the squeezing out  of  water.  The amount  and rate of 

settlement is of great importance in construction of such structure on a curtain soil area. 

For example, an embankment may settle until a gap exists between an approach and a 

bridge abutment.  The calculation of   settlement   involves  many  factors,   including   the 

magnitude of the load, the effect of the load at the depth at which compressible soils 

exist, the water table, and characteristics of the soil itself.

11.0 REFERENCES

1. A study on consolidation, shear strength and bearing capacity of soft soil improved by 

vertical drain / Farhan Mohammad Ab Latif 

2. The study of slag-lime stabilization on consolidation behaviour of Batu Pahat soft clay / 

Hemawathy Sathasivam