3.2. ENSAYO CORTE DIRECTO.

Transcripción

1 3.2. ENSAYO CORTE DIRECTO. La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga. Para conocer una de estas resistencia en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (Ph) creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra (figura 3.3.). Figura 3.3. Esquema del aparato de corte directo. Fuente: Geotecnia LNV., El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos: - un esfuerzo normal (σ n ), aplicado externamente debido a la carga vertical (Pv). - un esfuerzo cortante (τ ), debido a la aplicación de la carga horizontal. Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (A) de la muestra o de la caja de corte y deberían satisfacer la ecuación de Coulomb: τ = c + σ n * Tg ( φ ) Según esta ecuación la resistencia al corte depende de la cohesión (c) y la fricción interna del suelo (φ ). Al aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo las deformaciones y con estos valores es posible graficar la tensión de corte (τ ), en función de la deformación (ε ) en el plano de esta tensión de corte. De la gráfica es posible tomar el punto máximo de tensión de corte como la resistencia al corte del suelo. Los valores de τ se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal (σ n ), obteniendo la recta intrínseca (figura 3.4.), donde τ va como ordenada y σ n como abscisa. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo φ y el intercepto con el eje τ, la cohesión c.

2 Figura 3.4. Recta intrínseca. Fuente: Espinace R., Los ensayos de corte directo en laboratorio se pueden clasificar en tres tipos según exista drenaje y/o consolidación de la muestra, por lo tanto los valores de c y φ dependen esencialmente de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad del suelo. - Ensayo no consolidado no drenado (UU). Es un ensayo rápido, donde el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (Pv); si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Generalmente la recta intrínseca en el diagrama de τ contra σ es horizontal, donde τ =Cu. No se permite el drenaje de la muestra en todo el ensayo. - Ensayo consolidado no drenado (CU). En este ensayo se permite que la muestra drene ó se consolide durante la aplicación de la carga vertical, de modo que en el momento de aplicar el esfuerzo de corte las presiones instersticiales sean nulas, pero no durante la aplicación del esfuerzo cortante. La tensión de corte es rápida para que la presión de poros no pueda disiparse en el transcurso del ensayo. Estos ensayos no se usan en suelos permeables y es necesario medir el movimiento vertical durante la consolidación (drenaje) para saber cuando se ha producido por completo. Por lo tanto, la ecuación de Coulomb se transforma en:

3 τ = c cu + σ * Tg ( φ cu ) = c cu + ( σ + µ ) * Tg (φ cu ) - Ensayo consolidado drenado (CD). La velocidad de corte es lenta, se permite el drenaje de la muestra durante todo el ensayo siendo las presiones instersticiales nulas durante la aplicación del esfuerzo cortante ( µ =0), esto implica que: σ = σ, c=c, φ = φ. Por otro lado, según la forma en que se aplica el esfuerzo horizontal, los ensayos de corte se pueden clasificar en dos tipos. - Ensayos de tensión controlada. Se aplica el esfuerzo horizontal, se miden las deformaciones hasta llegar hasta la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan, lo que nos indica que hemos sobrepasado la carga de rotura. - Ensayos de deformación controlada. La mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada; los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal (figura 3.5.). Figura 3.5. Corte directo de deformación controlada. Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol. 1, 1975.

4 Metodología del ensayo. - Equipo necesario. - Máquina de corte directo, capaz de sujetar la probeta entre dos piedras porosas, medir las cargas normales, medir cambios de espesor, medir desplazamientos y permitir el drenaje a través de las piedras porosas. - Cajas de corte, normalmente son cuadradas de 10 o 6 cm. de lado, o bien cilíndricas de 6, 10 ó 16 cm. de diámetro, con sus respectivas piedras porosas. - Dos balanzas, una de 0,1 gr. de precisión; la otra de 0,01 gr. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Cámara húmeda. - Herramientas y accesorios. Equipo para compactar las probetas remoldeadas, diales de deformación, agua destilada, espátulas, cuchillas enrasador, cronómetro, regla metálica, recipientes para determinar humedad, grasa. - Procedimiento. - Método para suelos no cohesivos. Se pesa una muestra de arena (seca o de humedad conocida) suficiente para hacer tres ensayos a la misma densidad. Se ensambla la caja de corte, se obtiene la sección (A) de la muestra y se coloca la arena en la caja junto al pistón de carga y la piedra porosa. Se aplica la carga vertical (Pv) y se coloca el dial para determinar el desplazamiento vertical (se debe incluir el peso del pistón de carga y la mitad superior de la caja de corte en el peso Pv). En ensayos consolidados se comienza cuando el asentamiento se ha detenido; en suelos no cohesivos esto puede hacerse a partir de la aplicación de Pv. Se separa la caja de corte, se fija el bloque de carga y se ajusta el deformímetro para medir el desplazamiento cortante (en ensayos saturados se debe saturar la muestra el tiempo necesario). Luego se comienza a aplicar la carga horizontal midiendo desde los deformímetros de carga, de cambio de volumen y de desplazamiento cortante. Si el ensayo es del tipo deformación controlada se toman esas lecturas a desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 o 20 unidades. La tasa de deformación unitaria debe ser del orden de 0,5 a no más de 2 mm/min. y deberá ser tal que la muestra falle entre 3 y 5 minutos.se repite el procedimiento por lo menos en dos muestras utilizando un valor distinto de carga vertical (se sugiere doblar la carga). - Método para suelos cohesivos. Se moldean 3 o 4 probetas de una muestra de suelo inalterada, utilizando un anillo cortante para controlar el tamaño. Se ensambla la caja de corte, se saturan las piedras porosas y se mide la caja para calcular el área (A) de la muestra. Se colocan la muestra en la caja de corte, las piedras porosas y el pistón de carga sobre el suelo, la carga normal Pv y se ajusta el deformímetro vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el deformímetro vertical igual que en el ensayo de consolidación para determinar cuando la consolidación haya terminado. Luego, se separan las mitades de la cajas de corte dejando una pequeña separación y se empalma la cabeza de carga, asegurando que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso del bloque de carga y la mitad superior de la caja de corte. Se acopla el

5 deformímetro de deformación cortante y se fija en cero tanto el deformímetro horizontal como vertical (en ensayos saturados se llena la caja con agua y se espera la saturación de la muestra). Aplicar la carga de corte tomando lecturas del deformímetro de carga, de desplazamientos de corte y verticales (cambios de volumen).en ensayos de deformación controlada, las lecturas se toman a desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 o 20 unidades. La tasa de deformación unitaria debe ser la misma que en el caso anterior (no más de 2 mm/min.) y tal que falle entre 5 a 10 minutos, a menos que el ensayo sea consolidado drenado. La velocidad de deformación para este último, debería ser tal que el tiempo para que ocurra la falla (t f ) sea: t f =50*t 50, donde t 50 es el tiempo necesario para que ocurra el 50% de la consolidación bajo la carga normal Pv. Al finalizar el ensayo, se remueve el suelo y se toman muestras para determinar el contenido de humedad. El procedimiento se repetirá para las muestras adicionales. - Cálculos y gráficos. Los siguientes cálculos son aplicables tanto a suelos cohesivos como a suelos no cohesivos. - Se grafican en escala natural las curvas de deformación, donde la ordenada será la deformación horizontal y la abscisa el tiempo necesario de las distintas probetas. Se obtiene la máxima deformación horizontal. Con los valores de carga vertical y tangencial se calcula la tensión tangencial y la tensión normal. Gráficamente se pueden obtener el esfuerzo cortante (τ ) y el esfuerzo normal (σ n ), mediante las siguientes expresiones: τ = Ph / A ( kgs/cm 2 ) y σ n = Pv / A ( kgs/cm 2 ) donde: Pv = carga vertical aplicada (kgs.) Ph = carga horizontal aplicada (kgs.) A = área nominal de la muestra (cm 2 ) Con los datos de τ y σ n de cada una de las probetas, se traza la recta intrínseca y de ella se obtiene c y φ, donde c es la ordenada de la recta hasta el eje de las abscisas y φ el ángulo que forma la horizontal con la recta intrínseca. Es posible trazar además la curva de deformaciones verticales, donde se llevan en ordenadas las deformaciones (asentamientohinchamiento) y en abscisas el tiempo. - Observaciones. - La velocidad del ensayo debe ser la estipulada, ya que si es muy rápida en ensayos drenados, la presión de poros no es capaz de disiparse. - Es fundamental que en ensayos consolidados, esta se realice completamente. Deben hacerse con especial cuidado las lecturas de los comparadores (diales) y de las fuerzas tangenciales aplicadas, al igual que el trazado de las curvas. La ventajas de este tipo de ensayos es la simplicidad y velocidad de avance para suelos no cohesivos. - Es conveniente recordar que el propósito de efectuar ensayos de corte en el laboratorio es reproducir las situaciones del terreno, pero como las condiciones in situ están en etapa de investigación, el mejor ensayo de laboratorio será aquel en que mejor se entiendan y controlen las condiciones de fatiga y deformación tal como ocurre en un ensayo triaxial.

6 - Las muestras de suelos cohesivos, se deben moldear (en lo posible) dentro de una cámara húmeda. - En arcillas muy blandas, el separar las mitades de la caja de corte se realizará cuidadosamente porque el material podría ser extruído fuera de la caja por la zona de separación, en estos casos se deben utilizar cargas verticales pequeñas. - El ensayo de corte directo tiene las siguientes limitaciones: - el área de la muestra cambia a medida que el ensayo progresa. Esto no es sea demasiado significativo, cuando las muestras fallan a deformaciones muy bajas, - cuando se diseñó la caja de corte, se supuso que la superficie de falla real sería plana y que el esfuerzo cortante tendría una distribución uniforme a lo largo de esta, sin embargo, con el tiempo se estableció que estas suposiciones no siempre son válidas - al emplear en el ensayo una muestra muy pequeña, los errores de preparación son relativamente importantes Otros métodos para determinar la resistencia al corte. Ensayo de corte con veleta (o ensayo del molinete). La veleta es un aparato que se usa comúnmente para obtener la resistencia al corte de arcillas blandas a muy blandas. Debido a su tamaño es posible hacer varios ensayos para determinar estadísticamente la resistencia al corte sin drenar (τ u ), de muestras SPT hechas a grandes profundidades, donde la toma de muestras produce mayores alteraciones (figura 3.6.). El ensayo se aplica en depósitos cohesivos blandos donde la perturbación es crítica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsión. La resistencia al corte sin drenar (τ u ) se puede calcular mediante la siguiente expresión: τ u = 4 * T / π * ( 2 * d 2 * h + a * d 3 ) ( kgs/cm 2 ) donde: T = torsión aplicada (kgs*cm) d = diámetro de la veleta (5 a 15 cms.) h = longitud de la veleta (10 a 22,5 cms.) a = 2/3 para distribución final uniforme de los esfuerzos cortantes a = 3/5 para distribución final parabólica de los esfuerzos cortantes a = 1/2 para distribución final triangular de los esfuerzos cortantes El coeficiente a que aparece en la fórmula, tiene por objeto eliminar el supuesto de que la rotura se produce según un cilindro perfecto circunscrito a las aspas de la veleta. Este coeficiente depende de la relación d/h y de la naturaleza del terreno, el cual fallará de forma distinta según sea su tipo.

7 Figura 3.6. Veleta. Fuentes: J. Salas J. y De Justo A., Vol La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsión hasta que se corte el cilindro de suelo contenido entre el perímetro de la veleta (Carlson recomienda velocidad angular de 0,1º/seg). El valor obtenido debe corregirse ya que las investigaciones señalan que entrega valores demasiado altos. Para corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de τ u se multiplica por un factor λ obtenido del gráfico de la figura 3.7. y así tenemos el τ u de diseño. Diversas investigaciones señalan que a cierta profundidad, dependiendo de la calidad del muestreo, existe una coincidencia aceptable entre los valores de resistencia sin drenaje dados por la fórmula y la mitad de la resistencia a la compresión simple de muestras inalteradas ensayadas en laboratorio. Para profundidades mayores la resistencia con veleta es mayor, debido a la dificultad de la toma de muestras.

8 1,2 1 0,8 0,6 Figura 3.7. Gráfico para corregir el valor de τ u.(bowles J.,1982.) 0, Ip 100 Ensayo de corte simple. Es una variante del corte directo de laboratorio, en donde a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte sino que se somete a una fuerza que produce una deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones. En los aparatos de corte simple (figura 3.8.), se coloca la muestra cilíndrica dentro de una membrana de goma, reforzada con un espiral de hilo de constantán (aleación de cobre y níquel). La muestra se somete a una deformación de corte simple (figura 3.9.) donde los planos principales de tensiones y deformaciones rotarán en la medida en que cambie el estado de tensiones. Durante el ensayo las tensiones y las deformaciones, serán las mismas sobre cualquier plano horizontal. Además se elimina el roce con las paredes al aplicar el esfuerzo vertical. Durante la fase de consolidación, la tensión principal mayor es igual a la presión de consolidación vertical (σ v ) y la tensión principal menor es igual a la tensión horizontal (σ h ) que corresponde al valor de σ h = Ko*σ v. Debido a un incremento en las tensiones de corte en el plano horizontal, las que provocan una rotación en la dirección de las tensiones principales y cambio en la magnitud, las condiciones de tensiones son desconocidas y están limitadas a considerar las tensiones de corte (τ xy ) y las tensiones normales (σ y ) en el plano horizontal. Se supone que la probeta se rompe cuando la resistencia al corte en este plano alcanza un valor máximo, independiente de que se haya producido una resistencia al corte mayor en otro plano.

9 Figura 3.8. Ensayo de corte simple(jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol. 1, 1975). Fuente: Espinace R., Figura 3.9. Deformación de corte simple. Ensayo de corte directo gigante. Los ensayos de laboratorio convencionales de corte directo, no han resuelto en forma satisfactoria las propiedades de resistencia al corte de materiales granulares gruesos y generalmente en la literatura especializada nos encontramos con situaciones propias de Europa y Estados Unidos, las que lógicamente son distintas a las de países con geomorfología asociada a tectonismo reciente, como es nuestro caso. En algunos laboratorios existe un aparato de corte gigante, donde las dimensiones de la caja de corte son de 60*60 cm. y 40 cm. de alto. Esta caja es capaz de recibir materiales de tamaño máximo de 2,5.

10 El funcionamiento de este equipo es similar al convencional, con la diferencia que las fuerzas, verticales y horizontales, son aplicadas mediante gatos mecánicos insertos en un marco metálico. Es necesario el empleo de estos gatos, para poder alcanzar las tensiones de corte y tensiones verticales superiores a 7 kgs/cm 2, para obtener la compacidad y el ángulo de fricción interna de los materiales ensayados. La fuerza vertical es aplicada sobre una placa metálica de sección cuadrada, que descansa sobre el material depositado en la caja. Una vez aplicada esta fuerza, se procede a cargar horizontalmente la caja inferior, la que puede deslizar sobre polines. La caja superior se mantiene fija y en ella se mide la fuerza de corte que se induce a la muestra de suelo en la superficie de falla, utilizando una celda de carga provista de un registro electrónico. Estos ensayos muestran dificultades en calcular los parámetros de resistencia al corte, debido principalmente a que el marco metálico es una estructura muy rígida ya que la fuerza es aplicada mediante un gato mecánico, lo que tiene como consecuencia la variación del esfuerzo normal durante el transcurso del ensayo. Como se sabe, en un ensayo de corte convencional el ángulo de fricción interna de un suelo granular se puede obtener como la arcotangente de la razón entre el valor máximo que alcanza el esfuerzo de corte y el esfuerzo normal, el que permanece constante durante el ensayo. En el ensayo de corte directo gigante, en principio, el parámetro se determina análogamente, pero el valor máximo que alcanza el esfuerzo de corte no necesariamente es el mayor esfuerzo de corte y la tensión normal no permanece constante durante el ensayo. Por este motivo se optó por calcular la máxima razón entre el esfuerzo de corte y el esfuerzo normal. Se ha podido comprobar en numerosos ensayos, que el equipo de corte gigante permite obtener resultados confiables en suelos granulares gruesos, quedando excluída la posibilidad de ensayar suelos cohesivos o de hacerlo en condiciones saturadas. Ensayo de corte in situ. Estos ensayos son análogos a los de corte directo en laboratorio y su aplicación hoy se extiende tanto a suelos como a rocas. Básicamente consisten en tallar bloques generalmente dentro de calicatas de reconocimiento, en su base o paredes, lo que induce el plano de falla del bloque (figura 3.10.). Este tipo de ensayos es de interés en todos aquellos casos en que la toma de muestras o el tallado de éstas sea difícil, como sucede en suelos con proporción importante de piedras, o en suelos residuales, en los que existen con frecuencia trozos de roca semi-descompuesta. El bloque se rodea con un marco metálico, el cual se une al bloque con mortero de cemento. El gato hidraúlico que aplicará la fuerza horizontal, por lo general, se ancla a las paredes del pozo con hormigón. La presión vertical también es aplicada con un gato hidráulico.

11 Figura Ensayo corte in situ. Fuente: Jiménez Salas J. y De Justo Alpañes J., Vol. 2, Se deben medir los movimientos de las cuatro esquinas de la cara superior del bloque en dirección vertical como horizontal. Las cargas generalmente se miden con un anillo dinamométrico o mediante células de presión y se aplican en forma similar al ensayo de corte directo convencional, es decir, primero la fuerza vertical de confinamiento y luego la fuerza horizontal, que provoca el esfuerzo cortante. Las dimensiones del bloque oscilan entre 40*40 cm. y 100*100 cm., aunque se han ensayado muestras de hasta 400*400 cm. Una variante del ensayo de corte típico, es el ensayo con saturación previa empleado usualmente en obras hidráulicas.para esto, se aplica agua a presión que disuelve el aire incluído en el bloque. En arcillas fisuradas se realiza ensayo de corte in situ sin drenaje con el objeto de ensayar bloques de tamaño adecuado, aplicando una carga normal a la muestra (aunque esté saturada) para cerrar las fisuras. En este tipo de suelos se ha visto que la resistencia en planos horizontales es menor a la obtenida en muestras de menor tamaño en laboratorio, siendo la diferencia de tamaño la causa principal, lo que se interpreta como que las muestras pequeñas vienen de trozos intactos no afectados por las fisuras, por lo tanto presentan una mayor resistencia.

12 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Tipo de ensayo : CD - CU - UU Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : CORTE DIRECTO Características de la muestra Diámetro ó lado ( cm ) : Altura ( cm ) : Area ( cm 2 ) : Volumen ( cm 3 ) : Humedad ( % ) : Peso ( grs ) : Densidad seca ( grs / cm 3 ) : Aplicaciones de carga Velocidad de carga de la máquina ( mm / min ) = Carga normal ( kgs ) = σ ( kgs / cm 2 ) = Peso de la semi-caja superior ( kgs ) = Lectura Deformímetro Vertical Deformación vertical Lectura deformímetro horizontal Deformación horizontal Area corregida Fuerza de corte ( Fv ) Resistencia al esfuerzo de corte ( τ )

13 Gráfico carga aplicada contra desplazamiento horizontal Carga ( Kg ) Gráfico esfuerzo cortante ( τ ) versus esfuerzo normal ( σ n ) Desplazamiento horizontal ( mm ) Esfuerzo corte ( τ ) Esfuerzo normal ( σ n ) Esfuerzo cortante ( τ ) = Esfuerzo normal ( σ n ) = Cohesión ( c ) = Angulo de fricción interna ( φ ) = Observaciones :

14