Ensayo de Corte Directo y Su Aplicacion

ENSAYO DE CORTE DIRECTO Y SU APLICACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO”

S DOCENTE

:  ING. ROBERTO CARLOS CASTILLO VELARDE

CURSO :  MECÁNICA DE SUELOS I

ALUMNO

:  VILLEGAS DELGADO, MANUEL

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2015 INGENIERÍA CIVIL

ENSAYO DE CORTE DIRECTO Y SU APLICACIÓN

INDICE I.

II.

III.

IV.

INTRODUCCION………………………………………………3 1.1.

Problema…….……………………………………........4

1.2.

Antecedentes………………………………………......4

OBJETIVOS………………………..…………………..…..…..4 2.1.

Generales………………………………………………4

2.2.

Específicos…………………………....…………..…...4

MARCO TEÓRICO…………………….....………………..….5 3.1.

Incidencia del suelo en la estructura…..…………….5

3.2.

Tensiones…………………………………………...….6

3.3.

Concepto de fricción………………………..…………6

3.4.

Concepto de cohesión……………………………......9

3.5.

Tensiones internas…………………………….……...10

NOCIONES BASICAS DEL ENSAYO……………….…......11 4.1. Nociones básicas de la máquina de corte……..…….11 4.2. Funcionamiento de la máquina de corte……..………11 4.3. Muestra del ensayo………………………………….…13 4.3.1. preparación de la muestra………………....…...14 4.4. Procedimiento experimental………………………...…16

V.

APLICACIONES DEL ENSAYO………………………....…..18 5.1. Proyecto “Edificio Abancay Junín”…………………......18 5.2. Datos generales de la obra………………………..…....18 5.3. Datos obtenidos……………………………………..……20 5.3. Resultados obtenidos………………………..……….….25

VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………...….26

VII.

BIBLIOGRAFÍA………………………………………..……..…27

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I.

INTRODUCCION Toda estructura se apoya sobre el suelo y transmite esfuerzos a este, generando 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 de 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 el 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. Dado que el suelo es muy importante en el aspecto constructivo, es que surge la necesidad de estudiar su comportamiento frente a los esfuerzos que se producen, para ello en este informe se estudiará el “ensayo de corte directo”, su importancia, su funcionamiento y su aplicación.

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1.1.

Problema

Existe una serie de parámetros referentes al terreno que son indispensables en cualquier construcción u obra de ingeniería civil. Muchos de estos parámetros se obtienen a partir de ensayos realizados en laboratorio. La finalidad del ensayo de corte directo, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatiga y/o deformaciones las que existen o existirán en el terreno producto de la aplicación de una carga. 1.2.

Antecedentes El ensayo de corte directo es el más antiguo de los ensayos de mecánica de suelos, y todavía hoy se continúa utilizando.

II.

Objetivos

2.1.

Generales

 Comprender el proceso del ensayo de corte directo para la obtención de los parámetros que nos permita obtener la capacidad portante.  Conocer los conceptos de esfuerzo cortante del suelo de fundación.  Conocer las importantes aplicaciones del ensayo de corte directo. 2.2.

Específicos

 Determinar el ángulo de fricción interna y la cohesión por medio del ensayo de corte directo.

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III.

MARCO TEÓRICO

3.1.

INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURA

Cuando sometemos una masa de suelo a un incremento de presiones producida por algún tipo de estructura u obra de ingeniería, se generan en el suelo en cuestión, esfuerzos que tratarán de mantener el equilibrio existente antes de aplicada la solicitación externa. Cuando la carga exterior aplicada tiene una magnitud tal que supera a la resultante de los

Figura1. Esquema de falla de una fundación directa

esfuerzos interiores de la masa de suelos, se

romperá el equilibrio existente y se producirá lo que denominaremos, de aquí en adelante, Planos de Falla o de deslizamiento que no son otra cosa que planos en los cuales una masa de suelo tuvo un movimiento relativo respecto de otra. Es decir, que en estos planos de falla, las tensiones internas originadas por una solicitación externa sobrepasaron los límites máximos de las tensiones que podría generar el suelo en las condiciones en que se encuentra. En la fotografía que se adjunta en la figura 2, podemos observar la forma de la rotura

Figura2. Falla de una base apoyada sobre un manto de arena

de una base en arena, se aprecia en ella que no difiere del esquema representado en la figura 1.

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3.2.

TENSIONES

En todos los casos las solicitaciones internas que se pueden generar son tres: Tensiones normales (σ) Tensiones tangenciales (𝜏) Tensiones neutras (u) Las primeras pueden ser de compresión o de tracción y actúan siempre en forma normal al plano que estamos considerando. Las segundas son las tensiones de corte y se ubican siempre en forma paralela y coinciden con el plano considerado. La tercera en cambio se debe al incremento o decremento de presión que se produce en el agua de los poros del suelo, cuando el plano que consideramos se encuentra sumergido y como es una presión hidrostática actúa en todas direcciones. También es útil que recordemos en este párrafo la diferencia existente entre las tensiones normales y las tensiones principales, como sabemos, las dos actúan en forma normal al plano considerado, con la diferencia que las Tensiones Principales son tensiones normales a planos en los cuales las tensiones tangenciales son nulas.

3.3.

CONCEPTO DE FRICCION

Volviendo ahora a nuestro ejemplo anterior de la Fig. 1 y 2, si observamos con mayor detalle una porción de lo que denominamos Plano de Falla veremos que el mismo no atraviesa los granos del mineral que conforman la masa de suelos (Fig. 3a) sino

Figura3. Fricción intergranular

que el deslizamiento que se produce ocurre entre grano y grano (Fig. 3b) lo que equivale a decir que la resistencia que ofrece

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una masa de suelo frente al deslizamiento de la otra, tiene que ver con las fuerzas friccionales que se desarrollan entre los granos que la componen. Se entiende también, en este aspecto que cuanto más granos entren en contacto entre sí por unidad de superficie, mayor será el esfuerzo necesario para que ocurra el deslizamiento (Interviene acá la compacidad del suelo, o la relación de vacíos del mismo). En este mismo sentido, se deduce fácilmente que cuanto más angulosos y trabados se encuentren los granos y cuanto mayor sea el coeficiente friccional del material que lo compone, mayores serán las fuerzas friccionales que desarrollará (comparemos por ejemplo las arenas con las arcillas). Para interpretar mejor el fenómeno analicemos el plano OA que se muestra en la Fig. 4 el cual se encuentra articulado en “O” de tal forma que el ángulo a pueda variarse a voluntad. Si sobre este plano apoyamos un cuerpo de peso “W” y cuya área de contacto con el plano sea el área “A”, para un valor cualquiera del ángulo “α” tendremos una fuerza F = W senα, que tratará de deslizar el cuerpo sobre el plano. A esta fuerza “F” se le opondrá otra igual y de sentido contrario “fn”, que dependerá de las características friccionales de los materiales. Si aumentamos paulatinamente el ángulo α, llegará un momento en que F = fn en este momento diremos que el deslizamiento es inminente ya que se ha alcanzado el valor máximo de la fuerza de fricción, a este ángulo α = ϕ lo denominamos ángulo de fricción del material y lo representaremos con la letra ϕ.

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Figura4. Plano inclinado

Este simple ejemplo, conocido como el “plano inclinado”, nos permite obtener las siguientes conclusiones: a) La magnitud de la fuerza de fricción disponible es directamente proporcional a la fuerza normal al plano de deslizamiento y al ángulo de fricción del material ϕ. Si uno de estos dos valores es nulo, no hay fuerza de fricción. b) Si la magnitud de la fuerza que intenta producir el desplazamiento es menor que N.tgϕ, solo se pone de manifiesto una parte de la fuerza friccional fn disponible y por lo tanto no hay deslizamiento. c) El ángulo de fricción del material f es el valor límite del ángulo de oblicuidad α. Estas conclusiones pueden extrapolarse a otras situaciones. Supongamos el caso de una arena limpia y seca, o sea en la que no exista ninguna fuerza de unión entre sus granos (no hay cohesión). El máximo ángulo con el que se podrá construir un talud con dicha arena tendrá un ángulo ϕ con respecto a la horizontal ya que a un grano de arena apoyado sobre este talud se le podría aplicar el mismo esquema de la Fig. 4. A este ángulo se lo denomina en Mecánica de los Suelos ángulo de fricción interna del material.

En arenas y otros materiales sin cohesión, la resistencia al deslizamiento sobre cualquier plano a través del material se basan en las consideraciones anteriormente expuestas, es decir, que depende de la presión normal al plano y del ángulo de fricción interna.

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Sin embargo la resistencia friccional en arenas es algo más compleja que lo que hemos visto en cuerpos sólidos; ya que es la suma de una resistencia friccional entre sus granos y de otra fricción debida al rodamiento de los mismos. En las arenas limpias donde no hay adhesión u otra forma de unión entre sus granos, el término de fricción es sinónimo de resistencia al corte, ya que como habíamos visto en la en la Fig. 4 teníamos que: 𝒇𝒏 = 𝑵𝒕𝒂𝒏𝝓 Si dividimos por el área A de contacto tendremos: 𝒇𝒏 𝑨

𝑵

= 𝑨 𝒕𝒂𝒏𝝓

𝝉 = 𝝈𝒏 ∗ 𝒕𝒂𝒏𝝓 ……(1)

Debemos tener en cuenta sin embargo que en los casos en que la masa de suelo esté saturada, las tensiones internas que se originarán por la aplicación de esfuerzos externos, serán una combinación de tensiones intergranulares efectivas y de presiones neutras o de agua de poros. Por lo tanto, en estos casos, deberá tenerse presente que la fórmula anterior es válida, o está deducida para el caso de esfuerzos efectivos, por lo que la fórmula anterior quedará reducida a la siguiente expresión:

𝝉 = 𝝈′ ∗ 𝒕𝒂𝒏𝝓……(2)

Donde como sabemos σ´ = (σ – u) es la tensión efectiva. Esta ecuación, así como está, no es aplicable a cualquier caso o tipo de suelos ya que está deducida para el caso de arenas limpias sin ningún tipo de adhesión entre sus granos.

3.4.

CONCEPTO DE COHESION

Se define como la atracción relativa entre partículas similares la que da tenacidad y dureza a un suelo haciéndolo resistente a su separación. Las partículas minerales con carga de distinto signo, se atraen entre sí con tenacidad proporcional a dichas cargas a sus masas. Esta propiedad física de atracción, es de importancia en la dinámica del suelo por que origina la

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tenacidad como forma de resistencia a la separación de sus elementos o a la penetración de las herramientas de corte. La capacidad de resistencia del suelo al corte, se modifica según sus características, el grado de humedad y la consolidación. Fundamentalmente el contenido de humedad hace que el suelo pase por diferentes estados: duro o consolidado, friable o desmenuzable, plástico y líquido. Las zonas de separación corresponden a los límites

Figura5. Capilaridad entre dos granos de arena

de retracción que se usan para valorar el comportamiento del suelo. Utilizando estos límites y estudiando la variación de la cohesión de las partículas de suelo, a medida que aumenta el contenido de humedad puede cuantificarse el estado óptimo para realizar una labor. De esta forma la ecuación (2) toma la siguiente forma general conocida como Ecuación de Coulomb:

𝝉 = 𝒄 + 𝝈′ ∗ 𝒕𝒂𝒏𝝓….(3)

3.5.

TENSIONES INTERNAS

Dado que el deslizamiento que se produce en la rotura de una masa de suelos, no está restringido a un plano específicamente determinado, debemos conocer las relaciones que existen entre las distintas tensiones actuantes sobre los diferentes planos que pasan por un punto dado. Sobre todo plano que pasa a través de una masa de suelos actúan, en general, tensiones normales () y tensiones de corte (). Las primeras corresponden a la componente de la resultante de las fuerzas actuantes normal al plano considerado, por unidad de área del plano. Las segundas son la componente tangencial al plano, por unidad de área del mismo plano.

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Se denomina plano principal a aquellos sobre los cuales solo actúan tensiones normales, es decir donde las tensiones de corte son nulas; las tensiones normales que actúan sobre los planos principales se denominan tensiones principales. Para que en un plano actúen únicamente tensiones normales y sean nulas las tensiones de corte, evidentemente debe ser nulo el ángulo de oblicuidad a de la figura 4.

IV.

NOCIONES BÁSICAS DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO

4.1.

Funcionamiento de la máquina de corte

Dicho aparato se esquematiza en la Fig.6. Básicamente este consta de dos marcos que contiene a la muestra. El marco inferior es fijo, mientras que el superior puede desplazarse en forma horizontal. Las muestras a ensayar en este aparato de corte son de forma prismática.

Figura6. Mecanismo del ensayo de corte

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Una vez que hemos recortado la muestra se la coloca dentro de la cavidad que forma los dos marcos, de tal manera que la mitad de su altura h quede comprendida en cada uno de ellos. En la parte superior e inferior de la misma se coloca un colchón de arena para permitir el drenaje y para permitir un mejor asiento de la probeta, que como dijimos se recorta lo mejor posible de una “Dama” de suelo inalterado, y que en los casos de suelos cohesivos, no siempre se puede lograr una superficie perfectamente lisa. Posteriormente sometemos a la probeta, a través de una placa de distribución de tensiones que se coloca en la parte superior de la misma, a la acción de una carga vertical “P1” que desarrolla una tensión normal n1.

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4.2.

Equipos y materiales

Fig. 7: Equipo de corte

Fig. 10: Cuchillo

Fig. 13: Cronómetro

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Fig.8: Caja de corte

Fig.9: Espátula

Fig. 11: Martillo de goma

Fig.12: Deformímetro

Fig.14: Tornillos

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4.3.

Muestra del ensayo

 Si se usa una muestra inalterada, debe ser lo suficientemente grande para proveer un mínimo de tres muestras idénticas.  El diámetro mínimo para muestras circulares o el ancho mínimo para muestras cuadradas debe ser alrededor de 50mm o 10 veces mayor que el diámetro del tamaño máximo de las partículas, cualquiera que sea la mayor.  El espesor mínimo de la muestra de ensayo debe ser alrededor de 25mm.  La relación mínima diámetro/espesor, ancho/espesor según la muestra debe ser de 2:1.

4.3.1. PREPARACION DE LA MUESTRA

1. Se utiliza muestras obtenidas de bloques inalterados o mediante tubos muestreadores.

2. Insertar el anillo cortante en el bloque de la muestra inalterada, y luego cortar tres muestras.

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3. Enrasar las superficies planas de las muestras con un cuchillo y llenar los vacíos con el material recortado.

4. Extraer la muestra del anillo cortante y determine la altura inicial y el diámetro.

5. Pesar la masa inicial de cada una de las muestras y determinar el contenido de humedad inicial.

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4.4.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL SEGÚN NORMA ASTM D 3080

1. Ensamble la caja de corte colocando las piedras porosas, el papel de filtro.

2. Asegure la caja de corte con los tornillos de alineación, centre la placa de transferencia de carga y coloque la caja en el dispositivo de corte.

3. Conecte y ajuste el sistema de corte, coloque los LVDT horizontal y vertical, llenando la con agua la caja de corte.

4. Calcule las cargas normales para obtener los esfuerzos normales deseados.

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5. Aplique la carga normal, agregando masa al brazo de palanca (0.5, 1, 2, kg/cm2). Luego registre las lecturas verticales en función del tiempo transcurrido.

6. Graficar la curva deformación vertical vs logaritmo del tiempo.

7. Quitar los tornillos y levantar el anillo 0.64m, luego determinar el tiempo total para que se produzca la falla medieande la siguiente ecuacion: t f = 50t50 donde: tf es el tiempo total estimadado para alcanzar la falla min. 10min para arenas densas y limpias.

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V.

APLICACIONES DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO

5.1.

PROYECTO “EDIFICIO ABANCAY JUNIN”

5.1.1. Datos generales de la obra En el proyecto “Edificio Abancay Junín” todos los trabajos de campo fueron realizados por el personal técnico y se programaron de tal manera que toda el área e investigación fuera cubierta. Así, se excavaron tres calicatas a cielo abierto, la cual se profundizó hasta un máximo de 10m. Estos sondajes se ubicaron de tal forma que permitan establecer una información estratigráfica adecuada para adoptar los criterios de cimentación para la estructura. Se tomaron muestras disturbadas a lo largo de las excavaciones, en cantidades suficiente para su análisis. Previamente se identificaron los suelos, mediante procedimientos manuales de campo, tales como la dilatancia (reacción de agitamiento), la resistencia en estado seco (características de rompimiento). Luego se extrajeron muestras representativas para los ensayos especiales de Corte Directo y otros ensayos de laboratorio. No se encontraron presencia de napa freática.

5.1.2. Ubicación del Área de Estudio El área de estudio se encuentra ubicada en la Av. Abancay con Jr. Junín, Distrito Cercado de Lima – Departamento de Lima.

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Ubicación del área de estudio

5.1.3. Acceso al Área de Estudio El área de estudio está situada en el área urbana del Distrito de Lima. El acceso es a través de autos o taxis.

5.1.4. Problema Como determinar el ángulo de fricción interna del suelo, la cohesión y el esfuerzo cortante del suelo.

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5.2.

Datos obtenidos

-

Muestra N°1

Datos de la muestra Lado (cm)

6

Altura (cm)

2

Área (cm2)

36

Volumen (cm3)

72

Velocidad de carga (mm/min)

0.5

Tabla de deformaciones Tiempo Desplaz. (min) 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000

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Area corr.

Horiz.(cm) (cm2) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200

36.000 35.850 35.700 35.550 35.400 35.250 35.100 34.950 34.800

Fuerz.

Esf. Corte

Corte (kg)

(kg/cm2)

0.000 8.704 13.391 26.805 45.307 62.939 77.670 85.214 71.197

0.000 0.274 0.412 0.503 0.599 0.612 0.605 0.545 0.499

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ESFUERZO DE CORTE VS DESPLAZAMIENTO ESFUERZO CORTANTE

0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

DESPLAZAMIENTO

Del gráfico podemos obtener 𝜏 = 0.612

-

Muestra N° 2 Datos de la muestra Lado (cm)

6

Altura (cm)

2

Área (cm2)

36

Volumen (cm3)

72

Velocidad de carga (mm/min)

0.5

Tabla de deformaciones Tiempo

Desplaz.

Area corr.

Fuerz.

Esf. Corte

(min)

Horiz.(cm)

(cm2)

Corte (kg)

(kg/cm2)

0

0

36

0

0

0.5

0.025

35.85

14.284

0.067

1

0.05

35.7

22.319

0.097

1.5

0.075

35.55

31.916

0.114

2

0.1

35.4

43.299

0.135

2.5

0.125

35.25

53.565

0.165

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0.15

35.1

62.716

0.189

3.5

0.175

34.95

70.528

0.231

4

0.2

34.8

77.224

0.278

4.5

0.225

34.65

82.134

0.289

5

0.25

34.5

83.919

0.321

5.5

0.275

34.35

72.313

0.325

6

0.3

34.2

52.896

0.316

ESFUERZO DE CORTE VS DEFORMACION 0.35

EFUERZO DE CRTE

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

DEFORMACION

Del gráfico podemos obtener 𝜏 = 0.325

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-

Muestra N°3 Datos de la muestra Lado (cm)

6

Altura (cm)

2

Área (cm2)

36

Volumen (cm3)

72

Velocidad de carga (mm/min)

0.5

Tabla de deformaciones Tiempo

Desplaz.

Area corr.

Fuerz.

Esf. Corte

(min)

Horiz.(cm)

(cm2)

Corte (kg)

(kg/cm2)

0.000

0.000

36.000

0.000

0.000

0.500

0.025

35.850

11.159

0.124

1.000

0.050

35.700

22.096

0.170

1.500 2.000

0.075 0.100

35.550 35.400

24.551 34.996

0.176 0.211

2.500

0.125

35.250

46.423

0.267

3.000

0.150

35.100

57.360

0.273

3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 8.000

0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 0.400

34.950 34.800 34.650 34.500 34.350 34.200 34.050 33.900 33.750 33.600

68.296 80.795 94.632 111.148 126.995 141.502 156.233 169.624 178.552 181.364

0.310 0.402 0.499 0.595 0.687 0.721 0.785 0.879 0.956 0.951

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ESFUERZO DE CORTE VS DEFORMACION 1.200

ESFUERZO

1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

DEFORMACION

Del gráfico podemos obtener 𝜏 = 0.956

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5.3.

RESULTADOS OBTENIDOS Muestra

Esfuerzo de

Esfuerzo

corte

normal

máximo N°1

0.325

0.5

N°2

0.612

1.0

N°3

0.956

1.5

ESFUERZO CRTANTE MAXIMO VS ESFUERZO NORMAL ESFUERZO CORTANTE τ (kg/cm2)

1.2 1 0.8 0.6

y = 0.631x

0.4 0.2

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

ESFUERZO NORMAL σ(kg(cm2)

Calculamos el ángulo de fricción interna: 𝝉 = 𝟎. 𝟔𝟑𝟏𝝈 Entonces el ángulo de fricción interna será: 𝛟 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏 (𝟎. 𝟔𝟑𝟏) = 𝟑𝟐. 𝟐𝟓° De la ecuación de esfuerzo cortante se tiene que la cohesión (c) es cero

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VI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

-

Conclusiones:

 El ensayo de corte directo es relativamente fácil de llevar a cabo y muy importante para determinar el esfuerzo cortante.  En el ensayo de corte del proyecto “Edificio Abancay Junín” se obtuvo un ángulo de fricción interna (ϕ) de 32.25° y una cohesión (c) de cero esto quiere decir que el suelo se puede clasificar como grava limosa, un suelo apto para cimentar.  Es de suma importancia conocer el esfuerzo cortante de un suelo ya que en base a esto se va a determinar la capacidad portante del mismo y de esta manera prevenir deslizamientos, pérdidas humanas y pérdidas económicas. -

Recomendaciones

 Se recomienda que antes de iniciar una obra de construcción civil se debe realizar los ensayos correspondientes talos como ensayos de corte para determinar los esfuerzos cortantes de ese suelo.  Tener cuidado en leer las deformaciones, cálculo de áreas, en el momento de pesar los especímenes, etc. De lo contrario se va a presentar errores en los cálculos.

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VII.

BIBLIOGRAFIA  https://prezi.com/ypcblund2p8y/resistencia-a-esfuerzo-cortante/  http://repositorio.sibdi.ucr.ac.cr:8080/jspui/bitstream/123456789/939/1/278 47.pdf  http://es.slideshare.net/GisselaCosioOrmachea/corte-directo?related=2  http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/2094/1/digital _23485.pdf  http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/espinosa_b_r/capitul o2.pdf

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