Informe de Laboratorio CI4402

Transcripción

1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil Informe de Laboratorio CI4402 Laboratorio #3 Corte Directo y Angulo en Reposo Alumno: Ignacio Farías G. Profesor: Cesar Pasten Prof. Aux: Ignacio Cartes Ayudante de Laboratorio: Daniela Delgado Fecha de Realización: 14/10/2013 Fecha de Entrega: 28/10/2013

2 Índice: 1. Introducción pág Metodología del Ensayo pág Memoria de Calculo pág Resultados de Laboratorio pág Conclusiones y Análisis de Resultados pág Referencias pág. 13 1

3 1. Introducción En el presente informe se procederá a calcular los parámetros resistentes de un suelo (cohesión y Angulo de fricción interna) mediante dos métodos distintos y posteriormente comparar ambos resultados. Estos métodos son los de ángulo en reposo y el ensayo de corte directo. Para lograr lo anterior también se enunciara el procedimiento a realizar además de los cálculos posteriores. En cuanto al ensayo de corte directo a grandes rasgos este ensayo consiste en aplicar un desplazamiento horizontal(a velocidad conocida) o una fuerza (también conocida) con tal de producir una falla en el mismo plano horizontal sobre la muestra de suelo. Hecho lo anterior se procede a medir tanto la fuerza horizontal como el desplazamiento vertical inducido. Los datos obtenidos anteriormente se pueden graficar para poder determinar de manera aproximada los parámetros resistentes del suelo ensayado. Como se explicara más adelante para la determinación de estos parámetros es necesario más de un set de datos, ya que se deben obtener resultados para diferentes presiones de confinamiento (fuerza vertical). En este caso se realizaron dos ensayos. Cabe señalar que para lograr un resultado con alto grado de exactitud se requieren tres o más ensayos. Una de las principales ventajas de este tipo de ensayo es que su valor económico es relativamente bajo y por ende constituye una gran herramienta de cálculo si es que no se dispone de otros artefactos más precisos sin perder mucho grado de exactitud. Para determinar la resistencia al corte del material se procede a utilizar el modelo de Mohr-Coulomb. Este ensayo permite determinar las curvas esfuerzos de corte versus deformación horizontal y deformación vertical versus deformación horizontal. De lo anterior se puede obtener el esfuerzo último, el esfuerzo peak y el comportamiento del material (contractivo, dilatante, etc.) A continuación se procede a realizar el ensayo llamado Angulo de Fricción en Reposo. Este ensayo se utiliza para estimar el ángulo de fricción interna de una arena (se obtiene el denominado ángulo de fricción en reposo o ángulo de talud natural). Es intuitivo pensar que este ángulo depende tanto de la superficie donde se deposite la arena como de la velocidad con la que es depositada, es por esto que se realizan cuatro ensayos: baja velocidad con superficie lisa y rugosa; alta velocidad con superficie lisa y rugosa. Para cada prueba de mide el diámetro y la altura con el fin de poder obtener el ángulo de fricción el cual para este ensayo es completamente geométrico. Se debe notar que el ensayo de corte directo resulta más preciso al ser utilizado en condición drenada debido a que las presiones de poros son rápidamente disipadas. 2

4 2. Metodología del Ensayo Para el ensayo de Corte Directo los pasos a seguir, según la norma ASTM D , son los siguientes: 1) Ensamble de la Caja de Corte con los pórticos de carga alineados y fijos en posición. En primer lugar se debe insertar cuidadosamente la muestra de ensayo. Existen varios mecanismos que pueden ser utilizados para poder disminuir la fricción durante el corte (separadores de fluocarbón, superficies cubiertas de fluocarbón, una ligera capa de grasa entre los pórticos, etc.) En este caso no se utilizó ninguno de estos mecanismos. Luego se procede a conectar los dispositivos de carga y los diales (dispositivos de desplazamiento). Se debe determinar el espesor inicial del espécimen. 2) Consolidación Se procede a consolidar la muestra de suelo bajo la apropiada fuerza normal. Luego apenas sea posible llenar el reservorio de agua hasta un punto por encima de la parte superior de la muestra. Ese nivel de agua se debe mantener durante la consolidación y durante la aplicación del esfuerzo de corte (o desplazamiento horizontal), de modo que en todo momento la muestra de suelo este totalmente sumergida. Luego se permite el drenado con tal de que la muestra de suelo se consolide. Durante este proceso de deben registran las lecturas de desplazamiento normal (vertical). Para más detalles sobre este procedimiento revisar la norma D2435 asociada al ensayo de consolidación. 3) Aplicación del esfuerzo de corte Luego de que la muestra se consolide, se deben abrir los pórticos y separarlos ligeramente, de modo tal que la muestra pueda ser sometida a esfuerzos de corte. Aplicar el esfuerzo de corte (o el desplazamiento horizontal según corresponda) lentamente para asegurar que las presiones de poros se disipen completamente. Se procede hasta el tiempo total de falla del suelo. Se continúa el ensayo hasta que el esfuerzo de corte se haga esencialmente constante o hasta que una deformación de corte del 10% del diámetro original haya sido alcanzada. En esta sección del ensayo se debe medir tanto el desplazamiento horizontal como vertical para ciertos rangos de fuerza vertical. 3

5 Ilustración 1: Esquema del ensayo de Corte Directo El siguiente ensayo a realizar tiene una metodología mucho más simple que el ensayo de corte directo. Como se mencionó anteriormente el ángulo de fricción en reposo depende de la energía con la que el suelo es depositado y también de las condiciones de borde de la superficie donde se deposita, es por esto que se realizan cuatro pruebas en total: baja velocidad con superficie lisa, baja velocidad con superficie rugosa, alta velocidad con superficie lisa y alta velocidad con superficie rugosa. Para cada prueba se mide una altura y tres diámetros con tal de poder calcular un promedio entre ellos. Con estos resultados se puede estimar el ángulo según la siguiente figura: Ilustración 2: Geometría del cono de arena 4

6 3. Memoria de Cálculo A continuación se ilustran las fórmulas utilizadas y el procedimiento utilizado para determinar todos los parámetros de este ensayo y para poder graficas los resultados correctamente. En primer lugar se debe realizar la conversión de todas las magnitudes para que sean comparables. Para el ensayo del cono de arena se trabajara simplemente en centímetros y para el ensayo de corte directo la carga en kilogramos-fuerza y los desplazamientos en milímetros. Para el segundo ensayo la única fórmula involucrada es la para calcular el ángulo, dado por: Con: A continuación se describe el procedimiento de cálculo respectivo al ensayo de corte directo. En primer lugar se deben corregir las áreas según la siguiente formula: Luego el esfuerzo horizontal aplicado viene dado por: Luego se identifican los máximos y valores últimos y se obtienen los gráficos necesarios para la obtención de los parámetros que vienen dados por: En este caso se asumió que la cohesión era nula ya que se trabajó con una arena normalizada. 5

7 4. Resultados del laboratorio Para el ensayo de corte directo se realizaron dos set de mediciones, obteniendo los siguientes resultados primero para una carga aplicada de 900kgf y luego para una carga de 1800kfg. Ambas muestras fueron ensayadas a una densidad relativa del 40%. Desp. Horizontal[mm] Fuerza Corte [kgf] Desp. Vertical[mm] ,1 61, ,2 123,0928-0,01 0,3 169,2526-0,03 0,4 207,7191-0,04 0,5 246,1856-0,05 0,6 276,9588-0,07 0,7 307,732-0,08 0,8 330,8119-0,09 0,9 353,8918-0, ,9717-0,11 1,2 423,1315-0,12 1,4 453,9047-0,12 1,6 492,3712-0,12 1,8 530,8377-0, ,6109-0,12 2,5 630,8506-0, ,7037-0,03 3,5 723,1702 0, ,2501 0,13 4,5 769,33 0, ,7166 0, ,7965 0, ,4898 0, ,4898 0, ,4898 1, ,4898 1, ,4898 1, ,4898 1,67 6

8 13 807,7965 1, ,7965 1, ,1032 1,89 Tabla 1: Resultados obtenidos para fuerza vertical 900[kgF] Desp. Horizontal[mm] Fuerza Corte [kgf] Desp. Vertical[mm] ,1 76, ,2 157, ,3 230, ,4 323,1186-0,01 0,5 407,7449-0,01 0,6 492,3712-0,02 0,7 553,9176-0,03 0,8 611, ,04 0,9 661,6238-0, , ,07 1,2 784,7166-0,09 1,4 846,263-0,11 1,6 903, ,13 1,8 946,2759-0, ,4357-0,14 2,5 1080, , , ,14 3,5 1307,861-0, , ,03 4,5 1461,727 0, , , ,0466 0, , , , , , , , , , , , ,47 7

9 Esfuerzo de corte [kpa] ,2734 1, ,8069 1, , ,69 Tabla 2: Resultados obtenidos para fuerza vertical 1800[kgF] Se obtienen los siguientes gráficos: Esfuerzo de corte v/s deformacion horizontal Deformacion horizontal[mm] Carga Vertical 1800kgf Carga Vertical 900kgf Ilustración 3: Grafico Corte versus Desplazamiento Horizontal ambos ensayos 8

10 Desplazamiento Vertocal [mm] 2 Grafico desplazamiento horizontal v/s vertical 1,5 1 0,5 0-0, Desplazamiento horizontal[mm] Carga Vertical 900kgf Carga Vertical 1800kgf Ilustración 4: Grafico tipo de suelo De la ilustración 3 podemos observar los valores de esfuerzo de corte peak y residual para cada ensayo los cuales se resumen en la siguiente tabla: Tensión Normal[kPa] Corte peak[kpa] Corte ultimo[kpa] 98 84, , , ,9621 Tabla 3: Esfuerzos peak y últimos para ambos ensayos De donde se puede graficar el confinamiento v/s el esfuerzo de corte para el caso peak y el caso último: 9

11 Esfuerzo de corte[kpa] 180, , ,0000 Grafico esfuerzo de corte v/s confinamiento 120, , , ,0000 y = 0,6529x + 10,996 R² = 1 40, ,0000 0, Confinamiento[kPa] Corte peak[kpa] Corte ultimo[kpa] Lineal (Corte ultimo[kpa]) Ilustración 5: Envolventes de falla Con estos valores podemos estimar ángulos de fricción interna y cohesión. Se debe notar que la cohesión se obtiene de la línea de estado último para el caso donde se ocupa el corte último De donde también podemos obtener directamente la cohesión c=10,996[kpa]. Para el esfuerzo último, se necesita el ángulo entre la cohesión que ya conocemos y el punto de tensión peak: Veamos ahora los resultados obtenidos para el ensayo del cono de arena (rápido y lento respectivamente): 10

12 Repetido Rápido del cilindro Superficie Lisa Superficie Rugosa Altura [cm] 6,385 Altura [cm] 6,51 Ancho 1 [cm] 4,12 Ancho 1 [cm] 37,825 Tabla 4: Resultados para depositación rápida Repetido Lento del cilindro Superficie Lisa Superficie Rugosa Altura [cm] 7,11 Altura [cm] 7,02 Ancho 1 [cm] 32,225 Ancho 1 [cm] 32,475 Tabla 5: Resultados para Depositación Lenta Procesando estos datos se llega a lo siguiente: Caso Angulo[ ] rápido y rugoso 18,994 rápido y liso 17,221 lento y rugoso 23,380 lento y liso 23,811 Tabla 6: Ángulos de talud 11

13 5. Conclusiones y Análisis de Resultados Sobre los resultados del ensayo de corte directo lo primero que se debe notar es que un aumento en la presión de confinamiento implica un aumento en el esfuerzo de corte que puede resistir el suelo, de la misma forma también se puede deducir un comportamiento para el suelo en base a los gráficos. Resulta entonces que el suelo presenta un comportamiento dilatante el cual se aprecia más claramente conforme aumenta el confinamiento. Con respecto a la línea de estado último, se está analizando una arena normalizada la cual como propiedad presenta cohesión 0. En este caso el suelo exhibe cohesión en base al cálculo realizado lo cual se puede explicar debido a la humedad que puede existir en la muestra la cual induce una cohesión aparente en la muestra de suelo. Ahora debido a que se obtuvieron tres posibles ángulos de fricción interna en base al dato que se usó para el cálculo. En cuanto a esto se elige el ángulo calculado para el caso con el corte ultimo debido a que este representa el estado ultimo del material ósea la envolvente de falla y como en ensayo se utiliza para estimar parámetros del suelo los que se buscan son los asociados a la resistencia final del suelo. Los otros dos ángulos asociados a tensiones peaks pueden utilizarse para estimar resistencia de un suelo para otros valores de confinamiento pero debido a que estos valores de corte son mayores al caso ultimo pueden producir resultados catastróficos si se utilizan valores peaks para los cálculos de un obra. Observando los resultados del ensayo de ángulo en reposo notamos que estos valores distan mucho del calculado en base a los resultados del ensayo de corte directo. Aun cuando se observa una tendencia(a mayor rugosidad y mayor lentitud aumenta el ángulo de talud) no se podría asegurar que existe una velocidad y rugosidad que permitiese obtener un ángulo de fricción interna igual al que resulta del ensayo directo por lo tanto se concluye que este método no produce resultados certeros ni muchos menos fiables. Se prefiere el ensayo de corte directo por su simpleza y también por el valor económico bajo lo cual significa que se puede repetir el ensayo bajo muchas situaciones y distintos valores de confinamiento permitiendo estimar valores precisos. A modo de estimación y por conocimiento previo, se considera que con 3 ensayos se puede construir la envolvente de falla de forma certera y confiable manteniendo los costos bajos. 12

14 6. Referencias ASTM D , Método Estándar para el ENSAYO DE CORTE DIRECTO DE SUELOS BAJO CONDICIONES CONSOLIDADAS DRENADAS, ASTM International, ENSAYO CORTE DIRECTO ENSAYO CORTE DIRECTO., (octubre 27, 2013) Metodología Del ensayo ENSAYO CORTE DIRECTO., (octubre 27, 2013). 13