GEOTECNIA I Año Académico

Transcripción

1 GEOTECNIA I Año Académico Dr. Lorenzo Borselli Instituto de Geología Fac. De Ingeniería, UASLP lborselli@gmail.com

2 Parte VI resistencia al corte de los Geomateriales Objetivo: fundamentos de la teoría de la resistencia al corte de geomateriales naturales y artificiales. Las pruebas de laboratorio y sus interpretación. Ámbito de aplicación : diseño de cimentaciones, estabilidad de taludes y estructuras de contención

3 Resistencia al corte de geomateriales Suelos Rocas Las resistencia al corte de los geomateriales se puede definir como la resistencia hasta ruptura que se desarrolla en superficies o planos interno al material.. Macizo rocosos Rocas Esta resistencia depende da una Muchísimos de factores geológicos, estructural, físicos e químicos Macizo rocoso suelos

4 Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas Esfuerzo cortante y resistencia al corte (shear strength)

5 Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas

6 Resistencia al corte y su significado físico Cuando el esfuerzo cortante supera el limite de resistencia cortante las partículas se mueven la una respecto a la otras secundo un a superficie de mínima resistencia Resistencia friccional

7 Fricción y ángulo de fricción f Es equivalente a el ángulo que la resultante R tiene con la dirección de la fuerza normal Aplicada. En términos de presión el valor limite de resistencia al deslizamiento está relacionado en modo linear al producto de a la tangente de f por el esfuerzo normal aplicado

8 Principio de fricción en el deslizamiento de un cuerpo arriba de un plano inclinado

9 De Vallejo et al. (2002) Desarrollo de fuerza tangenciales y normales al punto de contacto de partículas del suelo Suelo granular cementado y potencial superficie de ruptura entre los gránulos

10 Resistencia cohesiva t s n =0 Resistencia al corte t c s n tanf Ecuación de Coulomb A la resistencia friccional se junta una componente que se manifiesta in manera directa cuando valores de presión normal son cerca de cero En este caso, con esfuerzo normal =0, toda la resistencia tangencial es sostenida da esta COHESION

11 De Vallejo et al. (2002) Resistencia al corte en términos de stress eficaz t c' s ' n tanf' Ecuación de Coulomb Versión 1.4 Last update Geotecnia I (2013/2014) Docente: Dr. Lorenzo Borselli

12 t c' s ' n tan f' Suelos gruesos no -cohesivos Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz c' 0 s ' n lim 0 t 0 Hay resistencia la corte cerca de cero en condiciones de estrés eficaz normal cerca de cero. Esto por suelos gruesos no -cohesivos.

13 t c' s ' n tan f' Suelos finos cohesivos. Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz c' 0 s ' n lim 0 t c' Tal vez Hay resistencia al corte >0 también en condiciones de estrés eficaz normal cerca de cero. Esto por suelos finos cohesivos.

14 Resistencia cohesiva La resistencia cohesiva ésta relacionada a la presencia de Varios tipos de enlace físico y químico entre las partículas solidas de suelos y rocas La cohesión ésta macroscópicamente relacionada con la plasticidad y la capacitad de remodelar una muestra de suelo Limo Arcilla Limo arcilla

15 Resistencia al corte en suelos Suelos fino y arcillosos: Efecto minerales arcillosos y contenido de agua Suelos gruesos y Angulo de fricción Dependiendo del índice de vacíos e. Estos suelos (casi) no tienen cohesión

16 Direct shear box

17 Direct shear cell Para rocas en sitio

18 Pruebas de corte directo ( direct shear box ) s n2 s n3 s n1 t t t t s n1 s n2 s n3 s n s n s 1 2 n3 Diferentes Pruebas (3 o mas) de corte directo con presión normal creciente, registrando la deformación tangencial hasta ruptura y mas allá..

19 s n3 s n2 s n1 f p f r Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo (direct shear box). Con Las parejas de puntos ( t, s n ) que corresponden a las condiciones de stress de pico a ruptura y residuales se hace un grafico y que se usa Previa una interpolación linear de estos puntos la determinación del ángulo de f ricion interna de pico f y residual f, y se a caso de la intercepta de Cohesión C p r

20 Mohr-Culoumb criterio de ruptura Curva general de la condiciones al borde de ruptura

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22 Mohr-Culoumb criterio de ruptura

23 Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box ) Tipos de curvas y Materiales: Coesivos (a), no cohesivos (b), Rocas y suelos (c), Ruptura con Deformación frágil y dúctil (d), Angulo de fricción de pico y residual (e).

24 Angulo de fricción interna y cohesión de suelos y rocas Suelos gruesos Rocas fracturadas Arcillas, suelos finos Rocas muestras intactas

25 ..Otra tabla por geomateriales no cohesivos (suelos gruesos) N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos > 30 grados

26 Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación, textura y densidad en un suelo grueso

27 Valores de ángulo de fricción en función de la densidad(seca) y densidad relativa en suelos gruesos

28 Otra tabla por suelos cohesivos N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos < 30 grados Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad de gruesos en suelos finos

29 Valores de ángulo de fricción(de pico y residual en función de el índice de plasticidad del suelo por suelos de origen sedimentaria (la mayoría de los casos) y suelos con contenido de coloides (minerales arcillosos) en condiciones amorfa (no cristalina) (allofhanic soils)

30 Superficie de ruptura en le suelo debida a shear stress (microscopio electrónico )

31 Resistencia al corte en rocas y macizos rocos

32 Compression Traccion Corte

33 Resistencia al corte en discontinuidad Efecto microscópico i = angulo de dilatancia Rugosidad de las superficies de discontinuidad Versión 1.4 Last update Geotecnia I (2013/2014) Docente: Dr. Lorenzo Borselli

34 Resistencia al corte en discontinuidad Efecto microscópico i = angulo de dilatancia

35 Tabla de JCR Criterio de Barton (1985) y Patton (1966) para resistencia al corte en discontinuidad JRC = coeficiente adimensional de rugosidad ) JCS = resistencia compresión uniaxial en la superficie de la discontinuidad ( Mpa) s n = presión normal a la superficie de discontinuidad f b = ángulo de fricción basal (o residual) Barton (1985) Patton (1966)

36 Criterio de Barton (1985) y Patton 1966 para resistencia al corte en discontinuidad. Valuación de JRC por medición de rugosidad

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38 Tilt test y fórmula para calcular el ángulo de fricción basal

39 Ángulos de fricción basal de diferentes tipos de rocas

40 Clasificación aberturas discontinuidades /fracturas

41 Curvas de deformación rupturas per rocas intactas y en rocas con discontinuidades

42 ROCAS

43 Resistencia al corte de material de rellenos de discontinuidades en rocas Fill (relleno de discontinuidad ) roptura Roca intacta

44 Resistencia al corte de macizos rocosos Macizo rocoso: Conjunto roca intacta y discontinuidad

45 La resistencia al corte de un macizo rocosos está relacionada Al tipo de rocas, dimensión de los elementos intactos, densidad y características de las rocas de fracturas, nivel de intemperismo de las rocas, presión del agua y circulación. Clasificación macizo rocoso Parámetros geomecanicos E y f y c

46 Modelo de clasificaciones tratados en la parte II: RMR (rock mass rating, Beniawski (1989) - parte II (pag 33-44) GSI (geological strenght index, Hoek 1994, 2002, 2006) (pag 46-57) RMR RMR= suma de puntuación de 5 factores Parámetros base la clasificación: Resistencia a compresión simple de la roca intacta RQD Espaciamiento de discontinuidades Condición de las discontinuidades Condiciones de agua subterránea Orientación de discontinuidades Revisar en la parte II como obtener el índice RMR La suma de estos factores es entre 0 y 100

47 Correlación El RMR está correlacionado empíricamente con el módulo de Young del macizo rocoso roca: E = 2 * RMR 100GPa (para RMR>50) E = 10 (RMR 10) / 40

48 c f Parámetros de resistencia al corte da clasificación RMR de un macizo rocoso

49 Clasificación GSI (Hoek, 1994; Hoek et al. 1995;Hoek et al. 2002) El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas de campo. Las observaciones se basan en la apariencia del macizo a nivel de estructura y a nivel de condición de la superficies de la discontinuidades. A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de alteración que sufren las rocas, discontinuidad que existe entre ellas. Por las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si ésta esta alterada, si ha sufrido erosión o que tipo de textura presenta, y el tipo de alteración existente Revisar en la parte II como obtener el índice GSI Roclab 1.0 viejo ma excelente freware software da: (ahora ya no esta disponible freeware)

50 Roclab 1.0 software freeware de Rocscience inc. : estuvo libre hasta el 2014 pero ahora no. Pero hay una solucion alternativa..

51 ORMAS 1.0 una solucion alternativa.. De hecho es equivalnete a la funcionalitades de ROCLAB 1.0 pero es on-line y de uso libre..

52 Paso 1 - evaluar la estructura de un macizo rocoso

53 Paso 2 - indicar la resistencia a la Compresión uniaxial de la roca intacta

54 Paso 3 - indicar el tipo litologico

55 Paso 4 - indicar el factor de disturbo

56 Parametros macizo rocoso Valore finales

57 Parámetros mecánicos desde RMR y GSI Diferencias fundamentales : 1) RMR permite de evaluar parámetros aproximados y estáticos 2) GSI permite de evaluar parámetros dinámicos, ósea que dependen da el Estado tensional de cada especifico lugar (ejemplo en superficie o en profundidad ) de un macizo rocoso. 3) En este sentido GSI permite de asociar a casa punto un particular modelo non linear de círculos de Mohr

58 Comparación valores tabla beniawski (RMR) y datos experimentales De resistencia al corte En macizo rocos non saturados y saturados Se observa que los valore según la tabla Beniawski (RMR) sobra estiman de mucho El ángulo de ficción y la cohesión.

59 Estima rápida de valores de Angulo de fricción interna y de cohesión de macizo rocoso con modelo GSI Nota: el coeficiente mi depende del tipo litológico (se vean los apuntes en parte II)

60 Fracción ee Resistencia compresión uniaxial macizo rocoso y de la roca Intacta.. s s cm c Dependiendo del tipo de clasificación de macizo Rocoso (Hoek 2004)

61 Ejemplo Clasificación GSI Unidad 1: estratos y bloques angulares con muchas familias de discontinuidades. Medio Nivel de alteración de la superficies. GSI =45-35 Unidad 1 Unidad 2 Unidad 2: estructura con alto nivel de disturbo y muy poca interconexión entre bloques, que se encuentran muy fragmentados y alterados GSI =20-10

62 Resistencia al corte: pruebas de laboratorio 1. Prueba corte directo 2. Prueba triaxial 3. Prueba compresión uniaxial

63 Direct shear box O prueba de corte directo

64 Pruebas de corte directo ( direct shear box ) s n2 s n3 s n1 t t t t s n1 s n2 s n3 s n s n s 1 2 n3 Diferentes Pruebas (3 o mas) de corte directo con presión normal creciente, registrando la deformación tangencial hasta ruptura y mas allá..

65 s n3 s n2 s n1 f p f r Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo (direct shear box). Con Las parejas de puntos ( t, s n ) que corresponden a las condiciones de stress de pico a ruptura y residuales se hace un grafico y que se usa Previa una interpolación linear de estos puntos la determinación del ángulo de f ricion interna de pico f y residual f, y se a caso de la intercepta de Cohesión C p r

66 Corte directo Condiciones básica de prueba : Suelos gruesos o granulares La densidad relativa del suelo grueso afecta el grafico en el plano tau-épsilon (deformación horizontal )

67 Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box ) Tipos de curvas y Materiales: Coesivos (a), no cohesivos (b), Rocas y suelos (c), Ruptura con Deformación frágil y dúctil (d), Angulo de fricción de pico y residual (e).

68 Suelos grueso (no cohesivo) Construcción de curvas de ruptura con direct shear box Suelo finos

69 Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación, textura y densidad en suelos gruesos

70 Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad de gruesos en suelos finos cohesivos

71 Prueba triaxial Equipo de prueba

72 Stress principales Stress deviatorico También se pude medir siempre, y en cada momento la presión de poros u adentro el ensayo

73 Ensayos con su deformación final al termine de la prueba

74 Condicione s de Prueba Triaxial Hay tres tipos principales de test 1) CD test (consolidado drenado) Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral incrementando la presión de poros sin drenaje Fase B) se aplica uno stress deviatorico y se permite el drenaje y la consolidacion

75 CD test suelos árenos y arcilla normal consolidada CD test arcilla sobra consolidada

76 2) CU test (consolidado no drenado) Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral incrementando la presión de poros con drenaje permitiendo la consolidacion Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta ruptura En cada momento esta posible Conocer el stress totale y el stress eficaz

77 3) UU test (no consolidado -no drenado) Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral incrementando la presión de poros sin drenaje Entonces non permitiendo la consolidacion Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta ruptura Análisis en stress totales

78 Construcion de graficos en prova triaxial

79 Video acerca de la Prova Triaxial CD:

80 Prueba de compresión uniaxial no confinada (arcillas saturadas ) Nota bien: no hay presión de confinamiento lateral Sigma3 =0

81 Pruebas en sitio pruebas en sitio para medición o estima de resistencia al corte

82 Prueba VST (Vane shear test)

83 Pruebas en sitio

84 Vane test Insertado en suelos finos y Arcillosos. Y la resistencia la corte en condiciones de no drenaje se Calcula con: c u 6 7 T d 3 T es el torque (momento de la fuerza ) que se aplica para iniciar el movimiento

85 Cone penetration test CPT-CPTU (ASTM D-5778)

86 Cone penetration test CPT-CPTU CPTU con punta electrica

87 Cone penetration test CPT-CPTU (ASTM D-5778)

88 CPTU punta eléctrica Animacion prueba CPTU ne/research/misc/cptu%20animation.pps

89 CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final )

90 CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final)

91 CPTU punta eléctrica Clasificación de tipo de suelos con dato de prueba en sitio CPTU

92 CPT derivación parámetros de Resistencia al corte en caso de suelos gruesos y no cohesivos En el ejemplo se estiman phi=34 grados

93 Suelos NO Cohesivos CPT derivación parámetros de Resistencia al corte por suelos (no cohesivos y cohesivos ) Suelos Cohesivos

94 Standard penetration test - SPT

97 Mostrador y punta de prueba SPT Standard penetration test SPT Recuperación y inspección muestra

98 Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos gruesos Standard penetration test (SPT)

99 Standard penetration test - SPT Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Arenosos medio fino

100 Standard penetration test - SPT Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Arenosos gruesos

101 Standard penetration test - SPT Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Cohesivos arcillosos

102 Standard penetration test SPT Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Cohesivos arcillosos y limosos arcillosos

103 Comparación pruebas en sitio

104 Comparación pruebas en sitio

105 Rocas-pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS) Schmidt s Hammer para medición de la resistencia a la compresión uniaxial de rocas y concreto: aplicación en rocas.

106 Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS) Schmidt s Hammer detaille equipo

107 Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS) Shmidt's Hammer -- UCS by N (Kihc & Teymen 2008) 100 UCS (MPa) 10 UCS= N N (Corrected rebound number) Schmidt s Hammer: Evaluación de UCS por medio de numero de rebotes medidos (correlaciones experimentales..)

108 Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS) Schmidt s Hammer: Evaluación de modulo de Young Por medio de numero de rebotes medidos (correlaciones experimentales..)