Universidad de Costa Rica. Implementación de la técnica de Etapas Múltiples en el ensayo de corte directo

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Informe de Trabajo de Graduación para obtener el grado de Licenciado en Ingeniería Civil Realizado por: José Luis Ugalde Herra --- Diciembre

2 Ugalde Herra, José Luis Proyecto de Graduación Ingeniería Civil San José, Costa Rica. J. L. Ugalde H., hojas: ils. 11 refs. Resumen En el campo de la geotecnia, como en cualquier otra área, el estudio y desarrollo de técnicas novedosas y con planteamientos ventajosos siempre será de gran importancia. Es por ello, que surge el motivo de este proyecto, en el cual se contribuye con el estudio de la técnica de Etapas y a la vez, se inicia con el empleo del nuevo equipo de corte directo del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LANAMME) de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica (UCR). Primero se evaluó el estado operacional del aparato de corte directo, se analizó el nivel de exactitud de los deformímetros originales del equipo, se determinó la constante de calibración para el anillo de carga y se estimó la variación de la velocidad real entregada del aparato de corte directo con relación a la velocidad mostrada en el panel de control. Para el estudio de la técnica de Etapas Múltiples, se tomaron como base de comparación los resultados obtenidos con la manera convencional de realizar los ensayos de corte directo, se tomó como descripción base para esta técnica convencional la norma ASTM D El estudio comprendió la realización de pruebas en tres tipos de suelos, un limo de baja compresibilidad, una arcilla de alta plasticidad (cohesivos) y una arena de río bien graduada (no cohesivos). En todos los materiales estudiados se obtuvieron cinco resultados de los parámetros de resistencia del suelo (ángulo de fricción y cohesión) por cada técnica. En la arcilla se desarrollaron ensayos Consolidados-No Drenados (ensayos tipo CU), para el caso de la arena y por primera vez en un suelo limoso, se realizaron ensayos de corte directo Consolidados-Drenados (ensayos tipo CD). Esto da una idea del rango de velocidades en las que fue empleado el nuevo equipo de corte directo, las cuales fueron desde 6000 mm/min (ensayos CD en limo) hasta 0000 mm/min (ensayos CU en arcilla y CD en arena). Esto determina que es posible emplear el nuevo equipo de corte directo del LANAMME en cualquier rango de velocidad deseado. De la evaluación del equipo de corte, se descartaron los deformímetros originales, pues no se encontraban en buenas condiciones. Ambos deformímetros fueron remplazados por deformímetros digitales calibrados por un laboratorio especializado en la calibración de estos equipos. Tanto, el anillo de carga como el motor del equipo de corte se encontraban en perfectas condiciones, el equipo de corte reportó una variación de la velocidad entregada con relación a la velocidad introducida en el panel de control de menos de un 1%, lo cual cumple con la norma ASTM D , donde se limita esta diferencia a no mayor de un 5% de variación. Sí fue posible la obtención de resultados, mediante el empleo del nuevo equipo de corte directo usando la técnica de Etapas Múltiples y la convencional. Es posible la obtención de resultados mediante las Multietapas con solamente una muestra, mientras que mediante la forma convencional son necesarias tres muestras. Los resultados de los parámetros de resistencia, obtenidos mediante el empleo del nuevo equipo de corte directo, mostraron que no hubo mayor diferencia en la correlación de los datos mediante la técnica de Etapas Múltiples y la convencional. De los resultados obtenidos se concluye que, en ensayos tipo CD, la cohesión obtenida mediante la técnica convencional es aproximadamente 0,10 veces la cohesión obtenida con la técnica en etapas. El ángulo de fricción obtenido mediante la técnica convencional es aproximadamente 1,3 veces el de la técnica en etapas. Para ensayos tipo CU se obtuvo que la cohesión de la técnica convencional es aproximadamente 0,73 veces la de Etapas Múltiples. Mientras que el ángulo obtenido mediante la técnica convencional es aproximadamente 1,45 veces el de etapas. Ing. Sergio Sáenz Aguilar, MSc. Escuela de Ingeniería Civil

3 Comité Asesor: Ing. Sergio Sáenz A. Ing. Jose Rodríguez Ing. Marcia Cordero S.

4 Dedicatoria A mi madre y mis hermanos. Y con un cariño muy especial a la familia Solís Alvarado. Gracias a ellos he podido culminar una etapa muy importante en mi vida.

5 Agradecimiento A todo el personal del Área de Geotecnia del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica, Ing. Oscar Valerio y los señores Manrique Vargas y Oscar Navarrete, gracias por su ayuda y observaciones durante la realización de las pruebas. A los profesores del comité asesor y a todas las personas que de una u otra manera contribuyeron a la realización de éste trabajo.

6 Índice Índice de figuras... iii Índice de gráficos... iv Índice de tablas... vii Simbología... viii 1 Introducción El problema y su importancia El problema específico Importancia Antecedentes Objetivo General Objetivos Específicos Alcances y limitaciones Alcances Limitaciones Metodología Procedimiento convencional Multietapas Cálculos y gráficos Observaciones i -

7 2 Descripción del nuevo equipo de corte directo Componentes Características funcionales Puesta en marcha del nuevo equipo de corte directo Operación del nuevo equipo de corte mediante Etapas Múltiples Parámetros de resistencia obtenidos Resultados en arcilla Resultados en limo Resultados en arena Conclusiones y Recomendaciones Bibliografía Anexos ii -

8 Índice de figuras Figura 1. Nuevo equipo de Corte Directo/Residual ELE del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME... 4 Figura 2. Curva de deformación contra la raíz cuadrada del tiempo Figura 3. Distribución general de la máquina de corte directo Figura 4. Arreglo general del anillo de carga y el mecanismo de transporte de la caja de corte Figura 5. Anillo de carga Figura 6. Caja de corte Figura 7. Ubicación de los deformímetros horizontal y vertical Figura 8. Colocación de los especímenes en la caja de corte Figura 9. Tablero de control Figura 10. Panel trasero de la máquina de corte directo Figura 11. Equipo de vibración empleado para la compactación de las muestas de arena Figura 12. Proceso de remoldeo para la muestra de arcilla iii -

9 Índice de gráficos Gráfico 1. Curva de calibración del deformímetro de carga Gráfico 2. Gráfico de comprobación de la velocidad entregada por la máquina de corte directo, velocidad: 3500 mm/min Gráfico 3. Gráfico de comprobación de la velocidad entregada por la máquina de corte directo, velocidad: 4272 mm/min Gráfico 4. Curva granulométrica de la arena empleada en los ensayos, origen: Río Toro Amarillo, Guápiles, Tajo Empresa Meco S.A Gráfico 5. Envolvente de falla, ensayo convencional A, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 6. Envolvente de falla, ensayo convencional B, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 7. Envolvente de falla, ensayo convencional C, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 8. Envolvente de falla, ensayo convencional D, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 9. Envolvente de falla, ensayo convencional E, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 10. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M1, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 11. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M2, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 12. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M3, arcilla, caja de corte cuadrada iv -

10 Gráfico 13. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M4, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 14. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M5, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 15. Envolventes promedio de falla, ensayo convencional y en Multietapas, arcilla, caja de corte cuadrada Gráfico 16. Envolvente de falla, ensayo convencional A, limo, caja de corte circular Gráfico 17. Envolvente de falla, ensayo convencional B, limo, caja de corte circular Gráfico 18. Envolvente de falla, ensayo convencional C, limo, caja de corte circular Gráfico 19. Envolvente de falla, ensayo convencional D, limo, caja de corte circular Gráfico 20. Envolvente de falla, ensayo convencional E, limo, caja de corte circular Gráfico 21. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M1, limo, caja de corte circular Gráfico 22. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M2, limo, caja de corte circular Gráfico 23. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M3, limo, caja de corte circular Gráfico 24. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M4, limo, caja de corte circular Gráfico 25. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M5, limo, caja de corte circular Gráfico 26. Envolventes promedio de falla, ensayo convencional y en Multietapas, limo, caja de corte circular Gráfico 27. Envolvente de falla, ensayo convencional A, arena, caja de corte cuadrada v -

11 Gráfico 28. Envolvente de falla, ensayo convencional B, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 29. Envolvente de falla, ensayo convencional C, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 30. Envolvente de falla, ensayo convencional D, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 31. Envolvente de falla, ensayo convencional E, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 32. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M1, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 33. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M2, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 34. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M3, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 35. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M4, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 36. Envolvente de falla, ensayo en Multietapas M5, arena, caja de corte cuadrada Gráfico 37. Envolventes promedio de falla, ensayo convencional y en Multietapas, arena, caja de corte cuadrada vi -

12 Índice de tablas Tabla 1. Especificaciones del equipo de corte directo Tabla 2. Modos de operación del equipo de corte directo Tabla 3. Datos de la calibración del anillo de carga, según el fabricante Tabla 4. Resultado de las pruebas de caracterización para las muestras empleadas Tabla 5. Porcentajes de saturación (S) y humedades (W) para las muestras de limo Tabla 6. Porcentajes de saturación (S) y humedades (W) para las muestras de arcilla Tabla 7. Resumen de resultados de los ensayos en suelo arcilloso, ensayo CU Tabla 8. Parámetros de resistencia de la muestra de suelo arcilloso, ensayo CU Tabla 9. Resumen de resultados de los ensayos en suelo limoso, ensayo CD.53 Tabla 10. Parámetros de resistencia de la muestra de suelo limoso, ensayo CD Tabla 11. Resumen de resultados de los ensayos en arena, ensayo CD Tabla 12. Parámetros de resistencia de la muestra de arena, ensayo CD vii -

13 Simbología φ Ángulo de resistencia al corte del suelo φ C φ M A P h P v a v c v R 2 k c c C c M C R CD CU τ σ n G S Ángulo de resistencia al corte, obtenida meditante la aplicación de la técnica convencional Ángulo de resistencia al corte, obtenida meditante la aplicación de la técnica en Multietapas Área nominal de la muestra Carga horizontal aplicada sobre la muestra Carga vertical aplicada sobre la muestra Coeficiente de compresibilidad Coeficiente de consolidación Coeficiente de correlación Coeficiente de permeabilidad Cohesión Cohesión, obtenida meditante la aplicación de la técnica convencional Cohesión, obtenida meditante la aplicación de la técnica en etapas Constante del anillo de carga Ensayo de corte directo Consolidado - Drenado Ensayo de corte directo Consolidado No Drenado Esfuerzo cortante Esfuerzo normal Gravedad específica del suelo SUCS Sistema Unificado de Clasificación de Suelos t 100 t 50 t f Tiempo necesario para que ocurra el 100% de la consolidación del suelo bajo una carga normal Tiempo necesario para que ocurra el 50% de la consolidación del suelo bajo una carga normal Tiempo necesario para que ocurra la falla de la muestra de suelo en el ensayo de corte directo - viii -

14 1 Introducción 1.1 El problema y su importancia El problema específico Existen una serie de parámetros referentes al terreno que son indispensables en cualquier construcción u obra de ingeniería civil. Muchos de estos parámetros se obtienen a partir de ensayos realizados en el laboratorio. La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en el terreno producto de la aplicación de una carga. El ensayo de corte directo tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra, valor que, entre otras cosas, será muy útil para el cálculo de la estabilidad de taludes o para la capacidad de soporte. La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: la cohesión, aportada por la fracción fina del suelo y responsable, a su vez, del comportamiento plástico de éste y el rozamiento interno entre las partículas granulares o fricción. Para conocer o determinar esta resistencia del suelo, en el laboratorio uno de los equipos que se usa es el aparato de corte directo. El más típico es una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades; dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento y luego una carga horizontal creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra. El ensayo de corte directo convencional consiste en someter una muestra situada dentro de este anillo o caja a una carga normal constante y a un esfuerzo lateral que se va incrementando de forma progresiva, de forma que se lleva la muestra hasta la falla

15 Mientras, se mide el esfuerzo aplicado y el desplazamiento producido entre los dos bloques. Datos que más tarde se proyectan en una gráfica a partir de la cual se puede obtener la resistencia al corte de esa muestra para la carga normal aplicada, utilizando el criterio Mohr-Coulomb. El ensayo de corte directo en Etapas Múltiples o Multietapas, se basa en los mismos principios que el ensayo convencional. La diferencia radica en que la muestra de suelo es cargada sucesivamente bajo dos o más presiones normales o carga normal durante la prueba. Por lo general siempre se usan tres cargas mínimo, mientras que en el corte directo convencional la prueba se lleva cabo con una sola carga normal por muestra. El procedimiento del ensayo de Etapas Múltiples plantea una clara ventaja, principalmente económica y de tiempo, ante el método de corte directo convencional. Por lo tanto, en un ensayo de corte directo en Multietapas es posible obtener resultados con solamente una muestra; mientras que, con el ensayo convencional son necesarios al menos dos muestras; o sea, se deben realizar al menos dos cortes. Sin embargo, lo más recomendable en el ensayo convencional es analizar tres muestras. El procedimiento del ensayo de corte directo en Multietapas presenta una serie de ventajas en relación con la técnica convencional. Entre las ventajas que muestra la técnica en etapas se pueden citar las siguientes: disminución del tiempo de ensayo necesario para obtener resultados, disminución de la cantidad de muestras necesarias, se disminuye el problema de dispersión de datos debido a que los resultados provienen de un espécimen y no de tres como es el caso del ensayo convencional. Todas estas ventajas son de consideración, ya que repercuten en factores muy importantes como el costo y el tiempo necesarios para la obtención de resultados mediante estos análisis. Resulta importante analizar las ventajas y desventajas del ensayo de corte directo en relación a la técnica de Multietapas. Es claro que el ensayo en Multietapas presenta - 2 -

16 ventajas que infieren en factores tan trascendentales como el costo y el tiempo de ensayo, por lo que es necesario analizar el grado de validez que tienen sus resultados. También es importante el estudio de esta técnica con el fin de determinar qué grado de validez tiene con relación a la técnica convencional; esto, en cuanto varía el factor de seguridad en los resultados obtenidos con la técnica en Multietapas en comparación con la convencional. Lo anterior es posible al comparar las envolventes obtenidas con ambas técnicas. La intención con este estudio es evaluar y validar los resultados del ensayo en Multietapas. Esto se hace comparando los resultados de ambas pruebas. Para ello se analizan tres tipos de muestras, un suelo cohesivo de alta plasticidad (arcilla o arcilla expansiva), un suelo friccionante (arenoso) y un limo de baja compresibilidad. De esta manera se pretende determinar el rango de aplicabilidad del método en Multietapas. Es importante saber si el método presenta alguna limitación debido al tipo de suelo analizado o si los resultados son confiables para cualquier tipo de suelo; esto siempre en comparación con la técnica convencional de realizar el ensayo de corte directo. El ensayo de corte directo en Etapas Múltiples es posible realizarlo con éxito debido al grado de control de la velocidad con que se aplica la carga, si el técnico del laboratorio posee un equipo que le proporcione esta ventaja, él podrá entonces realizar con éxito el ensayo en Etapas Múltiples, ya que si el técnico no está en capacidad de detener la prueba a tiempo ésta se convertirá en un ensayo convencional y no en un ensayo en etapas. Actualmente el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LANAMME) de la Universidad de Costa Rica ha adquirido un equipo de corte, ver Fig. 1 (aparato de Corte Directo/Residual ELE International, No. serie UCR , número de serie del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME MD-003) que hace posible este control de velocidad y se realiza con éxito el ensayo en Multietapas. No obstante, hasta la fecha, - 3 -

17 nadie ha puesto en marcha ni calibrado este equipo; razón por la cual este proyecto de investigación pretende cumplir esta función. Figura 1. Nuevo equipo de Corte Directo/Residual ELE del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME. Se hace necesario determinar la validez del ensayo de corte directo en Multietapas con la operación de este nuevo equipo, lo que vendría en favor de la operación del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME, con la implementación de una técnica moderna y ventajosa. Con la realización de este trabajo se contribuye con el desarrollo del conocimiento sobre el comportamiento de la técnica en etapas de los ensayos de corte. Contribuyendo así, a la comprensión de los resultados de la técnica en Multietapas en el ensayo de corte directo mediante al empleo de equipos similares a los presentes en el LANAMME de la Universidad de Costa Rica Importancia Debido a las importantes ventajas, mencionadas anteriormente, que plantea el ensayo de corte directo en Etapas Múltiples en comparación con el ensayo de corte directo convencional, resulta valioso identificar la veracidad de los resultados del ensayo en Multietapas. Por tanto, es relevante el objetivo de este proyecto, que busca determinar la posibilidad de obtener resultados con el equipo de Corte Directo/Residual ELE - 4 -

18 International (MD-003) del LANAMME empleando la técnica de Etapas Múltiples y, que estos resultados, se equiparen con los obtenidos mediante la técnica convencional. Para aplicar la técnica de Etapas no es necesario la adquisición de algún equipo especial ya que se puede emplear el equipo para corte directo convencional, por lo que se obtienen ventajas sin la necesidad de nuevas inversiones; simplemente con la implementación de una técnica. La aplicación de los resultados del ensayo de corte directo son de gran importancia cuando construyen muros de contención que se verán afectados por el empuje que generan las diferentes capas del suelo debido a que las capas tienden a traslaparse entre sí; especialmente cuando se aumenta el porcentaje de humedad en el suelo. Los resultados de este tipo de ensayo son importantes en la determinación de la capacidad de carga en bases y fundaciones para estructuras en arcillas homogéneas saturadas, inmediatamente después de la construcción. Esto, debido a que el terreno bajo una fundación es presionado por la falla y asume fallar por corte. El valor de la resistencia o cohesión aparente, c, debido al deslizamiento de tierra es aplicable en el uso de cálculos en los problemas de estabilidad a corto plazo. El ángulo de resistencia al corte φ es requerido para obtener los coeficientes de presión o coeficientes de empuje lateral en diferentes cálculos. Estos coeficientes son dados en libros y textos de Ingeniería de Fundaciones. Para el análisis a largo plazo en estabilidad de taludes, muros de contención, diques de tierra, los parámetros c y φ son requeridos para determinar la resistencia al deslizamiento. La estabilidad de taludes en una arcilla preconsolidada está basada en los parámetros c r y σ r de resistencia residual. Dado lo anterior, es claro que los resultados de este tipo de ensayo pueden ser empleados en obras de gran importancia; es por ello, que se debe de tener toda la certeza posible y confianza en dichas metodologías

19 De lo anterior, se desprende la importancia del tipo de investigación que se ha realizado, con la cual es posible evaluar la calidad de una de las pruebas de corte para obtener dichos parámetros. Este trabajo no sólo contribuirá con el estudio de la técnica en sí, sino que también posee un valor práctico, debido a que le permitirá al Laboratorio de Geotecnia del LANAMME a despejar las dudas que puedan tener en cuanto al empleo de esta técnica con el nuevo aparato de Corte Directo/Residual ELE MD-003. Lo anterior le brindará una herramienta más al laboratorio para tener certeza sobre el grado de veracidad de los ensayos realizados con ésta técnica y a la vez, implementarla en los posteriores ensayos que se realicen. Con la implementación de la técnica de Etapas Múltiples se permiten alcanzar posibilidades importantes en relación con las planteadas en el ensayo convencional. Se logra así una disminución de aspectos como son: las muestras necesarias para obtener un resultado de la prueba, el tiempo necesario del ensayo, disminución del costo del ensayo y además, se disminuye el problema de dispersión de datos que se puede presentar en el ensayo convencional. Aspectos como los mencionados anteriormente se vuelven de gran importancia en ensayos de corte directo Gigante, donde se tienen cajas de corte con dimensiones de hasta 60x60x40cm, ya que es difícil obtener las muestras suficientes para realizar un ensayo convencional. En ensayos con testigos de 100x100 mm alcanzar el número de muestras suficientes para la realización de un ensayo convencional puede ser difícil, en un ensayo de corte directo gigante este factor se complica aún más. Cuando se da la aparición de nuevas técnicas que presentan ventajas importantes en relación a las técnicas existentes, resulta importante su estudio para descartarlas o aprobarlas sobre la base de una razón apropiada y que se sustente en un estudio serio, - 6 -

20 imparcial y analítico; con esto se evita la simple aceptación de la técnica por sus ventajas aparentes. 1.2 Antecedentes El ensayo de corte directo es el más antiguo de los ensayos de la Mecánica de Suelos y, todavía hoy, se continua utilizado para estudiar los suelos en rotura, debido a su sencillez de ejecución. Sin embargo, su procedimiento ha variado muy poco durante todo este tiempo. Dicho procedimiento se encuentra normado por la American Society of Testing and Materials (ASTM). La norma de la ASTM que se encuentra actualmente vigente para esta prueba es la ASTM D , establecida por el comité D En Costa Rica se introduce por primera vez la técnica de Etapas Múltiples en 1991 por Rodolfo Jiménez en su investigación por determinar los parámetros de resistencia al corte en suelos residuales procedentes del Cerro Santo Cristo de Ochomogo, Carretera San José-Cartago. La técnica de corte directo en Etapas Múltiples se ha estudiado muy poco, a pesar de presentar ventajas importantes. Aunque actualmente se cuenta con las condiciones necesarias para llevar a cabo la técnica de Etapas Múltiples en el ensayo de corte directo y de presentar ventajas importantes, el ensayo no se ha extendido ni ha venido a sustituir al ensayo de corte directo convencional en su totalidad. El poco empleo de la técnica en etapas se puede deber al escaso estudio que se ha llevado a cabo en relación a la técnica de Etapas Múltiples. El ensayo de corte directo en Etapas Múltiples presenta el inconveniente que se pueden desarrollar varios planos de falla, por lo que son pocos los que han confiado en los resultados de dicha prueba, pero no han desarrollado estudios profundos ni específicos en el análisis de dicha técnica. A pesar de lo mencionado anteriormente, sí se cuenta con investigadores (Solís, V. 1998) que en el desarrollo de sus investigaciones, ha implementado esta técnica, debido a las ventajas de tiempo que posee dicha metodología

21 1.3 Objetivo General - Implementar la técnica de Etapas mediante el empleo del nuevo aparato de Corte Directo/Residual ELE MD-003 del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME, como desarrollo de una prueba alternativa e importante para determinar las características de resistencia del suelo. 1.4 Objetivos Específicos - Determinar el ángulo de fricción y la cohesión (parámetros de resistencia) de suelos cohesivos y suelos granulares mediante el ensayo de corte directo en Etapas Múltiples y la técnica convencional. - Identificar ventajas y desventajas en el ensayo de corte directo en Multietapas en relación con el ensayo de corte directo convencional. - Establecer un procedimiento operacional para el nuevo equipo de corte del LANAME, (aparato de Corte Directo/Residual ELE International, MD-003). - Determinar velocidades adecuadas para la realización del ensayo de corte directo en Etapas Múltiples para diferentes tipos de suelos. 1.5 Alcances y limitaciones Alcances - El presente estudio ha pretendido lograr una evaluación de un procedimiento de laboratorio en la caracterización de suelos; por lo tanto, para los fines de este proyecto, no se limita a un sitio de estudio en particular, sino, por cubrir una gama de suelos que se pueden presentar en la práctica, arcilla, arena y limo. - En este proyecto se ha pretendido alcanzar una comparación de cinco resultados por tipo de ensayo, es decir comparar cinco resultados del ensayo de corte directo en Etapas Múltiples contra cinco resultados de la técnica convencional, - 8 -

22 para cada tipo de suelo; y tener como resultado un total de quince ensayos por cada técnica convencional y Multietapas, para lograr un total de treinta ensayos. - Para la determinación de la validez de los resultados del ensayo de corte directo en Etapas Múltiples se aceptaron como verdaderos los resultados del ensayo convencional. Lo anterior, por la aceptación de los resultados que la prueba convencional ha tenido a lo largo de los años. También, debido a la vigencia que ha mantenido la técnica durante todo este tiempo. Sin embargo, no se debe olvidar que la prueba de Triaxial es el ensayo que mejor reproduce las condiciones del suelo en el laboratorio; por ende, brinda mejores resultados que la prueba de corte directo. - Esta investigación se refiere a dos técnicas de ensayo de corte específico: ensayos de corte directo convencional y en Multietapas. Por esta razón no se realizaron ningún otro tipo de ensayo con los cuales se puedan determinar los mismos parámetros estudiados; como por ejemplo, los ensayos Triaxiales convencionales y en Multietapas. - Para llevar a cabo estos ensayos se empleó el nuevo equipo de corte del LANAMME, específicamente el aparato de Corte Directo/Residual ELE International con la serie # de la UCR. Su número de serie del Laboratorio de Geotecnia del LANAMME es el MD No se han realizado ensayos in situ con los cuales es posible determinar parámetros de cohesión y ángulo de fricción para corroborar los datos del ensayo de corte directo en Multietapas, únicamente se ha empleado la técnica convencional de corte directo para la evaluación de los resultados en Etapas Múltiples

23 1.5.2 Limitaciones - Dado el tipo de proyecto las principales limitaciones que se presentan están referidas a las mismas limitaciones que poseen los ensayos de corte directo convencional y Etapas Múltiples; entre las cuales, se pueden citar las relacionadas con la superficie de falla que es una superficie de rotura inducida y puede darse la opción de que no represente el plano más débil. Con Multietapas cabe la posibilidad que la superficie de falla no sea la misma en cada etapa de carga normal y la distribución de tensión, en la superficie de falla, no sea uniforme. - El área de contacto del plano de corte disminuye en la medida que se produce el desplazamiento horizontal relativo entre ambas mitades de la caja; esto no es demasiado significativo, cuando las muestras fallan a deformaciones muy bajas. - El empleo del nuevo aparato de Corte Directo/Residual ELE International MD-003 limita los ensayos a especímenes pequeños, de 60 mm y 100 mm cuadrado y muestras de 2,42 pulg y 2,5 pulg de diámetro únicamente. - No se pueden medir presiones intersticiales; de modo que, la única manera de controlar el drenaje es controlando la velocidad de desplazamiento horizontal. - Cuando se diseñó la caja de corte, se supuso que la superficie de falla real sería plana y que el esfuerzo cortante tendría una distribución uniforme a lo largo de ésta; sin embargo, con el tiempo se estableció que estas suposiciones no siempre son válidas - Al emplear en el ensayo una muestra muy pequeña, los errores de preparación son relativamente importantes

24 1.6 Metodología En esta sección se describen las metodologías empleadas en los ensayos realizados, tanto con la técnica convencional como con la de Etapas Múltiples; así como, todas las relaciones matemáticas necesarias para la obtención de los parámetros de resistencia del suelo mediante el ensayo de corte directo y una serie de observaciones relacionadas con el tipo de ensayo desarrollado en este proyecto de graduación Procedimiento convencional. - Método para suelos no cohesivos. Se pesa una muestra de arena (seca o de humedad conocida) suficiente para hacer tres ensayos a la misma densidad. Se ensambla la caja de corte, se obtiene la sección (A) de la muestra y se coloca la arena en la caja junto al pistón de carga y la piedra porosa. o Se aplica la carga vertical (P v ) y se coloca el dial para determinar el desplazamiento vertical (se debe incluir el peso del pistón de carga en el peso P v ). En ensayos consolidados se comienza cuando el asentamiento se ha detenido; en suelos no cohesivos, esto puede hacerse a partir de la aplicación de P v. o Se separa la caja de corte, se fija el bloque de carga y se ajusta el deformímetro para medir el desplazamiento cortante (en ensayos saturados se debe saturar la muestra el tiempo necesario). Luego se comienza a aplicar la carga horizontal midiendo desde los deformímetros de carga, de cambio de volumen y de desplazamiento cortante. Si el ensayo es del tipo deformación controlada se toman esas lecturas a desplazamientos horizontales de cinco, diez y cada diez o veinte unidades. La tasa de deformación unitaria debe ser del orden de a no más de 2 mm/min. y deberá ser tal que la muestra falle entre tres y cinco minutos. Se repite el procedimiento por lo menos en tres muestras más, utilizando un valor

25 distinto de carga vertical (se sugiere doblar la carga por cada muestra siguiente). - Método para suelos cohesivos. Se moldean tres o cuatro probetas de una muestra de suelo inalterada, utilizando un anillo cortante para controlar el tamaño. Se ensambla la caja de corte, se saturan las piedras porosas y se mide la caja para calcular el área (A) de la muestra. Se coloca la muestra en la caja de corte, las piedras porosas y el pistón de carga sobre el suelo, la carga normal P v y se ajusta el deformímetro vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el deformímetro vertical igual que en el ensayo de consolidación para determinar cuando la consolidación haya terminado. o Luego, se separan las mitades de la caja de corte dejando una pequeña separación y se empalma la cabeza de carga, asegurando que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso del bloque de carga. Se acopla el deformímetro de deformación cortante y se fija en cero tanto el deformímetro horizontal como vertical (en ensayos saturados se llena la caja con agua y se espera la saturación de la muestra). o Se aplica la carga de corte tomando lecturas de los indicadores de carga horizontal, de desplazamientos de corte y vertical (cambios de volumen). En ensayos de deformación controlada, las lecturas se toman a desplazamientos horizontales de cinco, diez y cada diez o veinte unidades. o La tasa de deformación unitaria debe ser la misma que en el caso anterior (no más de 2 mm/min) tal que el tiempo de falla oscile entre cinco y diez minutos, a menos que el ensayo sea consolidado drenado. La velocidad de deformación para este último, debería ser tal que el tiempo para que

26 ocurra la falla (t f ) sea: t f = 50* t 50, donde t 50 es el tiempo necesario para que ocurra el 50% de la consolidación bajo la carga normal P v. o Al finalizar el ensayo, se remueve el suelo y se toman muestras para determinar el contenido de humedad. El procedimiento se repetirá para las muestras adicionales Multietapas - El procedimiento para aplicar la técnica de etapas múltiples es muy similar al procedimiento descrito para el ensayo convencional, esta técnica se basa en los mismos conceptos, pero presenta la diferencia de realizarse en etapas. - En el caso de ensayos no drenados la tasa de deformación unitaria debe ser del orden de a no más de 2 mm/min y deberá ser tal, que la muestra falle entre tres y cinco minutos, para materiales no cohesivos y de cinco a diez minutos para materiales cohesivos. - Para el caso de ensayos drenados, primero se debe de determinar la velocidad de aplicación del ensayo, esto está relacionado con la consolidación de las muestras. - La consolidación de arcillas es un fenómeno que ocurre en un intervalo de tiempo y, para propósitos prácticos, es necesario conocer o determinar la tasa de consolidación cuando ocurren los asentamientos. La primera teoría de consolidación para arcillas fue propuesta por Terzaghi en Posteriormente, Taylor (1948) desarrolló soluciones aproximadas para la ecuación diferencial resultante

27 Las derivaciones matemáticas de la teoría se basan en las siguientes suposiciones:» El suelo es un material homogéneo compuesto por arcilla y agua.» La saturación es completa.» La compresibilidad del agua es despreciable.» La compresibilidad de las partículas sólidas es despreciable.» Los cambios volumétricos ocurren solamente por reacomodo de las partículas y flujo (expulsión) de agua.» El flujo de agua es unidireccional y coincide con la dirección de la compresión.» La ley de Darcy gobierna el proceso de migración del agua de los poros.» Las cargas aplicadas producen deformaciones unitarias pequeñas en el suelo y, por lo tanto, el coeficiente de compresibilidad a v, y el coeficiente de permeabilidad k, permanecen constantes durante el proceso de consolidación. - A partir de la consolidación de un espécimen debido a una carga normal se obtiene una curva de deformación contra la raíz cuadrada del tiempo (ver Fig. 2.) t 100 Raíz del tiempo (min) Superficie Porosa H Superficie Porosa Figura 2. Curva de deformación contra la raíz cuadrada del tiempo. o El valor de la raíz de t 100 se obtiene de la intersección de la línea tangente a la parte recta temprana de la curva con la prolongación horizontal del punto que representa el 100% de la consolidación

28 o El valor de t 100 se obtiene al multiplicar el valor de la raíz de t 100 por él mismo. o El valor de t 100 se relaciona con el tiempo de falla mediante la siguiente ecuación empírica: t f = 12,7 * t 100 (min) 1 o El coeficiente de consolidación, c v, se puede obtener de la siguiente ecuación c v = 0,103 H 2 * 1/t 100 [m 2 /año] donde H es el espesor del espécimen y t 100 esta en minutos. - Una vez determinada la velocidad, para cualquier tipo de ensayo, se procede a realizar el corte de la misma forma que en el ensayo de corte directo. Esto puede ser mediante tensión controlada o deformación controlada. - Para lograr una etapa del ensayo, se debe detener el ensayo cuando se logre determinar que se ha alcanzado la falla. - A la misma muestra se le aplica el doble de la carga normal anterior. Para ensayos CD o CU se espera el tiempo necesario hasta que suceda la consolidación del espécimen bajo la nueva carga P V ; de este modo se da inicio a la segunda etapa. De igual forma, se debe detener la prueba cuando en esta etapa cuando se está cerca de la falla de la muestra para luego terminar con la tercera etapa. - Se debe tener el cuidado de determinar cuándo se tiene que detener la prueba; si pasa mucho tiempo (se deforma demasiado el espécimen) el ensayo se puede convertir en un ensayo convencional. 1 Gibson y Henkel,

29 - En un ensayo en etapas múltiples se reduce el número de cortes a simplemente uno; en el cual, el espécimen es sometido a tensiones efectivas normales distintas durante la prueba de corte (al menos tres diferentes). Así, se obtienen los resultados suficientes para determinar la envolvente de rotura de la muestra y de este modo, determinar su ángulo de fricción y el valor de la cohesión de la muestra Cálculos y gráficos Los siguientes cálculos son aplicables tanto a suelos cohesivos como a suelos no cohesivos. - Se grafican en escala natural las curvas de deformación, donde la ordenada será la deformación horizontal y la abscisa el tiempo necesario de las distintas probetas. Se obtiene la máxima deformación horizontal. Con los valores de carga vertical y tangencial se calcula la tensión tangencial y la tensión normal. - Gráficamente se pueden obtener el esfuerzo cortante (τ) y el esfuerzo normal (σ n ), mediante las siguientes expresiones: τ = P h / A ( kg/cm 2 ) y σ n = P v / A ( kg/cm 2 ) donde: P v = carga vertical aplicada (kg) P h = carga horizontal aplicada (kg) A = área nominal de la muestra (cm 2 ) - Con los datos de τ y σ n de cada una de las probetas, se traza la recta intrínseca y de ella se obtiene c y φ, donde c es la ordenada de la recta hasta el punto cero de las abscisas y φ el ángulo que forma la horizontal con la recta intrínseca. - Es posible trazar además la curva de deformaciones verticales, donde se llevan en ordenadas las deformaciones (asentamiento-hinchamiento) y en abscisas el

30 tiempo, con este grafico se puede ver la variación volumétrica de la muestra durante el ensayo Observaciones. - La velocidad del ensayo debe ser la estipulada, principalmente en ensayos drenados, en donde si la velocidad es muy rápida la presión de poros no es capaz de disiparse. - Es fundamental que en ensayos consolidados, ésta se realice completamente. Las lecturas de los comparadores (diales) y de las fuerzas tangenciales aplicadas deben hacerse con especial cuidado, al igual que el trazado de las curvas. La ventaja de este tipo de ensayos es la simplicidad y velocidad de avance para suelos cohesivos. - Es conveniente recordar que el propósito de efectuar ensayos de corte en el laboratorio es reproducir las situaciones del terreno, pero como las condiciones in situ están en etapa de investigación, el mejor ensayo de laboratorio será aquel con el cual mejor se entiendan y controlen las condiciones de fatiga y deformación; tal como ocurre en un ensayo triaxial. - Las muestras de suelos cohesivos, se deben moldear (en lo posible) dentro de una cámara húmeda. - En arcillas muy blandas, el separar las mitades de la caja de corte se realizará cuidadosamente porque el material podría ser extruido fuera de la caja por la zona de separación, en estos casos se deben utilizar cargas verticales pequeñas. 2 Descripción del nuevo equipo de corte directo A partir de la figura 3 y hasta la figura 10 se presentan las especificaciones generales del nuevo equipo de corte directo empleado durante las pruebas. También se describe la metodología de operación utilizada durante las pruebas; la cual, puede ser tomada como base para el desarrollo de futuras pruebas con este equipo

31 2.1 Componentes Tornillo de soporte del brazo de carga Soporte de la carga Figura 3. Distribución general de la máquina de corte directo

32 1. Balines. 2. Carril superior. 3. Marco inferior. 4. Eje de carga horizontal. 5. Deformímetro para medir desplazamiento vertical. 6. Brazo para ubicación del deformimetro. 7. Tornillo. 8. Deformímetro para medir desplazamiento horizontal. 9. Brazo guía del cuello de cisne. 10. Tornillo. 11. Tornillos fijadores de la caja de corte directo. 12. Cuello de cisne 13. Yugo de carga vertical. 14. Pin de carga vertical. 15. Tornillo de desagüe. Figura 4. Arreglo general del anillo de carga y el mecanismo de transporte de la caja de corte

33 1. Adaptador acanalado 2. Acople ajustable 3. Soporte del cuello de cisne 4. Calibrador 5. Cuello de cisne Figura 5. Anillo de carga. Piedra porosa adicional, para ensayos con muestras de 20 mm de espesor 1U. Sección superior de la caja de corte. 1L. Sección inferior de la caja de corte 2U. Tapa superior. 2L. Tapa de fondo. 3U. Piedra porosa superior. 3L. Piedra porosa inferior. 4. Tornillos de alineación. 5. Tronillos de separación. Figura 6. Caja de corte

34 1. Deformímetro para medir el desplazamiento vertical. 2. Sujetador del deformimetro. 3. Brazo para ubicación del deformimetro. 4. Tornillo. 5. Deformímetro para medir el desplazamiento horizontal. 6. Sujetador del deformimetro. 7. Brazo guía del cuello de cisne. 8. Tornillo. Figura 7. Ubicación de los deformímetros horizontal y vertical

35 Caja para moldeo de la muestra. Pieza de madera para desmoldar la muestra Caja para moldeo de la muestra. Piedra porosa y tapa de fondo en posición. Figura 8. Colocación de los especímenes en la caja de corte

36 Hacia adelante Hacia atrás Hacia adelante, máxima velocidad Hacia atrás, máxima velocidad Enter Figura 9. Tablero de control. 1. Conexión eléctrica. 2. Interruptor ON/OFF. 3. Selector fusibles/voltaje. 4. Conexión de salida RS232. Figura 10. Panel trasero de la máquina de corte directo

37 2.2 Características funcionales La nueva máquina de corte directo está provista con un microprocesador de control, con pantalla LCD, tablero sensitivo de contacto, variación de velocidad desde 0001 hasta 9,99999 mm/min y con capacidad de emplear muestras cuadradas arriba de los 100 mm de lado. La máquina de corte, también, cuenta con un una salida RS232 para conectarse con un computador de escritorio o personal desde el cual es posible llevar el control del ensayo, lo que permite realizar pruebas de duración prolongada, como por ejemplo aquellas que necesiten más de un día para su realización. Tabla 1. Especificaciones del equipo de corte directo. Características Dimensiones Tamaño máximo de muestra Máxima carga normal Muestras cuadradas de 60 mm de lado 10:1 proporción máxima de esfuerzo Máxima carga de corte Peso Largo Ancho Altura 320 mm 1135 mm 1260 mm 100 mm 1000 kg 100 Kg 2,8 N/mm 2 4,5 KN 70 Kg Fuente: ELE internacional. Este equipo de corte directo está diseñado para multiplicar la carga normal por diez, es decir que si se coloca un peso de un kilogramo en el soporte para la carga, sobre la muestra se estará aplicando una carga de 10 kilogramos; por esto, se dice que el equipo posee un brazo de palanca de diez

38 El anillo de carga del equipo de corte directo tiene una capacidad de 4,5 KN, el cual no se recomienda se empleé más allá del 80% de su capacidad. Descripción de los controles: El interruptor de encendido y apagado (ver Fig. 10) se encuentra en el panel trasero de la máquina de corte. Cuando este interruptor se coloca en ON, al inicio el tablero de control se mostrara de la siguiente manera por espacio de unos dos segundos: Una vez que una serie de revisiones automáticas electrónicas sean hechas y esta revisión es realizada con éxito, la pantalla del panel de control aparecerá de la siguiente manera: O Si el equipo se encuentra conectado a un computador la pantalla del panel de control aparecerá como lo siguiente: La notación X.XXXXX indica la última velocidad que se empleó en el equipo de corte directo, es decir, la última velocidad almacenada en la memoria del equipo de corte

39 Con la tecla [MODE] es posible seleccionar distintos modos de operación que dispone el equipo de corte directo, estos modos de operación se muestran en la siguiente tabla. Tabla 2. Modos de operación del equipo de corte directo. Nombre Manual Serial Set 0 Datum Set-Up Fuente: ELE internacional. Descripción Modo de control desde el Tablero de Control Modo de operación vía interfase RS232 Modo de operación de dato o punto de regreso, punto cero. Configuración de las opciones del sistema (unidades, tipo, contraste, diagnóstico) Cuando la tecla [Mode] es repetidamente oprimida se pasará por los distintos modos de operación en el siguiente orden: Manual, Serial, Set 0 Datum y finalmente por Set-Up, cuando se muestre el modo deseado se debe de oprimir la tecla [Enter] para que este modo de operación quede seleccionado o presione [Esc] para cancelar la acción y volver al modo de operación establecido anteriormente. En modo Manual la pantalla de control se verá de la siguiente forma: La línea superior mostrará el estado del sistema y la velocidad actual. Dicha velocidad se puede cambiar en cualquier momento mediante el tablero digital, la nueva velocidad se mostrará en la línea inferior, en el lugar marcado por los símbolos #, una vez escrita la velocidad deseada y presionando la tecla [Enter], la nueva velocidad quedará activada. El motor del equipo de corte es controlado mediante los botones de control (ver Fig. 9): [Stop] Cancela todo movimiento del motor. [Forward] Mueve hacia adelante la caja de corte a la velocidad presente. [Reverse] Mueve hacia atrás la caja de corte a la velocidad presente

40 [Fast Forward] Mueve hacia adelante la caja de corte a la máxima velocidad. [Fast Reverse] Mueve hacia atrás la caja de corte a la máxima velocidad. [Run] Mueve hacia adelante la caja de corte a la velocidad presente. [Pause] Pone en pausa el motor, durante esta pausa se puede introducir una nueva velocidad mediante el tablero de control, al volver a oprimir la tecla de pausa, la máquina continuará hacia delante con la nueva velocidad. Para seleccionar el modo de operación Set 0 Datum presione la tecla [Mode] hasta que la pantalla se muestre de la siguiente forma: Una vez que la pantalla se muestre de esta manera presione la tecla [Ent] para dejar activo este modo de operación. Cuando este modo de operación, Punto de Retorno (Set 0 Datum), está activo se establece un punto cero o de retorno, el símbolo aparece en la línea superior de la pantalla cuando este punto esté definido, cada vez que se oprima la tecla [ ] la máquina retornara a este punto a la máxima velocidad y se detendrá al llegar a dicho punto. Este punto de retorno se borra al volver al modo Manual. 3 Puesta en marcha del nuevo equipo de corte directo Para la puesta en marcha del nuevo equipo de corte directo del LANAMME, se debió realizar una evaluación funcional y operacional del equipo, con el objetivo de determinar el estado en que se encontraba el equipo, debido a que se trata de un equipo nuevo; y que además, tenía un periodo aproximado de un año sin uso

41 El primer componente evaluado fue el anillo de carga. Este accesorio no se había empleado antes y contaba con la calibración del fabricante, por cuanto no fue necesario realizar ninguna evaluación. Para el anillo de carga fue necesario calcular la constante del anillo. Esta operación se realizó con la información de la calibración del anillo, la cual es proporcionada por el mismo fabricante del anillo de carga. Los datos empleados para la determinación de la constante del anillo de carga, así como el gráfico resultante (ver gráfico 1) se muestran a continuación. Tabla 3. Datos de la calibración del anillo de carga, según el fabricante. Carga Divisiones (kn) C R (N/div) 00 0,6 193,1 3,107 0,8 257,6 3,106 1,2 390,2 3,075 1,6 521,4 3,069 2,0 655,3 3,052 2,4 788,1 3,045 2,8 919,0 3,047 3,2 1055,1 3,033 3,6 1188,1 3,030 4,0 1327,7 3,013 4,5 1494,6 3,011 Promedio, C R (N/div) 3,05 Fuente: ELE internacional

42 Gráfico 1. Curva de calibración del deformímetro de carga. Calibracion del Deformimetro de Carga F6773. Equipo Corte Directo CD003 3,120 Constate del Anillo CR (N/div) 3,100 3,080 3,060 3,05 3,040 3,020 Serie Promedio 3, Lecturas del Defomimetro de Carga (div) Los siguientes accesorios analizados fueron los deformímetros vertical y horizontal, dichos elementos no contaban con ninguna prueba de calibración previa. Durante la calibración de estos elementos se determinó que ambos medidores estaban defectuosos. Debido a esto, fueron remplazados por dos deformímetros digitales nuevos y calibrados por un laboratorio especializado en calibración de equipos de laboratorio. El último elemento por analizar, fue el estado del motor del aparato de corte, en relación a la variación de la velocidad entregada por el equipo y la registrada en el panel de control. La verificación para determinar cuál es la variación entre la velocidad introducida en el panel de control y la velocidad real durante las prueba consistió en medir la velocidad