ENSAYOS DE RESISTENCIA CORTANTE

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL SECCIÓN DE POSTGRADO ENSAYOS DE RESISTENCIA CORTANTE Dr. Jorge E. Alva Hurtado, PhD

2 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE Y DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA Ensayos de laboratorio Corte directo Compresión triaxial Compresión no confinada Consolidación isotrópica Ensayos in situ Aparato de Veleta de Corte Ensayo de Penetración Estándar (SPT) Ensayo de Penetración con Cono Holandés (CPT) Ensayo de Carga Directa Ensayo de Corte Directo Insitu

3 ENSAYO DE CORTE DIRECTO

4 ENSAYO DE CORTE DIRECTO Objetivo: Medir la resistencia cortante de suelos granulares Equipo: Se utiliza el aparato para Corte Directo (caja partida un fija y la otra se puede mover horizontalmente con una fuerza horizontal aplicada) Procedimiento del Ensayo: - Colocar el especimen al interior de la caja - Aplicar esfuerzo vertical - Aplicar esfuerzo horizontal hasta la falla

5 σ = N A τ = F A Esquema del Aparato de Corte Directo

6 τ φ τ φ σ C σ Envolvente de falla para una arena seca ensayada en corte directo Envolvente de falla para una arcilla dura ensayada en corte directo

7 Detalles del Ensayo y la Caja de Corte Directo Deformimetro para medir desplazamientos verticales y observar la consolidación en ensayos consolidados Juego de tornillos para fijar en posición la cabeza de carga Deformimetro para medir el desplazamiento lateral Pasadores de alineación asegurarse de removerlos antes de aplicar la carga horizontal Pυ Piston de carga Muestra de Suelo Espacio ligeramente mayor que el tamaño de la máxima partícula en la muestra Bordes estriados para retener la muestra Juego de tornillos para separar las partes de la caja de corte. Retrocederlos después de ajustar los tornillos contra el pistón o bloque de carga

8 Ensayo de corte Directo: ASTM D3080 CARGA NORMAL: Se aplica por un mecanismo de suspensión y palanca Tornillos que mantienen unidas las dos mitades de la caja de corte Tornillos separadores CAJA CORTANTE: Se aplica con un gato de tornillo Muestra de Suelo CARGA CORTANTE: Se mide con un anillo de carga o celda de carga Piedras porosas (en pruebas drenadas) CAJA DE CORTE DIRECTO Placas acanaladas para ayudar a una mejor distribución del esfuerzo cortante (perforadas en las pruebas drenadas

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14 Equipo de Corte Directo para Suelos Granulares Equipo mecánico. Se usa en suelos granulares

15 Equipo de Corte Directo Residual Totalmente electrónico. Permite mayores deformaciones. Se usa en suelos finos

16 Resistencia Residual : Anillo de Corte Directo σ n Muestra para prueba rápida de corte Bishop et al, 1964 Bromhead, 1979

17 6 Resistencia máxima Esfuerzo tangencial (kg/cm 2 ) 4 2 Resistencia residual Deformación tangencial (%) Prueba de corte directo con drenaje de la lutita de Cucaracha (Margen del Canal de Panamá, 1947)

18 Esfuerzo tangencial Máximo s.c. Máximo n.c. σ = constante Residual c φ fin Máximo s.c. Máximo n.c. Residual 0 Desplazamiento 0 σ Esfuerzo efectivo sobre el plano de corte Humedad n.c. s.c. Desplazamiento Relación entre las resistencias máxima y residual

19 40 φµ Arenas 30 Selset Cuarzo (orientación aleatoria) Wiener Tegel φ fim Jackfield Jari Arcilla de Oxford Arcilla de Londres Weser-Elba Walton s Wood Pequeño Belt Cuarzo Clorita Talco Biotita Fracción arcillosa ( < 2 µ) (%) Relación entre φ fim y el porcentaje de arcilla (Según Skempton, 1964)

20 ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE

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25 ENSAYO DE CORTE TRIAXIAL

26 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO UU (NO CONSOLIDADO-NO DRENADO) a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO RÁPIDAMENTE SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA τ ff = Su insitu τ ff b) PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUÍDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLA τ ff τ ff = Su del núcleo de arcilla compactada c) ZAPATA CONTÍNUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLA q u D q u = 5.7 Su + γ t D de la fórmula de capacidad de carga de Terzaghi con φ = 0 B

27 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD (CONSOLIDADO - DRENADO) a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA τ ff = Sd resistencia cortante drenada insitu τ ff b) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTE τ ff = Sd del núcleo de arcilla τ ff c) ZAPATA CONTÍNUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LA CONSTRUCCIÓN D q u q = c Nc + 1 γ BN + γ γ 2 u DN q donde Nc, N γ y Nq son función de φ B

28 EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU (CONSOLIDADO - NO DRENADO) a) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL 2 1 τ ff = Su insitu después de consolidación bajo capa 1 τ ff b) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEO τ ff = Su del núcleo correspondiente a consolidación bajo infiltración constante antes del desembalse τ ff c) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURAL τ ff = Su insitu de arcilla en el talud natural antes de construcción τ ff

29 ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA b P, P ARCILLA SOBRECONSOLIDADA b P, P RESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA

30 ENSAYO TRIAXIAL Objetivo: Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos en diferentes condiciones de carga y drenaje. σ 3 σ d σ 1 σ 1 = σ 1 u σ 3 + = σ 3 u σ 3 = σ 3 u σ 3 1 ETAPA 2 ETAPA σ 1 = σ 3 + σ d σ d = σ 1 σ 3

31 Tipos de Ensayos Triaxiales - Ensayo No Consolidado - No drenado (UU) Construcción rápida en arcillas blandas Análisis al final de la construcción de presas de tierra - Ensayo Consolidado - Drenado (CD) Construcción en arenas. Construcción lenta en arcillas. Análisis en el estado de infiltración constante de presas de tierra. - Ensayo Consolidado - No Drenado (CU) Construcción rápida sobre arcillas sobreconsolidadas. Análisis de desembalse rápido de presas de tierra.

32 Resistencia Cortante Piston Porous stone Lucite chamber Shear Stress Ruber membrane Soil specimen Base plate Chamber fluid Porous stone Valve c φ To drainage and/or Pore water pressure device Schematic diagram of triaxial test equipment (a) σ 3 σ 3 σ1 σ1 Consolidated Drained test (b) Normal Stress

33 Shear Stress Total Failure envelope φ cu c cu σ 3 σ 3 σ 1 σ 1 Normal Stress σ Shear Stress Shear stress Effective stress Failure envelope Total stress Failure envelope (φ=0) φ S=C CU c σ 3 σ 3 σ 1 σ 1 Normal Stress σ σ 3 σ 3 σ 1 σ 1 Normal Stress Consolidated Undrained test (c) Unconsolidated Undrained test (d)

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55 q Sen φ = tg α a c = cos φ α Q = a + b tgα a P

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57 ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN-SITU

58 TALLADO DE ESPECÍMENES PARA REALIZACIÓN DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN SITU

59 ENCOFRADO DE ESPECIMEN CON LA FINALIDAD DE LOGRAR LA HOMOGENEIDAD DE LAS PAREDES MEDIANTE EL VACIADO DE UNA MEZCLA DE CEMENTO CON YESO

60 EJECUCIÓN DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN EL ESPÉCIMEN 1 CON UNA CARGA NORMAL DE 0.5 kg/cm 2

61 ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN ESPÉCIMEN 2. SE APRECIAN LAS CELDAS DE CARGA NORMAL Y TANGENCIAL, ASÍ COMO LOS DEFORMÍMETROS

62 EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y GATAS HIDRÁULICAS UTILIZADAS PARA LA APLICACIÓN DE LA FUERZA TANGENCIAL Y NORMAL

63 c = 0.27 kg/cm 2 φ = 43.5 º

64 ENSAYOS DE CARGA IN SITU

65 ENSAYO DE CARGA IN-SITU

66 INSTALACIÓN DE LA PLACA

67 INSTALACIÓN DE LOS SOPORTES PARA LOS EXTENSÓMETROS Y LA CELDA DE CARGA

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69 ENSAYO DE PLACA

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71 EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS

72 ENSAYO DE CARGA DIRECTA CARGA (Kg/cm 2 ) ASENTAMIENTO (mm)

73 PARAMETROS DE RESISTENCIA

74 SUELO GRANULAR Problema Angulo de fricción Depende de Resistencia interna de la arena para pequeñas deformaciones Resistencia interna de las arenas para grandes deformaciones Deslizamiento de la arena sobre una superficie lisa Deslizamiento de la arena sobre una superficie rugosa Angulo de fricción máximo φ Composición del suelo; relación de vacíos inicial; esfuerzo de confinamiento inicial Angulo de fricción residual φ cν Composición del suelo; relación de vacíos en el estado residual Angulo de fricción entre partículas φ µ Naturaleza de los minerales del suelo y de su estado superficial Angulo de fricción residual φ cν Composición del suelo; relación de vacíos en el estado residual Tìpos de ángulo de fricción a utilizar en diversos problemas prácticos

75 50 45 Angulo de fricción φ (grados) Porosidad inicial (%) Relación de vacíos inicial Relación entre el ángulo de fricción y la porosidad inicial para diversos suelos granulares

76 Muy suelta Suelta Muy compacta 0 Media Compacta 10 Penetración estándar (golpes/30 cm) φ (grados) Correlación entre el ángulo de fricción y la resistencia a la penetración (Según Peck, Hanson y Thornburn, 1953)

77 Resumen de datos sobre ángulos de fricción para su utilización en anteproyectos Ángulos de fricción Para la resistencia máxima Angulo de talud natural Para la resistencia residual Compacidad Media Compacta Clasificación i( ) Limo (no plástico) 26 a 30 Arena uniforme fina a media 26 a 30 Arena bien graduada 30 a 34 Arena y grava 32 a 36 Talud (vert. a hor.) 1:2 1:1.75 1:2 1:1.75 1:1.75 1:1.50 1:1.60 1:1.40 φ cν ( ) 26 a a a a 36 tg φ cν φ( ) tg φ φ( ) tg φ Según B. K. Hough, Basic Soils Engineering. Copyright 1957, The Ronald Press Company, Nueva York a a a a a a a a Nota. Dentro de cada gama se asignan los valores menores si las partículas son redondeadas y si existe un contenido importante de lutita blanda o mica, mientras que los valores más elevados corresponden a partículas duras, angulosas, Utilícese menores valores para presiones normales altas que para presiones moderadas

78 SUELO COHESIVO DRENADO Suelo inalterado Suelo remoldeado Actividad > 0.75 Actividad < sen φ Indice de plasticidad (%) Relación entre sen φ y el índice de plasticidad para suelos normalmente consolidados (según Kenney, 1959)

79 Métodos normales para medir la resistencia al corte sin drenaje Método Medidas in situ 1. Prueba de veleta Observaciones Generalmente se considera que da los mejores resultados, pero su uso está limitado por la resistencia del suelo que se pretende estudiar 2. Prueba de penetración Da una correlación sólo aproximada con la resistencia Medidas en muestras inalteradas 1. Compresión simple Es la mejor prueba para fines generales, subestima la resistencia debido a que la perturbación disminuye los esfuerzos efectivos 2. Pruebas SCSD con la presión de confinamiento existente in situ 3. Pruebas CSD con la presión de confinamiento existente in situ Es la más representativa de las pruebas de laboratorio debido a la compensación de errores Superestima la resistencia debido a que la perturbación da lugar a una menor humedad después de la reconsolidación

80 0.7 Cociente de la resistencia al corte sin drenaje y la presión de consolidación, su/σv Arcillas marinas Relación aproximada para las arcillas especiales Indice de plasticidad Variación de la relación su/σ 10 con el índice de plasticidad (según Osterman, 1959)

81 Magnitud relativa de las resistencias al corte con o sin drenaje Carga en compresión triaxial (σ 1 creciente con σ 3 constante) Descarga en compresión triaxial (σ 1 constante con σ 3 decreciente) Arcilla normalmente consolidada CD > CSD CSD CD Arcilla fuertemente sobreconsolidada CSD CD CSD >> CD Nota: Estas comparaciones son aplicables a muestras con el mismo esfuerzo efectivo inicial.

82 Elección del método de cálculo de estabilidad en esfuerzos totales o efectivos Caso Método preferible Observaciones 1. Final de la construcción con suelo saturado; período de construcción corto respecto al de consolidación Cálculo S u con φ = 0 y c = S u El método c, φ permite comprobaciones durante la construcción mediante las presiones intersticiales reales 2. Estabilidad a largo plazo El método c, φ con presiones intersticiales deducidas de las condiciones de equilibrio del agua freática 3. Final de la construcción con suelo parcialmente saturado; período de construcción corto respecto al de consolidación Cualquier método: c u, φ u en pruebas SCSD o el c, φ u con presiones intersticiales estimadas El método c, φ permite comprobaciones durante la construcción mediante las presiones intersticiales reales 4. Estabilidad en fase intermedias Método c, φ con presiones intersticiales estimadas Las presiones intersticiales reales deben comprobarse in situ

83 Presión intersticial inicial Presión intersticial final Nivel freático final Nivel freático original P Presión intersticial al final de la excavación A = 1 Línea equipotencial Presión intersticial al final de la excavación A = 0 F, factor de seguridad u, presión intersticial en P 0 Nivel freático original A = 1 A = 0 Aplicable el método φ = 0 en esta fase A = 0 Factor de seguridad (método c, φ) A = 1 Nivel freático final Tiempo 0 Excavación rápida Redistribución de presiones intersticiales Tiempo Equilibrio de presiones intersticiales Variación de las presiones intersticiales y del factor de seguridad durante y después de la excavación de una trinchera en arcilla (Según Bishop y Bjerrum, 1960)

84 Nivel de agua máximo h r h w h' Superficie de deslizamiento de aguas arriba Relleno de roca h c Superficie de deslizamiento de aguas abajo P Línea equipotencial correspondiente al punto P antes del vaciado Esfuerzo tangencial medio en una superficie de deslizamiento pasando por P Construcción Disipación de presiones intersticiales Aguas abajo Aguas arriba Embalse lleno Llenado Flujo Vaciado rápido Embalse vacío Tiempo establecido Presión intersticial media en una superficie de la falla pasando por P Suponiendo que no hay disipación Aguas arriba Aguas abajo u 1 u 2 u 3 Tiempo u 0 Aguas arriba F, factor de seguridad Aguas abajo Tiempo Variación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor de seguridad y después de la construcción de una presa de tierra (basado en datos de Bishop y Bjerrum, 1960)

85 Nivel freático P τ Altura del terraplén Esfuerzo tangencial medio τ en una superficie dada que pasa por P 0 Tiempo Presión intersticial en P u Correspondiente al nivel freático 0 Tiempo Método φ = 0 aplicable en este caso F, Factor de seguridad Factor de seguridad frente a un deslizamiento en la cimentación (Método c, φ) Tiempo Construcción Distribución de presiones intersticiales Equilibrio de presiones intersticiales rápida Variación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor de seguridad y después de la construcción de terraplén (Según Bishop y Bjerrum, 1960)

86 Elementos necesarios para el cálculo en esfuerzos totales o efectivos Se necesitan Observaciones Los esfuerzos totales en el suelo debidos a las fuerzas de masa y a las cargas exteriores Pruebas para determinar la resistencia del suelo sometido a variaciones de esfuerzo total semejantes a las que se producirán en la masa del suelo Los esfuerzos totales en el suelo debidos a las fuerzas de masa y a las cargas exteriores CALCULO EN ESFUERZOS TOTALES Común a ambos métodos La precisión de las pruebas es siempre dudosa ya que la resistencia depende de las presiones intersticiales inducidas y éstas a su vez dependen de muchos detalles del método de prueba; las pruebas son fáciles de realizar CALCULO EN ESFUERZOS EFECTIVOS Común a ambos métodos Pruebas para determinar la relación entre resistencia y esfuerzo efectivo Determinación de las variaciones de presión intersticial debidas a variaciones en las cargas exteriores Puede realizarse con considerable precisión ya que esta relación no es muy sensible a las condiciones de la prueba; las pruebas requieren bastante tiempo La precisión es siempre dudosa debido a los múltiples factores que influyen sobre la magnitud de las variaciones de la presión intersticial

87 Comparación entre los métodos de cálculo en esfuerzos totales y efectivos Criterio Esfuerzo total Esfuerzo efectivo Sencillez y volumen de cálculo o pruebas Precisión Calidad de los resultados Mucho menos trabajo ya que el cálculo en esfuerzos efectivos tiene el paso extra de determinar la variación de presiones intersticiales Ninguna diferencia: la misma laguna que hace difícil calcular la variación de presiones intersticiales, implica la dificultad de crear las condiciones adecuadas en pruebas sin drenaje Más claro, debido a que la resistencia viene determinada por los esfuerzos efectivos. Es posible comprobar el proyecto mediante medidas de presiones intersticiales durante la construcción

88 ENSAYOS IN SITU

89 Field Investigation Methods {

90 Standard Penetration Test {

91 { CPT Test Equipment

92 { Dilatometer

93 { Field Vane Test

94 Pressuremeter Test, PMT {