UNIVERSIDAD DE MAGALLANES

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION Ingeniero Constructor Proyecto de Trabajo de Titulación Implementación del equipo de Corte Directo y su aplicación en algunos suelos típicos de Punta Arenas Alumno: Juan Sebastián Ortiz Bahamondez Profesor Co-referente: José Cárcamo Romero Constructor Civil Profesor Guía: Yasna Segura S. Ingeniero Constructor Punta Arenas, Marzo 2010

2 Agradecimientos: Son muchas las personas que debiesen estar en éstas líneas, pero sólo nombraré a las de mayor trascendencia para mi, personas de las cuales siempre he recibido un apoyo incondicional y que han estado a mi lado en cada paso que he dado. Por sobre todas las personas quisiera agradecer a mi madre, quien me ha guiado, ha estado a mi lado desde siempre, preocupándose por mí, y dándome todo lo que necesité mientras me convertía en el hombre que hoy soy. A mi padre, que siempre estuvo preocupado por mi futuro, indicándome el camino como persona de bien y asegurándose que nunca me faltara nada. Mis hermanos, a Gonzalo, gracias por compartir los buenos momentos de la niñez, y a Nicolás por alegrarme los días con su presencia. Los quiero mucho. Valoro también el apoyo entregado por mi profesor guía, José Cárcamo y también a mis compañeras Ay-ling y Melissa, por la colaboración mutua que existió durante el desarrollo de nuestros trabajos. De manera muy especial quiero agradecer a José Cárcamo Romero por haberme guiado en el desarrollo de mi trabajo, aportarme no sólo con sus conocimientos y material de respaldo para la redacción de éste documento, sino que también por haber realizado las gestiones necesarias para conseguir el muy preciado apoyo de otras personas e instituciones.. Agradezco también a las personas que indirectamente me ayudaron a conseguir mis objetivos, dándome hospedaje mientras recopilaba información y ayudándome con la extracción y el traslado de mis materiales. Finalmente, debo agradecer a todas las instituciones, que sin tener la obligación, de alguna u otra forma me ayudaron a realizar este trabajo con éxito, en especial a IDIEM. 2

3 Tabla de Contenidos Agradecimientos:... 2 Tabla de Contenidos... 3 Tabla de Ilustraciones, Gráficos y Ecuaciones RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN OBJETIVOS CAPITULO I: MARCO TEÓRICO INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURA RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO TEORIA DE COULOMB - TERZAGHI CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Ensayo no consolidado-no drenado (UU) Ensayo consolidado - no drenado (CU) Ensayo consolidado-drenado (CD) Ensayo de Corte Residual CONSOLIDACIÓN CURVAS TÍPICAS DE ALGUNOS SUELOS EN ENSAYOS DE CORTE DIRECTO DRENADO Curvas en Arenas Curvas en Arcillas de baja plasticidad (drenada) Curvas en Arcilla de alta plasticidad (drenadas) TEORÍAS DE FALLA Teoría de Rankine o del máximo esfuerzo normal: Teoría de Coulomb (Navier): Teoría de Mohr: Teoría de Mohr-Coulomb:

4 CAPITULO II: NOCIONES BÁSICAS DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO INTRODUCCIÓN AL EQUIPO CARACTERÍSTICAS GENERALES Modo Stand Alone Modo Red INSTALACIÓN MENÚ PRINCIPAL TEST RUNNING Parámetros para el ensayo de Corte directo: Parámetros para el ensayo de corte residual: Recording Mode Comienzo del ensayo Desmontaje del Soporte Móvil Posicionamiento de los transductores de desplazamiento GESTIÓN DE LOS BLOQUES DE MEMORIA Eliminar bloques de memoria Descarga de bloques OPTIONS (Opciones) CALIBRATION (Calibración) Calibración lineal Calibración Polinominal MANUAL MODE (Modo manual) DESCARGA DE DATOS CON HYPER TERMINAL SYSTEM MENU - MENÚ OCULTO CAPITULO III: ENSAYO DE CORTE DIRECTO Nociones básicas del Ensayo de Corte Directo PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Confección de la Probeta: Confección de Probetas para Suelos Granulares Confección de Probetas para Suelos Finos

5 3.3. AJUSTES DE LA CAJA DE CORTE ANTES DEL ENSAYO CONSOLIDACIÓN Y DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE ENSAYO Determinación de la Velocidad de Corte CORTE DE LA PROBETA CAPITULO IV: IMPLEMENTACIÓN DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO CALIBRACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES CALIBRACIÓN DE LA CELDA DE CARGA CAPITULO V: ENSAYOS DE CORTE DIRECTO A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE PUNTA ARENAS ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO ARCILLOSO ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO GRANULAR ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN LIMO ARCILLOSO ENSAYO DE CORTE DIRECTO A MAZACOTE (CERECO) CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

6 Tabla de Ilustraciones, Gráficos y Ecuaciones. Ilustración 1: Caja de corte del equipo de Corte Directo Ilustración2: Diagrama de fricción: Ilustración3: Diagrama de falla, por esfuerzo cortante en plano de deslizamiento Ecuación Ecuación Ecuación Ecuación Ilustración4: Gráfico que expresa el corte máximo Ilustración5: Curva Intrínseca Ilustración6: Curvas para suelos Cohesivos Saturados Ecuación Ecuación Ilustración7: Proceso de consolidación de un suelo Ilustración8 : Curva de consolidación de un suelo Ilustración9: Curvas de corte drenado sobre muestras granulares de distintas densidades. 37 Ilustración10: Envolventes de rotura en función de la densidad inicial Tabla 1: Valores referenciales del ángulo de fricción Interno de suelos no cohesivos Tabla 2: Correlación entre SPT y el ángulo de fricción interno de suelos granulares Ilustración11: Curvas de ensayos de corte drenado en arcillas de baja plasticidad Ilustración12: Curva de ensayo de corte drenado en arcillas de alta plasticidad Tabla 3: Valores referenciales del ángulo de fricción interno para arcillas Ilustración13: Gráficos de Falla Ilustración14: Curva intrínseca Ilustración15: Diagrama de Esfuerzos principales Ecuación Ecuación Ilustración16: Vista Superior del Equipo de Corte Directo Ilustración17: Vista superior de la Caja de corte Ilustración18: Vista del Panel posterior del Equipo Ilustración19: Vista del Menú Principal Ilustración20: Parámetro para el ensayo de Corte Directo Ilustración21: Parámetros Para el ensayo de Corte Residual Ilustración22: Parámetros para el registro de datos Ilustración23: Comienzo del Ensayo Ilustración24: Montaje del Marco de carga sobre la placa distribuidora de Carga Ilustración25: Componentes del equipo utilizados en el desmontaje del soporte móvil Ilustración26: Desmontaje del Transductor de desplazamiento Horizontal

7 Ilustración27: Tornillos Horizontales que aseguran el bloque de carga al equipo Ilustración28: Montaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. Orificio de fijación. 74 Ilustración29: Transductor de desplazamiento Vertical ya instalado Ilustración30: Menú principal Ilustración31: La ilustración muestra el submenú de Opciones Ilustración32: Protocolos de comunicación del submenú text data format output Ilustración33: Menú de Calibración Ilustración34: Datos de calibración Tabla 4: Configuración para transmisión de datos con Hyper Terminal Ilustración35: Configuración Hyper Terminal Tabla 5: Tamaños de las probetas y Valores máximos para el tamaño de las partículas Ilustración36: Montaje Caja de Corte, paso Ilustración37: Montaje Caja de Corte, paso Ilustración38: Caja de Corte con la muestra de arena en su interior Ilustración39: Colocación de la muestra de suelo fino Tabla 6: Tiempos de reposo según ASTM D Ecuación Ecuación Ecuación Ilustración40: Esquema del soporte del Transductor de desplazamiento vertical Ilustración41: Posicionamiento del deformímetro en la calibración de los transductores Ilustración42: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Horizontal Tabla 7: Registro Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Horizontal Tabla 8: Registro Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Horizontal Tabla 9:Registro Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Horizontal Tabla 10: Registro Serie de calibración 4. Transductor de desplazamiento Horizontal Ecuación 12: Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento horizontal Ecuación 13: Curva de ajuste para el transductor horizontal, corregida a cero Ilustración43: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Vertical Tabla 11: Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Vertical Tabla 12: Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Vertical Tabla 13:Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Vertical Ecuación 14:Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento vertical Ecuación 15: Curva de ajuste para el transductor vertical, corregida a cero Ilustración44: Montaje de la Celda de Carga con los adaptadores Ilustración45: Montaje de la Celda de Carga con el Anillo de Carga CBR Ilustración46: Celda de Carga Montada en la prensa CBR Ecuación 16: Curva de ajuste del Anillo CBR Tabla 14: Serie de calibración 1. Celda de Carga Tabla 15: Serie de calibración 2. Celda de Carga

8 Tabla 16: Serie de calibración 3. Celda de Carga Ilustración47: Gráfico de calibración de la Celda de carga Ilustración48: Gráfico de calibración de la Celda de carga, con ajuste a cero Ecuación 17:Curva de ajuste para la celda de carga Ecuación 18: Curva de ajuste para la celda de carga, corregida a cero Ilustración49: Amasado de la probeta de Arcilla Ilustración50: confección de la probeta con el cortador Ilustración51: Almacenado e identificación de las probetas Tabla 17: Esfuerzos normales en las probetas de Arcilla Ilustración52: Curva de Consolidación para Arcillas Tabla 18: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 27,25 N/cm Ilustración53: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 27,25 N/cm Ilustración54: Gráfico del Asentamiento a 27,25 N/cm 2 para Muestra de Arcilla Tabla 19: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 22,44 N/cm Ilustración55: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 22,44 N/cm Ilustración56: Gráfico del Asentamiento a 22,44 N/cm 2 para Muestra de Arcilla Tabla 20: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 13,63 N/cm Ilustración57: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 13,63 N/cm Ilustración58: Gráfico del Asentamiento a 13,63 N/cm 2 para Muestra de Arcilla Tabla 21: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 6,81 N/cm Ilustración59:Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo 6,81 N/cm Ilustración60: Gráfico del Asentamiento a 6,81 N/cm 2 para Muestra de Arcilla Ilustración61: Curva intrínseca Suelo Arcilloso Ilustración62: Deformaciones verticales de los ensayos del suelo Arcilloso Tabla 22: Densidad Relativa para ensayos de Corte Directo en Arenas Ilustración 63: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR a la arena ensayada Ilustración 64: Gráfico Deformación Vertical vs DLR a la arena ensayada Tabla 23: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 39,24 N/cm Tabla 24:Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 29,43 N/cm Tabla 25: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 19,62 N/cm Tabla 26: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 9,81 N/cm Ilustración 65: Curva Intrínseca para Arena Ilustración 66: Ensayo SPT al suelo del Puente Las Minas Ilustración 67: Estratigrafía Calicata Santos Mardones Ilustración 68: Curva de Consolidación para el Mazacote Santos Mardones Tabla 27: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 39,24 N/cm Tabla 28: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 29,43 N/cm Tabla 29: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 19,62 N/cm Tabla 30: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 9,81 N/cm Ilustración69: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote Santos Mardones

9 Ilustración70: Curva Intrínseca del Mazacote Santos Mardones Ilustración71: Descenso del Mazacote Santos Mardones con respecto al DLR Ilustración 72: Inserción del tubo de PCV en el suelo Ilustración 73: Tubo de PVC enterrado completamente en el suelo a extraer Ilustración 74: Curva de Consolidación del Mazacote CERECO Tabla 31: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 39,24 N/cm Tabla 32: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 19,62 N/cm Tabla 33: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 9,81 N/cm Ilustración 75: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote CERECO Ilustración 76: Curva intrínseca del Mazacote CERECO Ilustración 77: Descenso de las probetas del Mazacote CERECO con respecto al DLR

10 RESUMEN El presente trabajo de titulación tiene como objetivo la implementación de un equipo de corte directo fabricado por la empresa WykehamFarrance, perteneciente al laboratorio Austro-Umag de la Universidad de Magallanes. En el desarrollo de éste trabajo investigativo se expone la metodología de calibración utilizada, así como también los resultados obtenidos durante la ejecución de la misma. Fue necesaria la fabricación de algunos elementos para llevar a cabo esta tarea, que también son detallados en capítulos posteriores. Además, para comprobar la validez de la calibración y configuración realizada en el aparato, se realizaron ensayos a suelos típicos de la ciudad de Punta Arenas, como por ejemplo suelos arcilloso, suelos granulares, y un suelo muy típico de la zona, de origen fluvioglaciar, denominado mazacote, entre otros. Para realizar estos ensayos fue necesario elaborar una metodología adecuada a las características del equipo, utilizando como referencia la norma ASTM D Al finalizar los ensayos se obtuvieron las propiedades geotécnicas esperadas de estos suelos, tales como el ángulo de fricción interno, y en los respectivos casos, la cohesión de éstos. Finalmente, se detallan algunos datos prácticos para la realización del ensayo, y la hipótesis para convertir el equipo de corte directo en un equipo para realizar ensayos endométricos. Como conclusión se puede indicar que los objetivos planteados se cumplieron a cabalidad, ya que el equipo de corte directo está operativo, y que fue posible obtener los resultados esperados en los suelos ensayados. 10

11 ABSTRACT The present titling work has as objective the implementation of a Direct Shear machine manufactured by WykehamFarrance enterprise, appertaining to Austro-Umag laboratory from University of Magallanes. In the development of this investigative work is exposed the use of calibration methodology, as well as the results obtained during the execution of itself. It was necessary the manufacture of some elements to carry out this task, that also are detailed in subsequent chapters. Besides, to check the calibration validity and the settings made in the device, were performed tests to typical soils of Punta Arenas city, as for example clayed soils, granular soils, and a very typical soil of the zone, of fluvial-glacial origin, called stodge, among others. To perform these studies it was necessary to develop a methodology suited to the characteristics of the device, using as reference the ASTM D At the end of tests yielded the expected geotechnical properties of these soils, such as angle of internal friction, and in the respective cases, the cohesion of these. Finally, it is detailed some practical data to the fulfillment of the test, and the hypothesis to convert the direct shear machine into a machine to do consolidation tests. As a conclusion it is possible to indicate that the stayed objectives were fully achieved, as the direct shear machine is operative, and it was possible to obtain the expected results in the tested soils. 11

12 INTRODUCCIÓN 12

13 Toda estructura se apoya sobre el suelo y transmite esfuerzos a este, generando solicitaciones y deformaciones variables dependiendo del tipo de carga y tipo de suelo. Debido a esto se producen, en el suelo, reacciones que van desde deformaciones menores (prácticamente despreciables), hasta fallas con grandes deslizamientos de tierra. Entre ambos casos extremos también está presente el fenómeno de la consolidación, ya que los esfuerzos de la estructura expulsan el agua intersticial entre las partículas del suelo. Cuando existe algún tipo de falla en la relación estructura-suelo, ya sea por esfuerzos excesivos de la estructura sobre el suelo o por empujes que genera el suelo sobre la estructura, se producen efectos adversos como el deslizamiento o volcamiento de ésta, Para la mayoría de los casos en que se analiza la resistencia al corte del suelo, es necesario poseer ciertos datos que son propiamente del material y no de la ubicación o distribución, como lo es su ángulo de rozamiento, su densidad y eventualmente la cohesión. Dada importancia que reviste el conocimiento del suelo, por medio de sus parámetros es que surge la necesidad de implementar el equipo de corte directo adquirido por el Departamento de Ingeniería en Construcción, para su aplicación directa a los suelos de la región. El equipo fue adquirido a través de un proyecto MECESUP, a la empresa Celestron, su origen es Inglés, modelo 27-WF2521, de la empresa WykehamFarrance, que es la división de Mecánica de Suelos del Grupo Controls. La no implementación del equipo se ha debido básicamente a dos motivos: a) La falta de información acerca de su funcionamiento, y b) El hecho que el equipo no cuenta con todos sus componentes necesarios para ser operado. 13

14 La implementación del equipo pasa por fabricar las piezas faltantes, y efectuar los ajustes al firmware para que esté en condiciones de ser operado. Asimismo se requiere desarrollar un documento que sirva como referencia para su uso, el que será corroborado en la presente tesis mediante la ejecución de algunos ensayos. Luego, a medida que se deje en funcionamiento el conjunto de Corte Directo que dispone el laboratorio Austro-Umag de la Universidad de Magallanes con su debido manual de funcionamiento y calibración con ensayos, se dispondrá de una herramienta con la que en la actualidad la región no cuenta, y que servirá no sólo para la implementación de asignaturas geotécnicas sino que para servicios que preste el laboratorio de ésta entidad. En capítulos posteriores se expondrán conceptos básicos con respecto a la teoría del ensayo mismo, desde las teorías que dieron origen al ensayo de corte directo, hasta algunas conclusiones alcanzadas en variados estudios a través del tiempo. Es imprescindible el dominio de estos ya que el documento completo se fundamenta en las teorías planteadas por diversos autores que se sintetizan en esta introducción. Comienza describiendo el trabajo de Coulomb con respecto a su teoría de los planos de falla, y el aporte realizado por Terzaghi a esta teoría con su concepto de presión de poros o esfuerzos efectivos. Posteriormente se hace alusión al comportamiento de diferentes suelos en cuanto a resistencia al esfuerzo cortante, incorporando el concepto de suelos expansivos, y finalmente terminando en las teorías de falla y el principio de esfuerzos principales. 14

15 En el segundo y tercer capítulo se profundiza en el equipo de corte directo y en el ensayo de corte directo en sí. Referente al equipo, se describen todas sus piezas y funciones, además de los procedimientos estándares de calibración, y con respeto al ensayo, el capítulo tercero es básicamente una adaptación de la norma ASTM D El capítulo cuarto describe el proceso de implementación del equipo, así como los métodos de calibración para éste. Posteriores detalles de la investigación serán expuestos en el capítulo quinto, desde las tomas de muestras realizadas, hasta los resultados obtenidos, incluyendo todos los procedimientos realizados. Además se describen las actividades realizadas para implementar el equipo. Por último, se presentan las conclusiones obtenidas, además de algunas interrogantes que surgieron en el desarrollo de este trabajo, y que posiblemente servirán como antecedentes para trabajos posteriores relacionados con la materia. 15

16 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Dejar operativo y de acuerdo a la normativa existente el equipo de corte directo del Departamento de Ingeniería en Construcción. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Elaborar un manual de uso del equipo de Corte Directo. Obtener los valores del Ángulo de Fricción Interno (Φ) y la Cohesión (C) de suelos gruesos y finos de Punta Arenas. Estudiar las respuestas a cargas cíclicas de algunos de éstos suelos. Analizar los resultados con proyección a futuras investigaciones sobre el tema en cuestión. 16

17 CAPITULO I: MARCO TEÓRICO 17

18 Es necesario para el entendimiento de los resultados de este trabajo de titulación, el desarrollo previo de diversos tópicos que tienen estrecha relación con la realización de los objetivos planteados, por lo tanto, se hace indispensable comprender el concepto del ensayo de corte directo, para qué se utiliza y cuál es su relevancia dentro de la mecánica de suelos. La respuesta a la interrogante de la relevancia del ensayo ha sido destacada por mucho autores, entre ellos Juarez Badillo y Rico Rodriguez quienes plantean que El problema de la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos puede decirse que constituye uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de Suelos, en efecto, una valoración correcta de ese concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, con esperanzas de éxito, cualquier aplicación de la Mecánica de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras. (Juárez Baillo & Rico Rodríguez, 1973). Se deduce que muchos análisis que se realizan en la actualidad acerca de la estabilidad de las estructuras, se basan principalmente en la resistencia al corte que poseen los suelos que sustentan dichas estructuras, ya sean éstas edificios, los estribos de un puente, muros de contención, estabilidad de taludes verticales, y otros. Por lo demás, el ensayo de corte directo no es el único método para determinar la resistencia al corte de un suelo, existen otros métodos como señala Carlos Crespo Villalaz: La cohesión de un suelo y su ángulo de fricción interna, componentes del esfuerzo de corte del mismo, pueden obtenerse de diferente maneras, y en ellas figuran: a) por medio del aparato de corte directo ideado por Arthur Casagrande, y b) por la prueba de compresión Triaxial 1. En el caso de las arcillas, la determinación del esfuerzo 1 El ensayo Triaxial constituye el método más versátil en el estudio de las propiedades esfuerzodeformación. Una muestra cilíndrica de un suelo es sometida a una presión de confinamiento en todas sus caras. A continuación se incrementa el esfuerzo axial hasta que la muestra se rompe. Como no existen esfuerzos tangenciales sobre las caras de la muestra cilíndrica, el esfuerzo axial y la presión de confinamiento, son los esfuerzos principal mayor y principal menor respectivamente. Al incremento de esfuerzo axial, se denomina esfuerzo desviador. 18

19 de corte de las mismas puede determinarse, además, con la prueba de compresión axial no confinada o con la prueba de la veleta (Crepo Villalaz, 2004). En la actualidad, además se cuenta con una correlación del ángulo de fricción interno del suelo con el número de golpes del SPT 2, aún así, esta relación no es cien por ciento fiable, pero permite conocer el rango en que es probable que se localice el ángulo de fricción interno del suelos INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURA Toda estructura tiene que estar inevitablemente apoyada en el suelo, por lo tanto es de suma importancia estudiar el comportamiento de éste bajo la estructura ante dicha solicitación. Estas solicitaciones producen deformaciones en el suelo que se pueden manifestar de tres maneras: Por deformación elástica de las partículas. Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los huecos entre las partículas. (aunque a veces no hay evacuación de líquido) Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran masa de suelo. El primer caso es despreciable para la mayoría de los suelos, dentro del rango de esfuerzo que se utiliza habitualmente. El segundo caso corresponde al fenómeno de la consolidación. El tercer caso, corresponde a fallas de tipo catastróficas y para evitarlo se debe hacer un análisis de estabilidad, requiriéndose para esto, conocer la resistencia al corte de suelo. El análisis debe asegurar que los esfuerzos de corte solicitantes sean menores que la resistencia al corte del suelo, con un margen adecuado de 2 Ensayo de penetración estándar (SPT). Se realiza durante la ejecución de un sondeo, en el interior del mismo. Permite calcular el valor N de resistencia a la penetración. Se puede correlacionar con densidades, ángulos de fricción, y asientos. También permite obtener muestras inalteradas para ensayo de laboratorio. 19

20 modo que la obra siga siendo segura, y sea económicamente factible de llevar a cabo. Se deduce que es prácticamente imposible analizar el comportamiento de la estructura sin analizar también el comportamiento del suelo, por lo tanto, ambas variables deben ser analizadas en conjunto. El tema de mayor relevancia en la mecánica de suelos es la determinación de las propiedades de resistencia al corte del suelo para soportar el peso de las estructuras, y de alguna manera mitigar los efectos adversos que se producen al incrementar las cargas sobre estos. El modo más simple, y por mucho tiempo el más utilizado para este fin, es la determinación de la resistencia al corte del suelo. Uno de los primeros ensayos utilizados en investigaciones relativas a la resistencia de los suelos realizado por Coulomb 3 (1776) fue el ensayo de corte directo, tema del presente trabajo de tesis 1.2. RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO La resistencia al corte de una masa de suelo es la resistencia interna por unidad de área que la masa de suelo puede oponer, a la falla y al deslizamiento, a lo largo de algún plano interno. Se debe entender la resistencia al corte de un suelo para poder analizar problemas de estabilidad de suelos tales como: capacidad de soporte, estabilidad de taludes y empuje de tierras sobre estructuras de contención, entre otros. En los problemas de estabilidad de los suelos tales como: estudio de cimentaciones, obras de sostenimiento, terraplenes, taludes; además de la 3 Charles Coulomb (Angulema, Francia, 1736-París, 1806) Físico francés. Su celebridad se basa sobre todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb). Además realizó investigaciones sobre las fuerzas de rozamiento, así como también acerca de la elasticidad de los metales y las fibras de seda. La unidad de carga eléctrica del Sistema Internacional lleva el nombre de culombio (simbolizado C) en su honor.(biografías y Vidas) 20

21 acción combinada de las fuerzas externas y las fuerzas internas que se desarrollan en la masa de suelo que crean esfuerzos horizontales capaces de producir desplazamientos laterales del material, es necesario conocer la resistencia al corte de los suelos. Cuando se aplica un sistema de fuerzas a un volumen determinado de suelo, se desarrollan tensiones de corte, las cuales implican deformaciones en este. Estas deformaciones son o pueden ser importantes a lo largo de los llamados planos de falla o deslizamiento. Por lo tanto, se puede definir la resistencia al corte de un suelo como la tensión de corte en el plano de falla, en el momento de la falla. Uno de los ensayos de laboratorio que se realiza para conocer esta resistencia del suelo utiliza un aparato de corte directo, en el cual la parte esencial de este, en su forma más típica, es un recipiente rectangular dividido horizontalmente en dos mitades que contienen en su interior la muestra de suelo, a la cual se le aplica una carga vertical de confinamiento y luego una fuerza tangencial creciente que origina un desplazamiento relativo entre las dos partes de la caja, produciéndose así el corte de la muestra de suelo según el mismo plano que divide al recipiente, como se observa en la Ilustración 1. 21

22 Ilustración 1: Caja de corte del equipo de Corte Directo TEORIA DE COULOMB - TERZAGHI Coulomb fue el primero que trató de explicar el origen de la resistencia al corte de los suelos. En 1776 observó que si el empuje que produce un suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. Basó su teoría en dos conceptos: Fricción entre partículas: La resistencia al corte del suelo basado en principios elementales de la física. En la ilustración 2 se observa que la fuerza F produce un desplazamiento, que es contrarrestado por la Fuerza μp. La fuerza μp es la representación del roce entre ambas superficies y es directamente proporcional a la fuerza P, ya que μ es una constante de roce, diferente para cada superficie. 4 Es la parte esencial del equipo, lo demás componentes serán detallados en el capítulo 2. 22

23 µp Ilustración2: Diagrama de fricción: Los suelos fallan por esfuerzos cortantes a los largo de un planos de deslizamientos y regidos por el mecanismo de la fricción mencionada anteriormente, por lo menos en cierto tipo de suelos. En la ilustración 3 generaremos este plano como A-A, pero a la vez transformaremos las fuerzas actuantes en esfuerzos al dividirlas por el área sobre la cual actúan, obteniéndose σ para P y generándose un esfuerzo interno τ producto de la Fuerza F. 23

24 Ilustración3: Diagrama de falla, por esfuerzo cortante en plano de deslizamiento Coulomb postuló que la máxima resistencia al corte,, en el plano de falla está dada por: Ecuación 1 Donde: σ es el esfuerzo normal total en el plano de falla ϕ es el ángulo de fricción del suelo c es la cohesión del suelo 24

25 Esta es una relación empírica y basada en los conceptos anteriormente nombrados, con la inclusión de un término de cohesión c para incluir la Stiction 5 propia del suelo arcilloso. Esta ecuación no produjo los resultados esperados, ya que el comportamiento del suelo no concordaba con lo que Coulomb planteaba en su modelo matemático. Esto se debía principalmente a que los suelos no están compuestos en un cien por ciento de material sólido, también están conformados por agua, la cual aporta, en cierto grado, resistencia temporal a la masa de suelo. Fue Terzaghi 6 quien añadió a la fórmula de Coulomb este concepto, el cual fue llamado principio de esfuerzos efectivos, que matemáticamente se representa mediante la ecuación: Ecuación 2 Donde u : presión intersticial, o presión de poros : esfuerzo efectivo Se hizo evidente entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes, la resistencia al corte de un suelo debe ser únicamente el resultado de la fricción entre las partículas que lo componen, y su magnitud depende únicamente de la magnitud de los esfuerzos efectivos que soportan estas. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal 5 La traducción literal para esta palabra es fricción estática, este término en español es conocido como cohesión. 6 Karl Terzaghi (Praga, 1883-Winchester, 1963) Ingeniero estadounidense de origen austríaco. Fue profesor en Estambul, Boston y Viena. Establecido en EE UU, ejerció la docencia en Harvard y desarrolló diversas técnicas y aparatos para el tratamiento de los suelos y su adecuación a las obras públicas. Es considerado el creador de la mecánica de los suelos.(biografías y Vidas) 25

26 a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte en dicho plano. Entonces, si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos, se tiene: Ecuación 3 En la cual los parámetros c y ϕ son propiedad de la estructura del suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente. Esta ecuación es válida para suelos cohesivos. Para suelos granulares, como no existe cohesión, la ecuación se simplifica a: Ecuación 4 En vista que la resistencia al corte es netamente producto de los esfuerzos efectivos que se generan en la masa de suelo, es correcto realizar los análisis en términos de esfuerzos efectivos, aunque en ciertas circunstancias es válido analizar los problemas de ingeniería bajo la perspectiva de esfuerzos totales. Por tanto, la ley de Coulomb posee dos componentes fácilmente identificables que colaboran a la resistencia al corte de suelos: Fricción (tanϕ), que principalmente es el aporte de la trabazón entre partículas y el roce entre ellas cuando están sometidas a esfuerzos normales. 26

27 Cohesión(c), que se debe a fuerzas internas electroquímicas que mantienen unidas a las partículas en una masa. Como en la ecuación existen dos cantidades desconocidas (c y ϕ), se requieren por lo menos un par de datos correspondientes al esfuerzo normal y al corte de falla para resolver el sistema de ecuación. Si se grafica la tensión de corte (τ) en función de la deformación horizontal (δ) en el plano de esta tensión de corte para un suelo denso en condición drenada, se obtiene el gráfico de la ilustración 4. 6 τ Corte Máximo t falla Ilustración4: Gráfico que expresa el corte máximo. δ n De la curva presentada en la ilustración 4, se aprecia un valor máximo del corte aplicado correspondiente al instante en que las partículas en éste suelo denso se sueltan, por lo tanto disminuye el roce interno entre ellas, y a su vez disminuye la resistencia al corte de éste suelo hasta alcanzar la falla con un valor de esfuerzo de corte τ falla. 27

28 Los valores de resistencia al corte se suelen obtener realizando como mínimo un ensayo de tres probetas idénticas de un mismo suelo aplicando distintas presiones normales, los datos son llevados a un gráfico en función de la tensión normal ( ). Se obtiene así una recta llamada recta intrínseca, en la cual el ángulo formado por ésta con el eje de las abscisas es llamado ángulo (ϕ) (ángulo de fricción interno del suelo) y la ordenada hasta el origen es el valor C (cohesión del suelo). El gráfico generado es similar al expuesto en la ilustración 5. 6 τ Estados Imposibles Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Φ Estados no en falla C 0 Cohesión 0 14 σn Ilustración5: Curva Intrínseca El área bajo la curva representa distintas combinaciones de τ y σ n en las cuales el suelo no falla, la curva intrínseca representa la combinaciones de τ y σ n que producen la falla del suelo, y el área sobre ésta recta son los estados de esfuerzos imposibles de alcanzar ya que el suelo falla antes de llegar a ellos. 28

29 Esta resistencia al corte, medida por medio de este ensayo depende de la cohesión (c) del suelo y de su fricción interna, donde la cohesión es la atracción entre las partículas originada por las fuerzas moleculares y las películas de agua (por lo tanto variará según su humedad) y la fricción interna es la resistencia al deslizamiento causado por el roce entre la superficie de contacto de las partículas (depende, por lo tanto, de la granulometría, forma de las partículas y de la densidad del material). También dependen esencialmente de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad de los suelos, pues uno de los parámetros determinantes es la presión intersticial del agua (presión de poros), la cual está ligada directamente a las condiciones del ensayo. La desventaja de este ensayo es que cómo se determina el plano de falla a priori, no es posible conocer los esfuerzos en otros planos, salvo a que sean ensayados CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO Se definen tres tipos de ensayo en función de si el ensayo es drenado y si existe consolidación, entendiendo la consolidación como el drenaje de la muestra hasta que la presión de poros se haya disipado totalmente. Ensayo no consolidado-no drenado (UU 7 ) Es un ensayo rápido, en el cual la probeta no sufre ninguna consolidación del drenaje previo a la tensión normal (σ) del ensayo. Generalmente, la recta intrínseca del diagrama (τ) vs (σ) es horizontal (para un suelo cohesivo saturado a igual índice de vacíos), como se observa en la ilustración 6. Es apto para estudiar la resistencia al corte de suelos en los que no es posible que exista drenaje, ya sea porque el mismo suelo es 7 UU: siglas en inglés para no drenado no consolidado. 29

30 cohesivo, o también en suelos no cohesivos localizados en una estratigrafía donde no es posible el drenaje (suelo rodeado por arcilla, o suelo bajo cargas de aplicación rápida como el sismo). En este ensayo los parámetros resistentes se obtienen en tensiones totales (C u, Φu). 5 τ e 3 e 2 e σn Ilustración6: Curvas para suelos Cohesivos Saturados En el equipo de corte directo del Laboratorio Austro-Umag no es posible conseguir un ensayo no drenado, ya que al momento de inducir el corte, la probeta comienza a drenar. Esto se refleja en el descenso vertical durante el desarrollo del ensayo. Ensayo consolidado - no drenado (CU 8 ) En este ensayo la muestra se deja consolidar bajo una carga vertical, igual a la que será impuesta antes de comenzar a aplicar el esfuerzo cortante. La tensión de corte es rápida para que no se efectúe drenaje alguno y para que la presión de poros no pueda disiparse en el transcurso 8 (CU) Siglas en Inglés para Consolidado no drenado. 30

31 del ensayo. Estos ensayos no son posibles en suelos permeables bajo condiciones normales, además es necesario medir el movimiento vertical durante la consolidación con el objeto de poder saber con exactitud el momento en que esta última ha tenido lugar por completo. Éste ensayo no es posible en el equipo de corte directo la Universidad de Magallanes, ya que la velocidad máxima de corte no suficiente para producir la condición no drenada. En este ensayo los parámetros resistentes se obtienen en tensiones totales (C u, Φu), y es aplicable a suelos cohesivos. Ensayo consolidado-drenado (CD 9 ) Es realizado como el anterior, pero la velocidad de corte es relativamente lenta para que la presión de poros del agua pueda disiparse y ser considerada como nula en cada instante (u=0) Esto es entonces σ=σ, lo que implica que c y ϕ son también efectivos. Ecuación 5 Donde: = C efectiva = ϕ efectivo. = σ efectivo. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial consolidado drenado. Para suelos no cohesivos, estos tres ensayos dan el mismo resultado, esté la muestra saturada o no, y por supuesto, si la tasa de aplicación del corte no es demasiado rápida. Para materiales cohesivos, los parámetros de 9 (CD) Siglas en Inglés para Consolidado Drenado. 31

32 suelos están notoriamente influenciados por el método de ensayo, por el grado de saturación, y por el hecho que el material esté normalmente consolidado o sobreconsolidado. Generalmente, se obtienen para suelos preconsolidados dos conjuntos de parámetros de resistencia: un conjunto para ensayos hechos con cargas inferiores a la presión de preconsolidación y un segundo conjunto para cargas normales mayores a la presión de preconsolidación. Donde se sospeche la presencia de esfuerzos de preconsolidación en un suelo cohesivo sería aconsejable hacer seis o más ensayos para garantizar la obtención de los parámetros adecuados de resistencia al corte. Ensayo de Corte Residual. Este ensayo consiste en repetir el corte a una misma probeta para obtener parámetros residuales de rotura (C r, Φ r ). Una vez alcanzada la rotura con cualquiera de los ensayos antes mencionados, se vuelve a deslizar la probeta a su posición inicial, y se comienza a aplicar la misma fuerza horizontal de rotura en varias ocasiones. Un ejemplo de este ensayo puede observarse en la ilustración 11.c CONSOLIDACIÓN La consolidación es un fenómeno que ocurre en los suelos arcillosos que se encuentran saturados y que producto de cargas superficiales o variaciones en su estado tensional, disminuyen sus vacíos y por lo tanto expulsan el agua de su interior. Si tenemos un elemento cualquiera (A) de suelo que se encuentra a una profundidad Z 1 bajo una superficie de terreno en algún momento de su historia geológica, se conoce el peso específico de esté suelo y las condiciones del agua intersticial, aplicando algunas propiedades índice, es 32

33 relativamente fácil calcular la tensión vertical efectiva (σ v ) a dicha profundidad con la siguiente fórmula. ( ) Ecuación 6 Donde: = densidad saturada del suelo. = densidad del agua. = Profundidad. Si el proceso de sedimentación continúa, el elemento (A) de suelo cambiará su posición relativa con respecto a la superficie, y por lo tanto también se modificarán las tensiones verticales efectivas para dicho elemento. Podemos observar este proceso en la ilustración 7. Ilustración7: Proceso de consolidación de un suelo (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004). 33

34 En el instante en que la profundidad del elemento (A) es Z 1, éste tendrá asociado un índice de poros e 1. Es posible asociar un índice de poros e n al mismo elemento, pero a diferentes profundidades a medida que se produce la sedimentación. El aumento de la profundidad da lugar a un incremento de la tensión vertical efectiva, éste a su vez produce la compresión del suelo y, por tanto, a una reducción del índice de poros. Al seguir la sedimentación continuará aumentando la tensión vertical efectiva y se irá reduciendo aún más el índice de poros. Si se representa esto en un plano (σ v, e), se obtiene un gráfico como el de la ilustración 8. La curva formada por los puntos 1, 2,3 y 4 representa la historia tensional de elemento durante el proceso de sedimentación (carga), y se denomina curva de compresión noval. Curva de compresión noval. Rama de descarga Ilustración8 : Curva de consolidación de un suelo (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004). 34

35 Como se observa, la curva disminuye su pendiente a medida que aumenta la tensión vertical, lo que se traduce en que el suelo es más rígido (menos deformable) cuanto mayor es su nivel de tensión vertical efectiva. Si en el proceso de carga se produce una disminución del índice de poros, al descargar el suelo se produce el efecto contrario, el entumecimiento o hinchamiento del suelo, producto del aumento del índice de poros. Se observa además en la ilustración 8, el suelo no regresa por la curva de comprensión noval al producirse la descarga, si no que sigue un nuevo camino denominado rama de descarga, conformada por los puntos 4, 3 y 2. De esto se desprenden dos comportamientos del suelo según sea su estado de carga, ya que un suelo (arcilloso) que ha sido cargado a una determinada tensión vertical efectiva, mayor a la que ha sido sometido en su pasado geológico, seguirá la curva de consolidación noval. En estas condiciones se dice que el suelo está normalmente consolidado, por lo tanto, la curva de consolidación noval representa los estados normalmente consolidados. Si sucede el caso contrario, es decir, si al suelo se le aplica una tensión vertical efectiva menor a las cargas que ha sido sometido en su pasado geológico, el suelo seguirá la rama de descarga y se comportará como preconsolidado, por lo tanto, la rama de descarga representa los estados preconsolidados de un suelo arcilloso CURVAS TÍPICAS DE ALGUNOS SUELOS EN ENSAYOS DE CORTE DIRECTO DRENADO. Curvas en Arenas. Al realizar un ensayo de corte a suelos granulares, como las arenas, el comportamiento del suelo dependerá básicamente de la densidad de la 35

36 muestra, así una muestra que no presenta gran densidad disminuirá su volumen a causa del reacomodamiento de las partículas de suelo en el plano de corte a un estado de mayor densidad. Por el contrario, una muestra de arena que posea gran densidad mostrará un comportamiento inverso al de las arenas sueltas, ya que en el plano de corte las partículas se posicionarán unas sobre otras para poder desplazarse, lo que originará un aumento de volumen en la muestra. El comportamiento que produce un aumento en el volumen del suelo ensayado es llamado Dilatancia. Supóngase que se ensayan tres muestras de la misma arena en tres condiciones distintas de densidad. Por simplicidad se supondrá que las tres muestras se ensayan en condiciones drenadas, de manera que las tensiones totales y efectivas coincidirán en todo momento. La muestra 1 se encuentra en un estado muy flojo, con un índice de poros (e 1 ) elevado. La muestra 2 constituida por la misma arena, es algo más densa que la anterior, de forma que tiene menos volumen de huecos y su índice de poros (e 2 ) es menor que el de la muestra 1. La última muestra 3, es muy densa, con menor volumen de huecos que las dos anteriores y por tanto con menor índice de poros (e 3 ) de las tres. A continuación se montan las tres muestras en los respectivos aparatos de corte directo, se les aplica la misma tensión efectiva normal y, finalmente, se las somete a corte de la forma descrita anteriormente. En la ilustración 9 se representan cualitativamente los resultados de estos ensayos. 36

37 Ilustración9: Curvas de corte drenado sobre muestras granulares de distintas densidades (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004). La ilustración 9.a muestra las curvas de tensión tangencial movilizadadesplazamiento horizontal. La ilustración 9.b representa la relación desplazamiento horizontal-cambio de volumen. La ilustración 9.c muestra la relación índice de poros- desplazamiento, y la ilustración 9.d muestra el recorrido tensional sufrido en un plano (σ,τ). Muestra de baja densidad (1): La tensión tangencial movilizada aumenta con el desplazamiento horizontal (δ) hasta alcanzar un valor máximo (τ f ). a partir de ese instante se mantiene constante aunque el desplazamiento horizontal prosiga. 37

38 Desde el inicio del ensayo se observa un asiento del plato distribuidor de carga, es decir la muestra reduce su volumen al ser sometida a tensiones constantes. Se llega a una cierta magnitud del desplazamiento horizontal a partir del cual no se observan cambios apreciables de volumen. Muestra de densidad media (2): Como en la muestra (1), la tensión tangencial movilizada aumenta con el desplazamiento horizontal (δ). En este caso la pendiente de la curva (τ,δ) es mayor, además se alcanza una tensión tangencial máxima (resistencia peak = τf 2 ) claramente superior a (τf 1 ). Estas observaciones indican que la muestra (2), más densa que la (1), resulta también más rígida y resistente. Sin embargo, si prosigue el desplazamiento horizontal, la tensión tangencial movilizada decrece hasta que termina por converger con (τf 1 ). Al principio del ensayo se producen asientos del plato distribuidor de carga, o lo que es lo mismo, la muestra disminuye de volumen (contrae). Sin embargo, llegado a un punto pueden comenzar a producirse levantamientos o aumentos de volumen (dilatación). Finalmente y como en el caso anterior, con suficiente desplazamiento se alcanza un estado a partir del cual no se observan cambios apreciables de volumen. La ilustración 9.c reproduce en términos de índice de poros los cambios de volumen descritos en el párrafo anterior, pero además muestra un aspecto interesante de comportamiento cualitativo de los suelos granulares. Así, en el estado descrito en que dejan de producirse cambios apreciables de volumen y convergen las tensiones tangenciales de las muestras (1) y (2), también convergen los índices de poros de ambas. 38

39 Muestra de densidad elevada (3) Este último ensayo muestra una mayor pendiente de la curva (τ,δ), así como la máxima tensión tangencial movilizada. De hecho, se puede observar una resistencia peak (τf 3 ) a las máximas tensiones tangenciales alcanzadas en los otros dos ensayos. En definitiva, la muestra más densa revela un comportamiento más rígido, y resulta sustancialmente más resistente. En cualquier caso, como los ensayos realizados sobre muestras menos densas, con suficiente desplazamiento horizontal la tensión tangencial movilizada decrece hasta que termina por converger con (τf 1 ). Al principio del ensayo pueden producirse pequeños descensos del plato distribuidor de carga, quizá debido a reajustes en el aparato de corte, pero rápidamente comienzan a registrarse ascensos netos de la misma. Este comportamiento indica que la muestra densa resulta claramente dilatante, tendiendo a aumentar de volumen cuando se la somete a corte. Como en los casos anteriores, con suficiente desplazamiento se alcanza un estado a partir del cual cesan los cambios apreciables de volumen. También la muestra densa tiende a converger hacia un único índice de poros y llegar a ese estado en el que mayores desplazamientos no producen más cambios de volumen ni modificaciones en la tensión tangencial que se mantiene aproximadamente igual a (τf 1 ). Esto tres ensayos de corte podrían repetirse en muestras idénticas a las anteriores pero sometidas a tensiones efectivas normales mayores. La ilustración 10 representa esquemáticamente las tres envolventes de rotura resultantes, mostrando como el ángulo de rozamiento (peak) depende directamente de la densidad inicial del suelo. 39

40 Ilustración10: Envolventes de rotura en función de la densidad inicial (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004). 40

41 Aunque la compacidad es un factor primario indiscutible, la mayor o menor resistencia de un suelo granular depende también de algunos otros factores, entre los que cabe destacar la forma de las partículas, la distribución granulométrica y el tamaño de los granos. En los tres casos citados la influencia sobre la resistencia es sencilla e intuitiva. Así, en lo que respecta a la forma resulta evidente que será más sencillo hacer deslizar o rodar entre sí partículas redondeadas que granos angulosos o irregulares, de manera que un suelo constituido por estos últimos mostrará mayor resistencia al corte. Con relación a la granulometría, en un suelo uniforme la mayoría de las partículas son de tamaño similar, de forma que el tamaño del hueco máximo entre partículas depende directamente del tamaño de éstas. Un suelo bien graduado, sin embargo, posee partículas de muchos tamaños distintitos, con lo que los granos medianos pueden ocupar los poros de las partículas más gruesas, las partículas más finas los huecos entre las medianas, y así de forma sucesiva. Lógicamente ésta mejor posibilidad de estibación da lugar a que en un suelo bien graduado se puede alcanza una estructura más densa y más resistente que en un suelo uniforme. Finalmente, resultará más difícil hacer deslizar y rodar entre si partículas de gran tamaño que partículas pequeñas. 41

42 A continuación se presenta una tabla con valores referenciales para diferentes suelos no cohesivos. Suelo Φ suelto Φ Denso Limo 27º - 30º 30º - 36º Arena limosa 27º - 33º 30º - 35º Arena uniforme 28º 34º Suelo redondeado uniforme 30º 37º Suelo redondeado bien graduado 34º 40º Arena bien graduada 33º 45º Grava arenosa 35º 50º Suelo anguloso uniforme 35º 43º Suelo anguloso bien graduado 39º 45º Tabla 1: Valores referenciales del ángulo de fricción Interno de suelos no cohesivos. Como se ha visto, la relación entre la densidad o compacidad inicial de un determinado suelo granular y su resistencia es muy acusada. Tanto es así que en la práctica habitual se dispone de correlaciones aproximadas entre dicha compacidad, determinada a través de ensayos in situ como el SPT, y el ángulo de fricción interno, tal y como se muestra en la tabla 2. N(SPT) Compacidad ϕ (º) 0-4 Muy floja 28º 4-10 Floja 28º-30º Medianamente densa 30º-36º Densa 36º-41º >50 Muy densa >41º Tabla 2: Correlación entre SPT y el ángulo de fricción interno de suelos granulares. 42

43 Curvas en Arcillas de baja plasticidad (drenada). En la ilustración 11.a se ha representado el proceso de consolidación unidimensional de una arcilla de baja plasticidad, reconstituida de en laboratorio a partir de una suspensión acuosa. Como fue descrito en la sección de consolidación de éste capítulo, los puntos (1), (2), y (3) corresponden a estados normalmente consolidados, mientras que los puntos (4) y (5) corresponderían a estados sobreconsolidados bajo una presión de preconsolidación igual a la del estado (3). e Ilustración11: Curvas de ensayos de corte drenado sobre muestras arcillosas de baja plasticidad. (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004) 43

44 Una vez alcanzado cada uno de los 5 estados anteriores (finalizada la consolidación de cada uno de ellos), se somete al suelo a sendos ensayos de corte directo drenados. En la ilustración 11.b se representan los recorridos tensionales (,) correspondientes. Para mayor claridad, en esta última ilustración tan sólo se han representado las curvas de los ensayos sobre las muestras (2), (3), y (4). Finalmente, se supondrá que se dispone de un comparador vertical que permite determinar los cambios de volumen durante el corte. De los resultados obtenidos se pueden deducir las siguientes pautas de comportamiento. Muestras normalmente consolidadas (1, 2, y 3) La tensión tangencial movilizada aumenta con el desplazamiento horizontal () hasta alcanzar un valor máximo ( MÁX ) peak. Dicho peak es apenas perceptible, ya que desciende de forma muy rápida hasta un valor ( NC MÁX ) que se mantiene constante aunque el desplazamiento horizontal prosiga. Si se realiza un ciclo de descarga recarga se alcanzarían aproximadamente los mismos niveles de tensión tangencial previos. La envolvente de rotura queda definida por un ángulo de rozamiento interno NC y una cohesión efectiva nula (c =0) 10. El suelo tiende a reducir su volumen (es contractante) durante el corte, si bien, como en el caso de la tensión tangencial, también se llega a una cierta magnitud del desplazamiento horizontal a partir del cual no se observan cambios apreciables de volumen. 10 En definitiva, en ausencia de efectos complementarios derivados de la creación de enlaces, envejecimiento, cementaciones, etc., una arcilla normalmente consolidada de baja plasticidad no tiene cohesión. 44

45 Muestras sobreconsolidadas( 4 y 5): Las pendientes de las curvas (, ) son mayores que en las muestras normalmente consolidadas, y movilizan su máxima tensión tangencial con menores deformaciones que éstas, es decir, son más rígidas. Las tensiones tangenciales máximas alcanzadas son netamente superiores a las del suelo normalmente consolidado ensayado bajo las mismas tensiones normales iniciales. De hecho, los recorridos de tensiones en el plano (,) superan claramente la línea de resistencia intrínseca de los estados normalmente consolidados y alcanzan una resistencia de pico por encima de la envolvente definida por c =0, NC. Con suficiente deformación, se alcanza un estado en el que pueden proseguir las deformaciones sin cambios en la tensión tangencial o en el volumen del suelo. 45

46 Curvas en Arcilla de alta plasticidad (drenadas) La ilustración 12 muestra el mismo procedimiento de ensayo de la ilustración 11, pero en esta ocasión aplicado a una arcilla de alta plasticidad (o de elevado contenido de mineral de arcilla). Ilustración12: Curva de ensayo de corte drenado sobre muestras arcillosas de alta plasticidad (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004). Como puede apreciarse, al comparar ambas ilustraciones (11 y 12), la diferencia principal entre ambas arcillas deriva de su comportamiento tras alcanzar la tensión tangencial máxima. Así, en el caso de los suelos de alto contenido en arcilla, la resistencia movilizada puede disminuir de forma muy 46

47 marcada a medida que se acumulan las deformaciones, llegando a desarrollar una envolvente de resistencia netamente por debajo de la proporcionada por c =0, NC. Esta resistencia se denomina residual, que viene definida por los parámetros de resistencia residual c r =0, r < NC. El mecanismo que explica la disminución de resistencia hasta condiciones residuales proviene de la forma laminada de las partículas que constituyen los minerales de arcilla. Así, a medida que aumenta el nivel de deformaciones de corte, las partículas se reorientan progresivamente, terminando por disponerse en paralelo, disposición mas débil que la original. La reorientación de partículas se concentra habitualmente en una banda de delgado espesor, en donde se desencadena la rotura. Evidentemente, la posibilidad de reducción de resistencia en los suelos de alta plasticidad puede conllevar a situaciones de gran relevancia en las obras, por ejemplo cuando éstas hayan de ejecutarse en laderas previamente deslizadas en las que el nivel de deformaciones ya sufrido por el material haya podido llevarlo a condiciones próximas residuales. Para estudiar en laboratorio la resistencia residual se puede emplear el aparato de corte directo. Para alcanzar el nivel de deformaciones requerido el procedimiento consiste en efectuar varios recorridos completos de la caja, llevándola atrás una vez llegado el máximo desplazamiento horizontal permitido por el sistema y repitiendo el ensayo las veces necesarias. A continuación se presentan algunos valores referenciales del ángulo de fricción para arcillas según la consistencia de éstas, y su plasticidad. Es importante destacar que estos valores pueden variar dependiendo de la granulometría del material (presencia de material grueso). 47

48 TIPO DE ARCILLA Φ Baja Plasticidad 24º - 32º Plasticidad Media 20º - 30º Alta Plasticidad 17º - 27º SEGÚN LA CONSISTENCIA Semidura 25º Blanda 17º Tabla 3: Valores referenciales del ángulo de fricción interno para arcillas según su plasticidad y consistencia TEORÍAS DE FALLA En esta sección se expondrán diversos criterios bajo los cuales se aceptará que la muestra de suelo ha fallado. Aún no existe una definición general del concepto de falla, debido a que ésta depende de dos parámetros: Principio del comportamiento inelástico. Rotura del material. Si la resistencia del material está expresada en términos del esfuerzo cortante máximo que resiste el material, podemos llegar a lo siguiente: 8 τ A B Ilustración13: Gráficos de Falla. δ 48

49 Se puede definir la resistencia máxima al corte, cuando se presenta una falla frágil. Caso A. No se puede definir fácilmente una resistencia al corte máxima cuando se presenta un comportamiento de falla plástica. Caso B. Teoría de la deformación unitaria máxima (Saint-Venant): Se basa en criterios cinemáticos. Define que la falla ocurre cuando se alcanza la máxima deformación unitaria que experimenta el material en compresión o flexión, es decir, cuando el material ensayado se rompe o fractura. Experimentos demostraron que en un material sujeto a deformaciones principales iguales en sus tres dimensiones (aplicando alta presión hidrostática), no hay rotura aunque las deformaciones en los tres planos sean muy grandes. Teoría de Rankine o del máximo esfuerzo normal: La falla ocurre cuando hay rotura o flujo plástico y es determinada por el esfuerzo principal mayor. Los mismos experimentos anteriores desarrollados la hacen ver como inadecuada. Teoría de Coulomb (Navier): Esta teoría define la falla cuando un esfuerzo cortante en un plano alcanza un valor límite máximo. Se acepta que dicho valor límite está en función del esfuerzo normal que actúa en ese plano y que existe una ley de variación entre ambos esfuerzos. 49

50 Teoría de Mohr: La falla por deslizamiento ocurre a lo largo de una superficie particular en la que la relación del esfuerzo tangencial al normal (oblicuidad) alcance un cierto valor máximo. Este valor máximo es una función del acomodo y forma de las partículas y del coeficiente de fricción entre ellas. No fija la hipótesis de variación lineal entre el esfuerzo tangencial y normal para definir la oblicuidad de la superficie critica; dicha ley de variación queda representada en general por una curva intrínseca (Ilustración 14). 6 τ τ =c + tanϕ σn Ilustración14: Curva intrínseca. Teoría de Mohr-Coulomb: Es la teoría más usada en la actualidad. Se atribuye la falla al esfuerzo cortante y se acepta que éste depende del esfuerzo normal actuante en el plano de falla, se acepta que la relación entre ambos esfuerzos no es constante. 50

51 4 τ Envolvente de falla F Φ' Plano de falla P Plano principal mayor Φ' 0 C Plano principal σ'3 4 σ' σ' menor Ilustración15: Diagrama de Esfuerzos principales. r σn En principio, los resultados del ensayo de corte directo aportan solamente un punto (F) del círculo de Mohr de rotura, aquel en que el círculo es tangente a la envolvente de falla y que representa el estado tensional en rotura de un plano prefijado: el plano horizontal en la ilustración 15. Sin embargo, si se traza por el punto (F) una recta perpendicular a dicha envolvente, es posible localizar el centro (C) del círculo de Mohr, quedando así determinado el radio (r) del mismo: Ecuación 7 Además, trazando por (F) una recta horizontal (paralela al plano de falla) que corta al círculo de radio (r) (círculo de Mohr de rotura), se localiza el polo (P). A partir de esta construcción, es posible calcular las magnitudes de las tensiones principales mayor y menor, σ 1 y σ 3, respectivamente: 51

52 ( ) Ecuación 8 Las orientaciones de los planos principales mayor y menor, en los cuales las tensiones tangenciales son nulas, se determinan uniendo el polo P con los puntos de coordenadas (σ1, 0) y (σ3, 0), respectivamente. Como el esfuerzo cortante () y el esfuerzo normal (σ n ) tienen el mismo significado dado en la construcción del círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones simultáneas para (c) y para (tgϕ), es posible dibujar en un plano de ejes coordenados los valores de() contra(σ n ) para los diferentes ensayos (generalmente con () como ordenada), dibujar una línea a través del lugar geométrico de los puntos, y establecer la pendiente de la línea como el ángulo y la intersección con el eje () como la cohesión(c), que es la metodología que se empleó en este capítulo para simplificar el entendimiento del concepto de corte en un cuerpo sometido a diferentes esfuerzos ortogonales. 52

53 CAPITULO II: NOCIONES BÁSICAS DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO 53

54 2.1. INTRODUCCIÓN AL EQUIPO En el desarrollo de éste capítulo se desarrollan variados conceptos relacionados con las diferentes piezas que componen el equipo de corte directo AutoShear Machine 27-WF2521,así como también las distintas funciones que este posee y la forma correcta de emplearlas. El equipo cuenta con diferentes componentes. A continuación se describen únicamente los básicos, el resto de los componentes se detallarán a medida que se desarrolle éste capítulo Ilustración16: Vista Superior del Equipo de Corte Directo, (1)Monitor, (2) Panel de Control, (3) Celda de carga. 1 - Panel de Control: El equipo cuenta con un panel de control constituido por 10 teclas: 4 teclas designadas como F2, F2, F3, y F4, cuyas funciones varían de acuerdo a lo que muestra la pantalla, 4 teclas de 54

55 navegación que posicionan el cursor en la ubicación deseada, y 2 teclas con funciones específicas similares a las de cualquier ordenador, ENT y ESC. 2 - Monitor: Dentro del mismo panel también existe un monitor que al encender el equipo muestra un menú inicial, desde el cual es posible acceder a otros submenús y modos de ensayos. 3 - Celda de carga: es la unidad encargada de medir la carga horizontal aplicada durante el ensayo de corte Ilustración17: Vista superior del (5)Soporte de la Caja de corte, (4) Soporte del Transductor Horizontal, Marco de Carga (6), Motor paso a paso (7). 4 - Soporte Transductor Horizontal: Este dispositivo se acopla a soporte universal, el cual a su vez se acopla mediante un tornillo Alen de 2mm al transductor. 55

56 5 - Soporte de la caja de corte: este recipiente alberga la caja de corte durante el ensayo, tiene como función principal contener el agua al realizar ensayos con muestras saturadas. En la mayoría de los dispositivos de corte, este soporte no es móvil, ya que la mitad de la caja de corte que se mueve es la mitad superior, pero en el equipo del Laboratorio Austro-Umag sucede lo contrario, es este soporte que se mueve con la mitad inferior de la caja de corte, mientras la caja superior se mantiene inmóvil. 6 - Marco de Carga: este dispositivo transmite la carga que producen las palancas en la parte inferior del equipo mediante pesos muertos (masas), hacia el plato distribuidor de carga que se ubica en la parte superior de la caja de corte. 7 - Motor paso a paso: Es el encargado de aplicar la carga horizontal a la caja de corte, con objeto de hacer que la muestra falle por desplazamiento durante el ensayo. También conforman el equipo algunos objetos desmontables y otros, que se describen a continuación. Transductor de desplazamiento vertical, junto con dos tornillos de diferentes tamaños para la sujeción, y una llave Alen. Mide las deformaciones verticales de la muestra durante el ensayo. Transductor de desplazamiento horizontal, junto con dos tornillos de diferentes tamaños para la sujeción en el soporte universal, y una llave Alen. Mide las deformaciones horizontales de la muestra durante el ensayo. Dos Cajas de corte de bronce, cuyas dimensiones son 100 mm x100 mm, y 60 mm x 60 mm respectivamente, un adaptador de color negro para la caja de corte más pequeña, dos platos de soporte, dos platos distribuidores de carga y un par de tornillos de alineación. 56

57 Dos pisones cuadrados para compactar las muestras (100 mm x 100 mm y 60 mm x60 mm) Dos Cortadores: para dar las dimensiones a las muestras del mismo tamaño que la sección interna de las cajas de corte. Placas Ranuradas (8 en total): cuatro porosas y cuatro lisas (un par para cada caja de corte de cada una), Rejillas porosas metálicas: (4 en total) un par de cada tamaño para cada caja de corte CARACTERÍSTICAS GENERALES Principio Operativo: El Equipo AutoShear Machine 27-WF2521 está diseñado para realizar ensayos de corte directo y residual automáticamente. Para el ensayo de corte directo se deben preestablecer dos parámetros antes de comenzar, estos son: la velocidad del ensayo ( ) y el desplazamiento horizontal estimado en la falla ( ) 11. El quipo realizará el ensayo a la velocidad preestablecida hasta lograr el desplazamiento especificado. Para el ensayo de corte residual, es posible preestablecer hasta 9 ciclos de desplazamiento horizontal. Cada ciclo se puntualiza por el movimiento horizontal, hacia delante y atrás de la caja de corte, en los cuales el desplazamiento horizontal es el mismo en ambas direcciones, sin embargo es posible que la velocidad difiera. El equipo automáticamente realizará la cantidad de ciclos preestablecidos (desde 1 hasta 9) a las velocidades seleccionadas, invirtiendo la dirección del movimiento al alcanzar el desplazamiento máximo preestablecido para cada ciclo. El equipo AutoShear Machine 27-WF2521puede operar bajo configuraciones diferentes: dos 11 Ambos parámetros serán estudiados con mayor profundidad durante el desarrollo del capítulo 4. 57

58 Modo Stand Alone. El sistema de control de microprocesador permite al equipo funcionar de manera automática: las mediciones de prueba (la fuerza y desplazamientos) se muestra directamente en pantalla y se almacenan en la memoria de acuerdo con modos predefinidos de grabación. El uso de la PC es sólo temporal para descargar los datos de prueba a través del puerto serial RS232, una vez concluida la prueba, o durante el transcurso de la misma. Se pueden seleccionar diferentes protocolos de comunicación para la descarga de datos: En formato ASCII, para su uso con Windows HyperTerminal. Formato CONTROLS, para su uso con 82-Q0800/TRM. Formato de GEOLAB2000, para su uso con 30-T0601/IMP, el cual es un software diseñado para convertir los datos de los ensayos a un formato compatible con el software Geolab2000. Modo Red El funcionamiento en modo red es utilizado para controlar varios ensayos a la vez mediante un sólo PC. Para esto es necesario es software Geolab2000 y otros accesorios físicos que no están disponibles en el laboratorio Austro-Umag, por lo tanto no se profundizará en este tema INSTALACIÓN. La maquina debe ser instalada en un sector del laboratorio que sea adecuada para equipos electrónicos avanzados tanto en la ventilación, humedad y temperatura (se recomienda contar con un sistema de aire acondicionado). 58

59 Se debe montar el sistema de aplicación de carga vertical (marco de carga y el brazo de palanca), dejándolo correctamente ensamblado y equilibrado de forma que los pesos puedan ser colocados correctamente. Posteriormente se deben conectar los cables en el panel posterior de la consola según indica la ilustración Celda de Carga Transductor Vertical Transductor Horizontal Puerto RS 232 Ilustración18: Vista del Panel posterior del Equipo. Fuente de poder. Conector de la Celda de carga al puerto 1. Conector del transductor de desplazamiento horizontal en puerto 2. Conector del transductor de desplazamiento vertical en puerto Este es el sistema estándar de conexión, existen otras configuraciones de conexión (se requiere accesorio especial) en caso que se desee conectar más de un equipo, o conectar los sensores directamente al PC. 59

60 Cable serie a la RS 232. Se debe tener especial cuidado de acoplar cada conector en su respectivo puerto, ya que el equipo sólo acepta sensores de carga en el puerto indicado para tal fin. No se deben conectar los anillos de carga en los puertos de los transductores electrónicos de desplazamiento. Una vez realizada todas las conexiones se debe proceder a conectar el equipo a la red eléctrica, verificando que el interruptor del costado derecho del equipo se encuentre abierto. Una vez encendido el quipo se debe presionar la tecla F1 para regresar la unidad a la posición inicial (HOME) MENÚ PRINCIPAL Cuando la máquina está encendida, el menú principal muestra la siguiente captura en el monitor: (Ilustración 19). Ilustración19: Vista del Menú Principal. Los cuatro iconos que aparecen en la derecha están relacionados con las cuatro teclas del teclado (F1), (F2) (F3) y (F4) y tienen un uso diferente con los distintos menús del firmware. 60

61 siguiente: En la página del menú principal de los cuatro iconos indican lo (F1) = posición inicial. Para devolver el pistón horizontal de nuevoal punto cero (posición inicial). Una vez que la posición cero es alcanzada, el motor se detiene automáticamente. 13 (F2) = flecha arriba. Para mover el cursor una posición hacia arriba. (F3) = flecha. Para mover el cursor una posición hacia abajo. (F4) = ENTER. Para aceptar la última orden dada, o confirmar la selección. (F4) La misma función también se activa pulsando la tecla "ENT". La parte inferior de la pantalla muestra: Versión de firmware. Fecha / hora. Nivel de carga de la batería de respaldo. Cuando la batería está completamente cargada la unidad mantendrá los datos registrados, incluso si la unidad está apagada durante aproximadamente un año. Cada vez que la máquina se encienda, la batería se recargará. 13 La tecla (F1) está generalmente asociado a la función ESCAPE (Cancelar): es decir, no aceptar el último comando de entrada o para volver a la pantalla anterior. El mismo comando se puede activar pulsando ESC. 61

62 Si la máquina no se utiliza durante algún tiempo, el indicador mostrará que la batería de respaldo no está totalmente cargada, después de unos minutos es posible observar que el nivel de carga irá en aumento. El tiempo necesario para cargar completamente la batería (de una condición totalmente descargada) es de aproximadamente 12 horas. Cuando la máquina se instala por primera vez, se recomienda dejarla encendida por varias horas a fin de cargar completamente la batería, incluso si no se lleva a cabo ningún ensayo. Selecciones del menú principal: Test running: Para seleccionar los ajustes de la prueba del tipo: directa o residual. DeleteBlocks:Para operar en los bloques de los datos registrados. Options:Para seleccionar la configuración del equipo: la hora / fecha, idioma, modo de descarga de datos. Calibration: Para controlar o calibrar los transductores en unidades físicas. Manual mode:para controlar manualmente y operar la máquina. Presionar (F2) / (F3) para desplazar hacia arriba o abajo el cursor a la selección deseada y pulsar ENT (F4) TEST RUNNING. La pantalla propondrá seleccionar el tipo de prueba a realizar: DirectShear (Corte Directo). Residual Shear (Corte Residual/cíclico) 62

63 Parámetros para el ensayo de Corte directo (fig. 20): Forward speed (velocidad de avance) desde 0,00001 hasta 11,0000 mm/min Displacementlimit (límite de desplazamiento) desde 0 hasta19 mm, compatible con el desplazamiento del transductor horizontal. Forcelimit (kn)(fuerza límite) generalmente la escala total del transductor de fuerza. Time limit (plazo límite) desde 1 hasta 9999 min en la etapa de corte. Utilice las flechas, las teclas (F2), (F3) para seleccionar e ENTER o (F4) para confirmar. Ilustración20: Parámetro para el ensayo de Corte Directo. Es necesario confirmar las modificaciones efectuadas antes de salir del menú. Si no, se mantendrán las opciones anteriores. 63

64 Parámetros para el ensayo de corte residual: (fig. 21) Number of cycles (número de ciclos) cada uno incluye el avance y retroceso (hasta 9) Test speed in mm/min (velocidad del ensayo en mm/min) (avance y retroceso que pueden diferir la una de la otra dependiendo de las condiciones en las que se desea investigar. Displacement limit( desplazamiento límite) (desde 0 hasta 19 mm, compatible con el desplazamiento del transductor horizontal) Force limit(fuerza límite) generalmente la escala total de la fuerza del transductor. (kn) Time limit(tiempo límite) (desde 1 hasta min) duración del ensayo completo. confirmar. Usar el cursor, las teclas (F2), (F3) para seleccionar y ENT o (F4) para Ilustración21: Parámetros Para el ensayo de Corte Residual. 64

65 Recording Mode (Modo de grabación) Esta opción está relacionada con el registro de datos durante la realización de los ensayos, los datos adquiridos son almacenados en bloques de memoria del sistema 'Automax, los cuales se mantienen almacenados hasta que el operador los elimine. Los datos pueden ser transferidos posteriormente al PC. Se pueden establecer 3 tipos de modos de grabación: Lineal Polynomial ( ) Exponential ( ) ( ) donde: dt: (i): T(i): Intervalo de tiempo en minutos (es decir, una lectura por cada intervalo de tiempo) Número de lecturas, partiendo desde el inicio del ensayo (por ejemplo: 1, 2, 3 mientras el ensayo se esté ejecutando) Tiempo de grabación expresado en minutos, en función de (i) Están disponibles otros 3 modos de grabación, en función algunos eventos tales como: Fuerza (N) Desplazamiento Horizontal (mm) Desplazamiento Vertical (mm) Durante el ensayo, cuando la fuerza (o el desplazamiento vertical u horizontal) sobrepasa un valor preestablecido, se registra una nueva fila de 65

66 datos 14. También es posible combinar 2 modos diferentes (como por ejemplo lineal + fuerza ). Ilustración22: Parámetros para el registro de datos. De la primera fila (MODE)se deben presionar las teclas (flechas) para seleccionar el modo de grabación y pulsar ENT para confirmar la selección. Para definir el intervalo de tiempo que definirá la frecuencia grabación del modo seleccionado, se deben presionar las teclas de funciones (F) ajustar los dígitos. Las teclas en este modo funcionan de la misma manera que en el menú principal, y en el caso de la imagen precedente los dígitos son (1.00) 15. Comienzo del ensayo. Cuando todos los parámetros se han establecido, acceda al menú Start Test. En general, esta página muestra la situación de la última prueba realizada: 14 El concepto de fila se refiere a una secuencia de datos en forma horizontal almacenado en un bloque de memoria. 15 En la prueba de corte residual, el modo de grabación debe ser ajustado para cada ciclo. 66

67 Ilustración23: Comienzo del Ensayo. La pantalla muestra la siguiente información: Fecha. Hora. Velocidad del Ensayo. Tipo de ensayo (Corte directo o residual). Número de ciclos (Sólo para corte residual). Modo de Grabación. Estado del ensayo (ejecutándose, completo o en pausa). Lecturas actuales de los transductores en unidades físicas. Número del bloque de memoria actualmente en uso. Comando para borrar (hacer cero) la lectura del canal correspondiente Comando para pausar el ensayo. Comando para crear un nuevo bloque de memoria para guardar los datos. 67

68 Comando para descargar el actual bloque de memoria al PC Comando para descargar todos los bloques de memoria al PC. Comando para salir del menú. Comando para volver al inicio ( Home ). Así se inicia el motor con el fin de devolver el pistón de empuje a su posición inicial. Este comando se usa habitualmente al final de cada ensayo para dejar el equipo preparado para el siguiente ensayo. Antes de insertar la caja de corte con la muestra, pulse la tecla Home para volver a la posición inicial. Se debe preparar el equipo para el ensayo, colocar la caja de corte con la muestra y los accesorios 16. Se debe insertar el tornillo del marco de carga en la posición adecuada sobre el conjunto de la caja de corte (Ilustración 24), acomodando la posición de la palanca al ajustar el tornillo del marco (situado en el centro de la viga transversal de éste. Es importante tener en cuenta que si se desea consolidar la probeta por saturación, el tornillo de nivelación inferior debe estar sosteniendo el peso de la palanca, de manera que la probeta no reciba carga a través del tornillo del marco, pero al comenzar la consolidación por carga, es necesario hacer descender éste tornillo, ya que al aplicar la carga, el volumen de la probeta disminuirá, haciendo descender el tornillo del marco junto con la palanca, y si el tornillo nivelador de la palanca no se encuentra lo suficientemente alejado de ésta, quedará apoyada sobre el tornillo, transmitiéndose la carga a través del tornillo y no a través de la muestra. 16 La preparación de la muestra se detalla en el capítulo 4. 68

69 Ilustración24: A Montaje del Marco de carga (8) sobre la placa distribuidora de Carga. Tornillo del Marco de carga (9), Burbuja de Nivelación (10), Tornillo de Nivelación Inferior (11), Palanca (12). El siguiente paso es posicionar los transductores de desplazamiento (completamente extendido el horizontal, y la mitad del recorrido el vertical). El transductor de desplazamiento horizontal está ensamblado en un bloque de montaje universal de color negro, y es fácilmente diferenciable del transductor de desplazamiento vertical, ya que a diferencia de este último, posee un vástago de dimensiones notablemente superiores. Al desplazar manualmente los vástagos se deben observar variaciones en el monitor del equipo. 17 El transductor de Fuerza debe ser tarado en cero después de ser posicionado correctamente y ser asegurado al conjunto de la caja de corte, respetando que la lectura de la fuerza sea siempre muy cercana a cero. Si es necesario no sobrecargar el transductor y la caja de corte, se puede girar la perilla de ajuste en el lado derecho del transductor de fuerza, para mantener la cercanía de la lectura de fuerza a cero. Antes de comenzar la prueba de corte se debe verificar: Que los tornillos de alineación vertical han sido removidos. 17 En la sección se profundizará el modo correcto de montar los transductores. 69

70 Que los transductores han sido fijados en cero: (el de fuerza horizontal y, los de desplazamientos). Para comenzar el ensayo se debe pulsar la tecla ENT, la pantalla mostrará continuamente en tiempo real las lecturas de la fuerza horizontal, vertical y el desplazamiento horizontal, además de otra información relativa a las condiciones de prueba: Número de ciclo (para el corte residual). Bloque de memoria en uso. Para detener/pausar la prueba, simplemente se debe pulsar la tecla de comando adecuado, y para continuar con el ensayo hay que presionar la misma tecla con la que se pausó. Cuando el ensayo está en marcha, siempre es posible: Descargar los datos de prueba del bloque actual al PC. Crear un nuevo bloque para los datos posteriores, sin detener el ensayo actual. (recordar que la capacidad de memoria máxima es de 5000 líneas de lecturas). La prueba de corte se detendrá automáticamente cuando se cumpla una de las siguientes condiciones: Se han completado los ciclos preestablecidos. La máquina ha alcanzado uno de los límites preestablecidos (fuerza, el desplazamiento o el tiempo). El interruptor de seguridad de desplazamiento máximo detiene el ensayo. El operador presiona ESC. 70

71 Cuando se haya completado la prueba, se debe liberar la tensión horizontal haciendo girar la perilla de ajuste en el lado derecho del transductor de fuerza, luego quitar el yugo de carga vertical y conjunto de la caja de corte con la muestra. Antes de comenzar con una prueba nueva, presionar HOME para volver el pistón a su posición inicial. Desmontaje del Soporte Móvil. Al final de cada ensayo el soporte móvil (F), donde se encuentra el conjunto de la caja de corte, regresa automáticamente a su posición inicial. Si es necesario, para la limpieza o mantenimiento o para engrasar los rodamientosubicados por debajo, el soporte móvil puede ser extraído fácilmente. Para hacerlo realizar lo siguiente: Tornillos Horizontales B Bloque de Carga E Soporte Móvil F Tornillo Vertical A Tuercas Moleteadas D Ilustración25: Componentes del equipo de corte directo utilizados en el desmontaje del soporte móvil. 71

72 En primer lugar se debe utilizar un recipiente plástico para extraer y contener el agua del interior del soporte móvil. Se debe desenroscar el tornillo vertical moleteado (A) para extraer el bloque de montaje del transductor de desplazamiento horizontal. El conjunto del bloque de montaje y el transductor puede ser ubicado en la parte superior del sistema de bloqueo de la celda de carga (Ilustración 26). Posteriormente se procede a desenroscar las tuercas (D) para remover la célula de carga. 18 Bloque de Carga E Sistema de Bloqueo de la celda de Carga Ilustración26: Desmontaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. 18 No es necesario removerla por completo, basta con desenroscar la tuerca cercana al bloque de carga para poder extraer el Soporte Móvil. 72

73 A continuación se deben ajustar el par de tornillos horizontales (B) para liberar la placa vertical adosada al soporte móvil, en el extremo cercano al bloque de carga. Si es necesario, también es posible desajustar los dos tornillos horizontales (C) (Ilustración 27) situados cerca de la base del bloque de carga (E), (que permite a la fuerza horizontal ser transmitida desde la célula de carga hasta el conjunto de la caja de corte), y extraerlo. Tornillos Horizontales A Ilustración27: Tornillos Horizontales que aseguran el bloque de carga al equipo. Finalmente es posible extraer el soporte móvil (F). 73

74 Posicionamiento de los transductores de desplazamiento. Los transductores de desplazamiento utilizados en el equipo de corte directo son montados sobre un bloque de montaje universal, y se fijan en las piezas de soporte pertinente del equipo para la medición del desplazamiento vertical y horizontal (fig. 28). Orificio de Fijación G Ilustración28: Montaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. Orificio de fijación. Para asegurar el cuerpo del transductor, se debe ajustar el tornillo ubicado en el orificio de fijación (G) (Ilustración 28) con una llave Allen de 2 mm., sin forzar, para no dañar el cuerpo del transductor. El transductor para el desplazamiento vertical de 10 mm. de rango, tiene un recorrido de unos 14 mm. Para obtener una medición correcta se requiere ampliar el rango al menos 4 mm. desde la posición de máxima compresión. En teoría el transductor vertical debiese ser instalado desde la posición de máxima compresión, ya que al aplicar la carga vertical la altura de la probeta debiese disminuir provocando la descompresión del vástago de 74

75 transductor, pero se debe considerar que es posible que el suelo a ser ensayado sea un suelo expansivo, lo que provocaría que el transductor siguiese comprimiéndose, hecho que sería imposible si el transductor fue instalado en su posición de compresión máxima. Soporte Transductor Vertical Transductor Vertical Ilustración29: Transductor de desplazamiento Vertical ya instalado. 75

76 2.6. GESTIÓN DE LOS BLOQUES DE MEMORIA. Ilustración30: Menú principal, el cursor muestra el submenú con las opciones disponibles para la gestión de los bloques de memoria. Eliminar bloques de memoria El número de bloques de memoria, (donde los datos de cada paso de los ensayos son registrados y almacenados), se incrementa automáticamente cuando se inicia una nueva etapa. El límite de este procedimiento automático es el número máximo de líneas que se pueden almacenar (5000 líneas). Por lo tanto, cuando sea necesario, es posible restablecer los bloques de memoria y eliminar todos los datos almacenados. Para esto, desde Menú principal (Fig.30), es necesario ejecutar el comando "Delete Blocks"(eliminar bloques). El equipo pedirá la confirmación para esta acción, mostrándose en pantalla la advertencia Confirm?" ( Confirmar?). Para confirmar de debe pulsar la tecla ENT, o ESC para abortar. Si se confirma la orden, la pantalla mostrará: "Are you really 76

77 sure?"( Está realmente seguro?). Pulse nuevamente ENT para continuar o ESC para cancelar 19. Descarga de bloques. Los datos registrados en un ensayo se almacenan en un solo bloque, para descargar estos datos al P.C. sólo se tiene que seleccionar el bloque correspondiente y seguir las instrucciones para la descarga de datos OPTIONS (Opciones) El menú de opciones activa las siguientes opciones: Language (Idioma). Clock setting (Ajuste del reloj). Text Data Format Menu - Formato de transmisión de la descarga de datos a través del puerto RS 232 de serie. Ilustración31: La ilustración muestra el submenú de Opciones. 19 Una vez eliminados todos los datos grabados, no pueden ser recuperados. 20 Este tema se profundiza en las secciones

78 Language Set Up (Selección de idioma): Utilice las teclas de flecha vertical (arriba y abajo) para hacer la selección entre Inglés e Italiano. Pulse ENT para confirmar. Clock Set Up (Ajuste del reloj): utilice las teclas de flecha vertical (arriba y abajo) para hacer la selección. Pulse ENT para pasar de un campo a otro y ESC al final de la entrada para volver al menú anterior. Text Data Format Menú (Menú de formato para la transmisión de datos): para descarga a través del puerto serie RS 232.Se muestra el siguiente submenú al seleccionar esta opción: Ilustración32: Muestra las opciones de protocolos de comunicación, dentro del submenú text data format output Hay tres opciones disponibles: Real Time Data Output: (descarga de datos en tiempo real) los datos son descargados cuando la prueba está en marcha. D - Terminal Output: (Descarga D-Terminal) los datos son descargados en formato ASCII. Geolab2000 Output (Descarga Geolab 2000): formato compatible con el software Geolab 2000 (se requiere el software 30-T601/IMP). 78

79 La unidad de Automax del equipo de corte directo está equipada con un puerto serial RS232 para conexión a PC. El segundo puerto no se encuentra activo, por lo tanto, debe ser ignorado. Para los modos "Real Time " y "D Terminal, los datos se descargan en formato ASCII durante el transcurso de la prueba o cuando ya haya finalizado. En ambos casos los datos se almacenan en bloques de memoria diferentes y se mantiene hasta que se ejecuta el comando DELETE BLOCKS. En el modo D Terminal", cuando la prueba está en curso, es necesario pulsar la tecla de transmisión de datos en la unidad para comenzar a transmitir. En el modo "Real Time ", cuando la prueba está en curso y el PC está conectado, los datos son descargados de forma automática, de acuerdo con el modo de grabación predeterminado. Si el P.C. está temporalmente desconectado, los datos se descargarán cuando vuelva a conectarse CALIBRATION (Calibración) El menú de calibración permite calibrar cada uno de los canales a fin de reducir cualquier error con respecto a una lectura de referencia. Es posible, para cada canal, para hacer una calibración lineal (con un factor de calibración individual) o una calibración polinominal (con varios factores que el firmware calcula automáticamente) Este menú posee funciones avanzadas y sólo se debe ingresar a él cuando el equipo requiera ser calibrado. 79

80 Ilustración33: Menú de Calibración. Se debe seleccionar el canal a ser calibrado y el tipo de calibración a realizar. A continuación se describen los tipos de calibraciones. Calibración lineal. El menú de calibración lineal muestra los canales activos y sus factores de calibración. El factor de calibración multiplica la señal digital del transductor (la fuerza o de desplazamiento) para mostrar las lecturas en unidades físicas. Para una determinada aplicación de fuerza o desplazamiento, las lecturas se incrementarán con el factor de calibración, y viceversa. Antes de iniciar el control de calibración, debe ser posible observar que, mientras se aplica una fuerza o de desplazamiento, las mediciones del transductor que se muestran están cambiando. También debe observarse que la lectura mínima de cada transductor (que corresponde a la posición de reposo) es un número positivo (> 0). Esto depende del ajuste a cero del hardware (ajustado en la fábrica y no accesible por el operador). 80

81 Para calibrar realizar lo siguiente: Seleccione el canal a calibrar. Pulse ENTER para pasar de un canal a otro, el cursor se posiciona en el factor de calibración del canal seleccionado. La calibración sólo tendrá efecto en el canal seleccionado. Pulse (F3) para ponerlo en cero. Aplicar para el transductor de fuerza (o desplazamiento), medidas exactas, con la adecuada referencia del instrumento calibrado y comparar las lecturas en la pantalla y en el instrumento de referencia. Calcular el error como la diferencia entre las dos lecturas, expresado como porcentaje se refiere a la lectura de referencia. Si el error está fuera de los límites previstos (generalmente 1%), es necesario ajustar el factor de calibración. Utilice las teclas de flecha verticales para aumentar o disminuir los dígitos. Utilice las teclas de flecha horizontal para pasar de un dígito a otro. Una vez cambiado el factor, pulse ENTER para que el nuevo factor de calibración afecte de inmediato la lectura visualizada. Continúe de esta manera hasta que el error se reduce dentro de los límites requeridos. Se recomienda un valor de aprox. 50% de la escala total sea utilizado para este tipo de calibración. A continuación vuelva a cero y repita el procedimiento hasta que la calibración esté dentro de los límites admisibles. Calibración Polinominal El menú de calibración polinominal permite la calibración automática de los canales activos (fuerza / desplazamiento) para reducir los errores a lo largo de toda la gama de medición, especialmente en el rango por debajo del 10% de la escala completa. Es necesario realizar 6 pares de lecturas (una 81

82 del transductor a calibrar y otra desde el instrumento de referencia). La unidad de Automax procesará los datos para calcular la curva de calibración (ecuación polinoiminal hasta de 5to grado). Antes de acceder al menú de calibración, guarde los valores digitales que se muestra en el "Unactive Calibration Mode", utilizando un instrumento de referencia. Las lecturas digitales generalmente se registran en el rango entre 10% y el 100% de la escala completa. Para lograr una alta precisión en el primer rango, hacer lecturas debajo de 10% pero no menos del 1%. Los datos registrados (es decir, los datos digitales que aparecen en la pantalla y los datos correspondientes en la unidad física del instrumento de referencia, se utilizará en el procedimiento de regresión polinómica. Por lo tanto, se recomienda registrar el valor real (es decir, del instrumento de referencia) y el valor correspondiente mostrado. Es necesario obtener seis pares de lecturas para realizar la calibración. Antes del siguiente paso, le recomendamos hacer una evaluación sencilla sobre la linealidad del sistema y el mejor rango en que debe ser realizada calibración. La pantalla ofrece la posibilidad de realizar la calibración del polinomio en varios puntos (hasta 6) que luego se procesan automáticamente a fin de compensar la no linealidad del sistema. Si el transductor es lineal y la gama actual de medición es entre 10-20% y el 100% de la escala, la calibración de polinomio no es necesaria. Se debe realizar la calibración lineal como el procedimiento estándar. 82

83 Si se requiere la mejor precisión (error inferior al 1% a lo largo de toda la gama), se recomiendan los siguientes seis puntos: 0%, 1%, 3%, 5%, 10%, 50-70%. Entre al menú de regresión polinómica seleccionando el canal adecuado. Ilustración34: Datos de calibración. La pantalla mostrará los valores correspondientes a la última calibración (si la máquina ha sido previamente calibrada en el modo de polinomio). De lo contrario serán mostrados los valores por defecto. La primera columna de la izquierda: Las mediciones del instrumento de referencia en unidades físicas. Segunda columna: Valores digitales correspondientes a los del equipo. Tercera columna. Factor de calibración calculado por la unidad de Automax. El procedimiento consiste en insertar los datos en pares (puntos) previamente grabados, a partir de los sensores. 83

84 En cada caso introducir: En la primera columna la medición de referencia expresada en unidades físicas. En la segunda columna los correspondientes datos mostrados por Automax. El primer par de datos deben ser forzados a cero (ambos valores). De lo contrario, la calibración puede ser distorsionada por un ajuste a cero. Utilice las teclas verticales para ingresar los valores, y la tecla ENT para ir a la siguiente casilla. Cuando un valor se ha confirmado con la tecla ENT, no puede ser modificado. Por lo tanto, se debe tener cuidado de no introducir valores incorrectos. Al completar toda la tabla introduciendo los seis pares de lecturas, presione ESC para volver a la pantalla anterior. Para comprobar la calibración de nuevo, entrar en el modo manual, seleccionar "Calibration Active" y comparare las lecturas mostradas con las mediciones del instrumento de referencia MANUAL MODE (Modo manual) El "modo manual" es un procedimiento que se utiliza normalmente a lo largo de la calibración. En este menú es posible comprar las lecturas de los distintos sensores teniendo en cuenta los factores de calibración generados, y también cuando no están condicionadas por ningún factor de calibración. Al acceder a este menú, la pantalla muestra dos opciones: Active Calibration (Calibración Activa): las lecturas de la fuerza y el desplazamiento se muestran en unidades físicas, ya teniendo en cuenta los factores de calibración guardados desde el menú de calibración. 84

85 Unactive Calibration (calibración no activa): las lecturas no están condicionados por ninguna calibración y pueden ser utilizadas como referencias para la calibración automática polinomial. Pulse ENTER para poner simultáneamente en cero las lecturas de los tres canales. Pulsar UP y DOWN para mover el pistón horizontal hacia delante o hacia atrás respectivamente. La tasa de desplazamiento será de unos 3mm/min. El motor paso a paso se detendrá automáticamente cuando se alcance el recorrido completo en ambas direcciones. Cuando el pistón alcanza el recorrido máximo, el motor sólo puede ser activado para mover el pistón en la dirección opuesta. Con el motor detenido, presione la tecla ESC para salir de este menú DESCARGA DE DATOS CON HYPER TERMINAL 22. Hyper Terminal es un software de Microsoft incluido en las versiones anteriores a Windows XP inclusive, aunque también puede ser instalado en el PC para versiones posteriores de dicho sistema operativo. Para iniciar Hyper Terminal desde Windows XP se deben seguir las siguientes instrucciones: Desde Windows, haga clic en Inicio, Todos los Programas, Accesorios y, finalmente, COMUNICACIONES. Haga clic en Hyper Terminal. Si se le solicita, no seleccione la instalación de un módem. 22 HyperTerminal es un software de comunicaciones utilizado para conectarse desde un pc a otros equipos a través de módems, serie RS-232 conexiones, o telnet. 85

86 Dé un nombre a la conexión (por ejemplo, CORTE). Para la solicitud de "conectar a..." elegir entre COM1, COM2... COMX (donde X es el puerto serie utilizado en el PC) y posteriormente confirmar. Se debe establecer la configuración de la comunicación de datos del Puerto según muestra la siguiente tabla: Modo de Transmisión Bits por segundo Real Time D Terminal Geolab Bits de datos Bits de parada Paridad Ninguna Ninguna Ninguna Tabla 4: Configuración para transmisión de datos con Hyper Terminal Una vez que esto se ha confirmado la ventana de configuración desaparecerá. Para insertar el icono de Hyper Terminal. Seguir el procedimiento indicado por Windows para crear un acceso directo a la nueva conexión "CORTE". Cómo transmitir datos: Acceda a la conexión "CORTE DIRECTO" el icono, y desde el menú principal de Hyper Terminal acceder a los iconos de la barra de herramientas: DESCONECTAR: para detener la transmisión de datos. LLAMAR: para abrir de nuevo la transmisión de datos. 86

87 Ilustración35: Configuración Hyper Terminal. Ahora, una página en blanco de Hyper Terminal se mostrará. El PC está preparado para recibir datos a través del puerto serie seleccionado. Los datos recibidos se muestran pero no son guardados, por lo tanto, para almacenar los datos recibidos en un archivo la función Capturar texto debe activarse. Para ello, seleccione la opción Transferir y luego la Capturar texto.ahora seleccione la carpeta y el nombre de archivo (.txt) en la que los datos se almacenarán. Haga clic en Iniciar para comenzar la captura de los datos transmitidos. A partir de este momento todos los datos recibidos del puerto serie se guardará en el archivo seleccionado. Para terminar el proceso, simplemente haga clic en Transferir, luego en Capturar texto y luego salga de la aplicación. Cuando Hyper Terminal está cerrado, aparecerá un mensaje solicitando guardar la sesión de trabajo actual, si se guarda, para la próxima ejecución basta con recordar la conexión a través de la denominación que le ha sido dada (por ejemplo, AUTOSHEAR). 87