UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Civil LABORATORIO GEOTÉCNICO - CISMID DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO DE CORTE DIRECTO PARA SUELOS GRAVOSOS EN EL LABORATORIO Ing. Daniel Basurto Y MITIGACIÓN DE DESASTRES CISMID
INTRODUCCIÓN El ensayo de corte directo es comúnmente usado en nuestro medio por los diferentes laboratorios geotécnicos, para determinar la resistencia cortante de los suelos. Estos ensayos son ejecutados siguiendo los procedimientos descritos en la Norma ASTM D 3080. Pero, que sucede si al analizar la zona de emplazamiento de una cimentación o al realizar el estudio de estabilidad de un talud, encontramos terrenos aluvionales y fluviales constituidos por materiales gruesos como bolones y gravas inmersos en una matriz mas fina que puede estar constituida por arenas, limos y arcillas, como parte de su granulometría representativa?. Generalmente en estos casos particulares se utilizan valores asumidos o inferidos de los parámetros c y Φ que se referencian en los diversos textos o artículos técnicos.
OBJETIVO DE LA INVETIGACIÓN Diseño, construcción e implementación del equipo de corte de a gran escala de 0.60x0.60x0.60m, para la cuantificación de los parámetros de resistencia cortante de los suelos gravosos. Formular especificaciones generales que se deben tener en cuenta para realizar el ensayo de Corte Directo a Gran Escala.
MARCO TEÓRICO El criterio de rotura en suelos más difundido deriva del propuesto por Coulomb, que relacionas tensiones efectivas normales y tensiones tangenciales actuando en cualquier plano del suelo. Este criterio establece que, para un suelo saturado, la resistencia al corte viene dada por la expresión: = c + ( n -u)tanø Donde: = Resistencia al corte del terreno a favor de un determinado plano. n = Tensión total normal actuando sobre el mismo plano. c = Cohesión efectiva. u = Presión intersticial. ø = Ángulo de rozamiento interno efectivo.
ESQUEMA TÍPICO DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN ARENAS N Esfuerzo Cortante. = c +.tan 4 R 3 T 2 T 1 1 2 3 4 Esfuerzo Normal a b a) Esquema del equipo de ensayo b) Gráfico para obtener el ángulo de fricción.
LABORATORIO GEOTÉCNICO
ENSAYO DE CORTE IN-SITU
ENSAYO DE CORTE IN-SITU
PROGRAMA EXPERIMENTAL PRIMERA ETAPA Implementación del pozo de Ensayo. Diseño y Construcción de la Caja de Corte. Calibración de los Instrumentos a Utilizar. SEGUNDA ETAPA Evaluar el efecto de la escala, utilizando como material de ensayo suelos granulares gruesos o gravosos de cantos redondeados. TERCERA ETAPA Realización de ensayo de Corte Directo en Suelos Gravosos. Evaluación de las Principales Variables Influyentes en la Resistencia al Corte de los Suelos Gravosos. Establecer Especificaciones Generales para Futuros Ensayos.
ESQUEMA DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO PARA SUELOS GRAVOSOS Viga de Reacción Celda de Carga Gata Hidraúlica para Carga Axial Equipo de Extensión Adquisidor Automático de Datos Celda de Carga Deformímetros Caja Metálica del Equipo de Corte Extensión de Apoyo (Reacción) Gata Hidraúlica para Fuerza Tangencial Soporte (Mesa Metálica) FIGURA 1: ESQUEMA DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO A GRAN ESCALA
ESQUEMA DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO PARA SUELOS GRAVOSOS
ESQUEMA DE CAJA DE CORTE ESQUEMA DE LA CAJA DE CORTE Plancha de presión. Plancha de Transmisión axial. Aplicación de la carga de corte. Carga vertical. Dial para medir desplazamiento vertical. Rodillo intermedio de presión. Dial para medir desplazamiento de corte. Tornillo para fijar caja metálica. Reacción. Muestra.
IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTACIÓN DE LA ESTACIÓN EXPERIMENTAL (Patio del Laboratorio Geotécnico CISMID)
IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTACIÓN DE LA ESTACIÓN EXPERIMENTAL
IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTACIÓN EXPERIMENTAL
CONSTRUCCIÓN DE CAJA DE CORTE Y SOPORTE
TRASLADO DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE
INSTALACIÓN DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE CAJA DE CORTE TECLE (CAP. = 1 TON) MESA METÁLICA (SOPORTE)
INSTALACIÓN DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE CAJA INFERIOR (70X60X30 cm) CAJA SUPERIOR (60X60X30 cm) DISPOSITIVOS DE RODAMIENTO (diam.= 5mm )
INSTALACIÓN DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE DESFASE (10 cm) SOPORTE DE REACCIÓN
INSTALACIÓN DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE RODILLOS (Diam. 11/2 ) PLANCHA METÁLICA SUP. PLANCHA METALICA INF.
INSTALACIÓN DE LA CAJA DE CORTE Y SOPORTE
EQUIPOS Y DISPOSITIVOS 02 CELDAS DE CARGA Type CLU-50A Marca Tokyo Sokki Kenkuyo Co., Ltd Capacidad 50 tn Sensitivity ± 2,0 mv/v 01 ADQUISIDOR DE DATOS (Data Logger TDS 301) Marca Tokyo Sokki Kenkuyo Co., Ltd Sensitivity ± 0.05% of readings 06 DEFORMÍMETROS Marca Tokyo Sokki Kenkuyo Co., Ltd Carrera Máxima 50 mm Sensibilidad ± 0.01 mm 02 GATAS HIDRAÚLICAS CON SUS RESPECTIVAS MANGUERAS E INYECTORES DE PRESIÓN. Marca Riken Power Capacidad 35 ton 01 BALANZA MECÁNICA Capacidad 160 kg Sensibilidad ± 200 gr
EQUIPOS Y DISPOSITIVOS VIGA DE REACCIÓN ADQUISIDOR DE DATOS BALANZA MECÁNICA CAJA DE CORTE
EQUIPOS Y DISPOSITIVOS ADQUISIDOR DE DATOS DEFORMÍMETROS CELDA DE CARGA INYECTOR DE PRESIÓN GATA HIDRAÚLICA
CALIBRACIÓN CELDA DE CARGA BALANZA MECÁNICA PESAS PATRON
CARGA (Kg) CALIBRACIÓN CELDA DE CARGA BH -9054 CALIBRACIÓN DE CELDA DE CARGA BH - 9054 6000.00 5000.00 Carga (Kg) = 1253.2* Lect. Celda - 6.335 R 2 = 1 4000.00 3000.00 2000.00 BH-9054 Lineal (BH-9054) 1000.00 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 LECTURA DE CELDA DE CARGA (m)
CARGA (Kg) CALIBRACIÓN CELDA DE CARGA BH -9055 CALIBRACIÓN DE CELDA DE CARGA BH-9055 6000.00 5000.00 Carga (Kg) = 1234.2*Lect. Celda - 2.6693 R 2 = 1 4000.00 3000.00 2000.00 BH-9055 Lineal (BH-9055) 1000.00 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 LECTURA DE CELDA DE CARGA (m)
CALIBRACIÓN DE LA CAJA DE CORTE
Esfuerzo Horizontal (Kg/cm 2 ) CALIBRACIÓN CAJA DE CORTE CALIBRACIÓN CAJA DE CORTE 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 BH - 9055 0.03 0.02 0.01 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 DEFORMACIÓN HORIZONTAL (%)
MATERIAL GRAVOSO
REMOLDEO DEL MATERIAL
REMOLDEO DE MATERIAL PISON (25 kg.)
REMOLDEO DE MATERIAL
COLOCACIÓN DE CAPA DE ARENA (Espersor = 1 cm)
INSTALACIÓN DEL RODILLO Y PLANCHAS DE ACERO
INSTALACIÓN DE CARGAS VERTICAL
INSTALACIÓN DE LA CARGA VERTICAL VIGA DE REACCIÓN CELDA DE CARGA GATO HIDRAÚLICO SOPORTE DE EXTENSIÓN
INSTALACIÓN DE LA CARGA HORIZONTAL DISCOS DE ACERO GATA HIDRAÚLICO CELDA DE CARGA
INSTALACIÓN DE DEFORMÍMETROS DEFORMÍMETROS
ENSAYO DE CORTE DIRECTO A GRAN ESCALA
ENSAYO DE CORTE DIRECTO A GRAN ESCALA ADQUISIDOR DE DATOS
RESULTADOS
GRAVAS DE LIMA Material : GP Diámetro Máximo: 4 Densidad de Remoldeo: 2.15 tn/m 3 Humedad: 0.4 %
Esfuerzos de Corte - (kg/cm 2 ) GRAVAS DE LIMA M - 1a 2.5 2.0 0.50 kg/cm2 1.00 kg/cm2 2.00 kg/cm2 1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 Deformación Horizontal (%)
Esfuerzo de Corte - (kg/cm 2 ) GRAVAS DE LIMA M - 1a 2.00 1.50 RESULTADOS Esf. Máximos = 41.9 º c = 0.34 kg/cm 2 Esf. Residuales = 39.5 º c = 0.10 kg/cm 2 1.00 0.50 Esfuerzos Máximos Esfuerzos Residuales 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Esfuerzo Normal - N (kg/cm 2 )
Esfuerzo de corte (kg/cm²) GRAVAS DE LIMA CORTE DIRECTO "IN SITU" 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1.50 kg/cm². 0.50 kg/cm². 1.00 kg/cm². 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Deformación horizontal (%)
CUADRO COMPARATIVO MUESTRA CLASIFICACIÓN w (%) DENSIDAD n máx. c Ф SUCS SECA (gr/cm 3 ) (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) ( ) 0,50 0,8 Laboratorio GP 0,00 2,15 1,00 1,24 0,34 41,9 2,00 2,15 0,50 1,18 Laboratorio GP 0,00 2,20 1,00 1,58 0,63 43,5 2,00 2,5 0,50 0,75 In situ GP - - 1,00 1,32 0,27 43,5 1,50 1,52
CANTERA - ENROCADO Material: GW GM Diámetro Máximo: 4 Densidad Seca de Remoldeo: 1.97 tn/m 3 Humedad: 2.5%
ESFUERZO DEFORMACIÓN
ENVOLVENTE DE RESISTENCIA
DESMONTE DE MINA Material: GC Diámetro Máximo: 4 Densidad Seca de Remoldeo: 2.3 tn/m 3 Humedad: 5.4%
ESFUERZO DEFORMACIÓN
ENVOLVENTE DE RESISTENCIA
RESULTADOS OBTENIDOS MUESTRA CLASIFICACIÓN w (%) DENSIDAD n máx. c Ф SUCS SECA (gr/cm 3 ) (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) ( ) 0.50 0.8 M-1a GP 0.00 2.15 1.00 1.24 0.34 41.9 2.00 2.15 0.50 1.18 M-1b GP 0.00 2.20 1.00 1.58 0.63 43.5 2.00 2.5 0.50 0.87 M-2 GW - GM 2.50 1.97 1.00 1.43 0.27 50.0 2.00 2.68 0.50 0.89 M-3 GC 5.40 2.30 1.00 1.15 0.30 42.0 2.00 2.08 0.50 0.56 M-4 GP-GM 1.60 1.98 1.00 1.1 0.13 43.0 2.00 1.98
VALORES TÍPICOS Ängulo de rozamiento interno en función Tipo de Suelo de la densidad inicial (*) Suelto Medianamente denso Denso Limo no plástico 26 a 30 28 a 32 30 a 34 Arena uniforme fina a media 26 a 30 30 a 34 32 a 36 Arena bien gradada 30 a 34 34 a 40 38 a 46 Mezclas de arena y grava 32 a 36 36 a 42 40 a 48 (*) Hough (1957) sugiere emplear los valores mas bajos de cada rango para los suelos redondeados o para aquellos que poseen partículas débiles (micas, esquistos), los más elevados para suelos con partículas angulosas y resistentes
CONCLUSIONES El equipo de Corte Directo a Gran Escala construido en esta investigación permite ensayar materiales de hasta 10 cm. de diámetro. Se pueden realizar ensayos con materiales en distintos estados de compactación, desde lo mas suelto hasta las compactas. El cálculo de los parámetros de resistencia cortante del material gravoso mediante el ensayo de Corte Directo Gran Escala, evitará estar analizando solamente la matriz del material y extrapolando los parámetros obtenidos con los equipos convencionales. Japan- Perú Center for Earthquake Engineering Research and Disaster Mitigation -CISMID