ENSAYOS DE RESISTENCIA EN SUELOS

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1 ENSAYOS DE RESISTENCIA EN SUELOS ENSAYOS DE CORTE: Corte directo: convencional y anular Corte simple Vane test ENSAYOS DE COMPRESIÓN: Triaxial convencional: σ 2 = σ 3 ; compresión simple, estándard, extensión. Triaxial verdadero : σ 2 σ 3 ; control de las tensiones, control de las deformaciones, control mixto. ENSAYOS CON CONTROL DE 4 COMPONENTES DE σ ij : Corte direccional: σ x ; σ y ; σ z ; τ xy Cilindro hueco: P ext ; P int ; P w ; τ tors ENSAYOS CÍCLICOS Y DINÁMICOS: Triaxial cíclico Corte cíclico Columna resonante

2 ENSAYOS DE CORTE 1. EQUIPO DE CORTE DIRECTO 1.1 Célula y mecanismo de rotura; procedimiento de ensayo 1.2 Ensayos de corte directo en arena: drenado en arena densa y suelta 1.3 Ensayos de corte directo en arcilla: drenado y no drenado; resistencia residual 1.4 Resultados del ensayo: informe y ejemplos 2. EQUIPO DE CORTE SIMPLE 2.1 Célula y mecanismo de rotura 2.2 Relación de los resultados del corte simple con los del corte directo 3. EQUIPO DE CORTE ANULAR 3.1 Célula y mecanismo de rotura 3.2 Resultados del ensayo 4. ENSAYO DE VANE TEST 5. COMPARACIÓN ENTRE LOS DIVERSOS ENSAYOS DE CORTE

3 1. EQUIPO DE CORTE DIRECTO 1.1 Célula y mecanismo de rotura; procedimiento de ensayo

4 PREPARACIÓN DEL EQUIPO: Limpiar y engrasar las paredes del anillo y las superficies de corte Anotar las dimensiones y pesos de los componentes de la célula Ajustar posiciones de los tornillos y comprobar el mecanismo PREPARACIÓN DE LA MUESTRA: Arena: remoldeada Arcilla: inalterada, remoldeada, compactada VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO: Ensayo drenado en arenas: mm/min Ensayo no drenado en arcillas: rotura mm/min; desplazamiento 1 mm/min Ensayo drenado en arcillas: en función del coeficiente de consolidación A partir de la curva de consolidación t rotura 12.7 t 100 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO: Colocar el suelo + rejilla + piedra porosa + pistón + carga vertical Ajustar el comparador: desplazamiento vertical Saturación de la probeta Consolidación de la probeta (tornillos de fijación) Desplazamiento hasta rotura (10-12 mm); inversión del sentido de corte Retirar la carga vertical y el agua de la célula Desmontar la célula y recuperar toda la probeta: humedad y densidad Repetir el ensayo a diferente tensión vertical Análisis de los resultados

5 1.2 Ensayos de corte directo en arena: drenado en arena densa y suelta Ensayo drenado: u = 0 Densidad relativa de la arena: emax e Dr = e max e min Presencia de un pico en la tensión de rotura para arenas densas arena densa Tensión de corte arena suelta Deformación Comportamiento dilatante en arenas densas arena densa Cambio de volumen arena suelta Deformación

6 densidad = potencialidad de dilatancia que depende de e y de p la arena tiende a alcanzar el estado crítico: rotura a volumen constante la densidad inicial define la trayectoria hasta el estado crítico e0 arena suelta Indice de poros (e) ecrítico arena densa Deformación e0 línea de estado crítico arena suelta índice de poros arena densa log p'

7 el ángulo ϕ de pico tiende a ϕ a volumen constante si σ inicial aumenta el valor de la tensión tangencial máxima alcanzada, la de pico en (1), desciende hasta alcanzar la correspondiente a volumen constante que depende de la tensión normal efectiva aplicada: (1), (2), (3) puede ser menos densa aunque e disminuya tensión tangencial envolvente de pico envolvente a volumen constante tensión normal efectiva el ángulo de rozamiento interno depende de la densidad relativa Densidad relativa D r (%) Ángulo ϕ (º)

8 1.3 Ensayos de corte directo en arcilla ENSAYO DRENADO: u = 0 ; u = 0 (presión atmosférica) presencia de un pico en la tensión de rotura para arcilla sobreconsolidadas arcilla SC Tensión de corte arcilla NC Deformación comportamiento dilatante en arcillas sobreconsolidadas arcilla SC Cambio de volumen arcilla NC Deformación

9 la arcilla tiende a alcanzar el estado crítico: rotura a volumen constante el grado de sobreconsolidación define la trayectoria hasta el estado crítico a diferencia de las arenas, existe un determinado valor para la cohesión envolvente de pico (SC) tensión tangencial c' envolvente a volumen constante (NC) tensión normal efectiva el valor de la tensión tangencial máxima alcanzada, la de pico en (1), desciende hasta alcanzar la correspondiente a volumen constante que depende de la tensión efectiva aplicada: (1), (2), (3) 1 p' = σ + σ + σ 3 ' ' ' ( 1 2 3) línea de estado crítico arcilla NC índice de poros arcilla SC log p'

10 ENSAYOS NO DRENADOS UU y CU: e = 0 la velocidad de corte puede ser bastante rápida en el ensayo UU el valor de la resistencia al corte sin drenaje depende de la tensión efectiva inicial y su valor estará relacionado con el grado de sobreconsolidación en el ensayo CU se puede obtener el valor de la cohesión en las arcillas envolvente de pico (efectiva) Ensayo CU tensión tangencial cu cu c' envolvente a volumen constante (SC) Ensayo UU (Pw neg.) envolvente a vol. constante (NC) Ensayo UU (Pw pos.) tensión normal RESISTENCIA RESIDUAL: El anillo del equipo de corte directo convencional se puede invertir el sentido del desplazamiento, lo que permite hacer el ensayo de corte alternativo acumulando los desplazamientos. A partir del punto en que se alcanza el estado crítico (alrededor de 2 mm), se puede alcanzar el valor de la resistencia residual y obtener una envolvente residual que permite estimar el ángulo residual (ϕ res )

11 La reorientación de las partículas del suelo debida al cambio en el sentido del desplazamiento, puede influir en el valor de la tensión tangencial alcanzada. En el análisis de los resultados habrá que tener en cuenta este aspecto. valor de pico (1 mm) Corte directo alternativo Tensión de corte estado crítico (2 mm) 100 mm valor residual (500 mm) Desplazamiento El índice de plasticidad de las arcillas influye notablemente en el valor del ángulo de rozamiento interno a volumen constante y también en el residual. Índice plástico (%) ϕ cv (º) ϕ res (º)

12 1.4 Resultados del ensayo de corte directo: informe y ejemplos INFORME: Descripción del equipo y dimensiones de la probeta Método empleado en la preparación de las probetas Humedad, densidad, índice de poros y densidad relativa de las probetas (inicial y final) Velocidad de desplazamiento y tiempo de rotura Curvas tensión de corte vs. deformación para cada carga vertical Curvas cambio de volumen vs. deformación para cada carga vertical Curva tensión de corte vs. tensión vertical Determinación de la envolvente de rotura Cálculo de la cohesión y el ángulo de rozamiento correspondiente 80 Tensión de corte (kpa) Pico = 61 kpa Muestra M3 Tensión normal 100 kpa Final = 43 kpa Desplazamiento (mm)

13 80 Muestra M2 Tensión normal 500 kpa Tensión de corte (kpa) Desplazamiento vertical (mm) Desplazamiento (mm)

14 400 Tensión de corte (kpa) Primera rotura Valores "finales" Valores de "pico" Φ =11 o Tensión normal (kpa) 500 Tensión de corte (kpa) Y = 0.92 * X ( Φ = 42.6 º) Y = 0.88 * X ( Φ =41 º) Tensión normal (kpa) Resistencia de pico (S5.2/5, lodos)) Resistencia final (S5.2/5, lodos) Resistencia de pico (S1.1/10, piroclastos) Resistencia final (S1.1/ 10, piroclastos)

15 2. EQUIPO DE CORTE SIMPLE 2.1 Célula y mecanismo de rotura

16 2.2 Relación de los resultados del corte simple con los del corte directo Plane strain (ps): condición de deformación plana, corte simple. Direct shear (ds): condición de plano prefijado de rotura. Análisis de las deformaciones (a): Se mide γ xy (desplazamiento) y se obtiene γ (deformación tangencial). En la línea de extensión nula (deformación plana) se verifica que ε xx = 0 Dado que γ/2 = γ xy /2, se obtiene el punto: (0, γ/2) Se calcula el ángulo de dilatancia a partir de los desplazamientos horizontal y vertical ψ = x/ y = ( ε yy /2)/( γ xy /2) y se traza el círculo correspondiente. Se obtiene el punto: ( ε yy, γ xy ) ; siendo ε yy = γ tgψ ; se obtiene el POLO Se obtienen las deformaciones en el eje de deformaciones principales (ε 1, ε 3 ) Análisis de las tensiones (b): A partir de las medidas se obtiene σ yy, τ xy (negativo) y ψ Se obtienen los mismos ejes principales que para las deformaciones Se obtiene el POLO de tensiones y las direcciones principales (σ 1, σ 3 )

17 Rotación de los ejes principales: Experimentalmente se comprueba que en el corte directo se produce una rotación de los ejes principales tanto en la tensiones como en las deformaciones (a, b). En consecuencia la razón entre la tensión de corte y la tensión media cambia en el corte directo respecto del corte simple. El ángulo que forma la horizontal con el plano máximo de razón de tensiones es: φ ps ψ α = 2 Relación entre el ángulo de fricción en deformación plana obtenible con el corte simple y el del corte directo: sinφ ps tanφ ds = cos ψ(1 + tanψtan φ ) ds ; sinφ ps cos ψ tanφ ds = 1 sinφ sinψ ps Relaciones empíricas aproximativas: Rowe (1969): tanφ tanφ cosφ ds ps = ; Bolton(1986): tan φps = 1.2tan φds cv

18 3. EQUIPO DE CORTE ANULAR El equipo diseñado para obtener la resistencia residual en suelos arcillosos. La muestra para el ensayo debe ser remoldeada y por tanto no se pueden obtener los valores de pico si la muestra estaba sobreconsolidada. 3.1 Célula y mecanismo de rotura τ = 3FL π ( rex rin ) Desde el punto de vista del equipo, no existe limitación para el desplazamiento; sin embargo en la práctica la parte fina del suelo se pierde por la junta entre los anillos.

19 3.2 Resultados del ensayo El valor del ángulo residual para los suelos arcillosos suele ser bajo. Habitualmente oscila entre 5 y 15º. Corte anular Tensión de corte valor máximo (2 mm) 100 mm valor residual (1000 mm) Desplazamiento 4 Tensión de corte (kpa) Material Ocre Material Gris Φ = Tensión normal (kpa)

20 4. ENSAYO DE VANE-TEST La velocidad de giro de las paletas es de aproximadamente 6º/min. Ensayo de rotura en condiciones no drenadas. Se obtiene la resistencia al corte sin drenaje: lado de la inseguridad. Ensayo útil en arcillas plásticas blandas.

21 5. COMPARACIÓN ENTRE LOS DIVERSOS ENSAYOS DE CORTE Equipo Ventajas Inconvenientes Corte directo Aparato y principio de funcionamiento sencillo. Ensayos drenados más rápidos que en el triaxial. Adecuado para estudiar la fricción entre materiales diferentes. Corte simple Estado de tensiones y deformaciones definido. Control del drenaje y la presión intersticial. Ensayo no drenado en tensiones efectivas. Corte anular Útil para obtener el ángulo de fricción residual. Grandes desplazamientos. Vane-test Rápido y sencillo. Medida de la sensibilidad en arcillas. Tensiones y deformaciones no homogéneas. Área de contacto cambiante. Sólo se conocen 2 comp. del tensor de tensiones. Presión intersticial y drenaje no controlables. Equipo más complejo y costoso que el corte directo. No se consiguen estados de tensiones y deformaciones uniformes. Mismos inconvenientes que el corte directo. Difícil de ensayar muestras inalteradas. Uso en suelos blandos. Uso sólo en arcillas. c u del lado de la inseguridad.