Lab Suelos II - Informe 3.Doc GARCIA

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA:

INGENIERÍA CIVIL ALUMNO:

GARCIA QUISPE, DAVID ALEXANDER CURSO:

MECÁNICA DE SUELOS II PROFESOR:

DONAYRE CORDOVA, OSCAR TEMA:

CORTE DIRECTO GRUPO:

3 -2 HORARIO:

MARTES (9:40 – 12:10 PM)

2013 - I

Introducción

La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: la cohesión, aportada por la fracción fina del suelo y responsable a su vez del comportamiento plástico de este, y el rozamiento interno entre las partículas granulares. Para encontrar esos parámetros se realizan varios tipos de ensayos como: Compresión Triaxial, C ompresión Simple o corte Directo. Durante muchos años, la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamente la única usada para la determinación de la resistencia de los suelos: hoy, aún cuando conserva interés práctico debido a su simplicidad, o como lo dijo Braja M. Das “la prueba más antigua y simple” (“Fundamentos de Ingeniería Geotécnica” – pág. 212). Pero a pesar de ello ha sido

sustituida en buena parte por las pruebas de compresión Triaxial. Como se ha dicho, el procedimiento del ensayo del corte directo es muy sencillo. Consiste en poner una muestra de suelo dentro de una caja de metal dividida en dos piezas: la mitad superior y la mitad inferior. Simultáneamente la muestra es sometida a una carga normal constante y a un esfuerzo lateral que se va incrementando de forma progresiva, haciendo que la muestra cambie de altura (y por lo tanto el cambio de volumen). Se repite el ensayo un mínimo de dos veces con diferentes cargas normales, de forma que proyectando los diferentes valores en una gráfica esfuerzo normal respecto resistencia al corte podremos encontrar la envolvente de Mohr de l material y también: cohesión y ángulo de rozamiento interno. Es importante saber de estos 2 parámetros, por que con ello se podrá saber que esfuerzo cortante se generara si se llega aplicar un esfuerzo normal específico o viceversa. También se podrá saber  cuales son los parámetros residuales de dicho suelo. Con esos datos se determinará si la falla cortante ha ocurrido en dicho suelo o no.

OBJETIVO

El ensayo de corte tiene como objetivo determinar experimentalmente los parámetros de resistencia al esfuerzo cortante, en su condición m áxima y residual en un espécimen representativo de suelo, sometido al corte directo bajo condiciones de consolidación y drenaje, o sea encontrar la cohesión © y el ángulo de fricción (Φ) máximo y residual del corte directo.

NORMA

NTP 339.171-2002 / ASTM D3080-1998

FUNDAMENTO TEORICO Generalidades: 

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Cuando una estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo de fundación. Estos esfuerzos producen deformaciones en el suelo que pueden ocurrir 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. 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, en los niveles de esfuerzo que ocurren en la práctica. El segundo caso corresponde al fenómeno de la consolidación. El tercer  caso, corresponde a las fallas del tipo catastróficos y para evitarla se debe hacer un análisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la resistencia al corte de suelo. El análisis debe asegurar, que los esfuerzos de corte solicitantes son m enores que la resistencia al corte, con un margen adecuado de modo que la obra siendo segura, sea económicamente factible de llevar a cabo. Vemos que es absolutamente imposible independizar el comportamiento de la estructura y el del suelo. Por tanto 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 este concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, con esperanza de éxito cualquier aplicación de la Mecánica de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras civiles. Corte Directo:

El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano de movimiento.

Principio del ensayo de corte directo:

Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pu eden dividirse en cuatro categorías: 

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Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es prácticamente independiente del tiempo. Resistencia al corte drenado para suelos cohesivos, en que el desplazamiento debe ser  muy lento para permitir el drenaje durante el ensayo. Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes. Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en el que el corte es aplicado en forma rápida.

Clasificación de ensayos de corte directo: Ensayos no consolidados  – no drenados

El corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (vertical). Si el suelo es cohesivo, y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial no consolidado – drenado. Ensayo consolidado  – no drenado

Se aplica la fuerza normal, se observa el movimiento vertical de deformimetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante. Este ensayo puede situarse entre los ensayos triaxiales consolidado – no drenado y consolidado – drenado. Ensayo consolidado  – drenado

La fuerza norma se aplica, y se demora la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el asentamiento; se aplica a continuación la fuerza cortante tan lento como sea p osible para evitar  el desarrollo de presiones de poros en la muestra. 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 suelos están marcadamente influidos por el método de ensayo y por  el grado de saturación, y por el hecho de que el material esté normalmente consolidado o sobre consolidado. Generalmente, se obtienen para suelos sobre consoli dados dos conjuntos de parámetros de resistencia: un conjunto para ensayos hechos con cargas inferiores a la presión de pre consolidación y un segundo juegos para cargas normales mayores que la presión de pre consolidación. Donde se sospeche la presencia de esfuerzo de pre consolidación en un suelo cohesivo sería aconsejable hacer seis o m ás ensayos para garantizar la obtención de los parámetros adecuados de resistencia al corte.

El plano de falla se conoce de antemano. No se pueden conocer los esfuerzos normales en un plano diferente al de falla, se pueden hallar dos esfuerzos normales en el momento de la falla usado en el círculo de Mohr.

El ensayo se puede realizar de dos formas: Esfuerzo controlado y Deformación controlada. Esfuerzo controlado: Se manejan valores fijos de fuerza tangencial, de modo que el esfuerzo

aplicado tiene en cada momento un val or prefijado, variando P/A.

Deformación controlada: La máquina actúa con velocidad de deformación constante y la fuerza

aplicada se lee en el equipo. Ésta es la forma más usada. Aunque la prueba sólo permite conocer  los esfuerzos actuantes en otra dirección teniendo en cuenta que en ese instante el círculo de falla es tangente a la línea de falla. (Procedimiento del Polo).

El uso de esta prueba debe restringirse a suelos de falla plástica y no debe hacerse en aquellos de falla frágil. El motivo es que la curva de esfuerzo – deformación queda desplazada hacia valores menores.

Ventajas del ensayo de corte directo 

El ensayo es relativamente rápido y fácil de llevar a cabo.

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El principio básico es fácilmente compresible.

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La preparación de la muestra no es complicada.

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El principio puede aplicarse a suelos granulares y otros materiales que contienen grandes partículas que serían muy caras de ensayar por otros medios. Puede medirse el ángulo de fricción entre el suelo y roca, o entresuelo y otros materiales. El ensayo Triaxial es, relativamente, mucho más difícil de ejecutar e interpretar, especialmente si se toman medidas de presión de poros. El tamaño de las muestras hace que efectuar ensayos consolidados no drenados y consolidados drenados no requiere demasiado tiempo, pues el tiempo de drenaje es bastante corto aún para materiales con bajo coeficiente de permeabilidad, debido a que el camino de drenaje es muy pequeño. Se ha introducido cajas con muestra calculada de forma que la reducción de área durante el ensayo pueda fácilmente tenerse en cuenta si se desea. El uso de cajas cuadradas es relativamente reciente, y la mayoría de las máquinas a ntiguas todavía en servicio, utilizan cajas circulares. La máquina de corte directo es mucho más adaptable a los equipos electrónicos de medición de forma que no se requiera la presencia continua de un operario para efectuar  ensayos consolidados – drenados, que puedan durar varios días. Se ha encontrado que los parámetros de suelo y c obtenidos por el método de corte directo son casi tan confiable como los valores triaxiales (probablemente esto se debe más a problemas del operador que al hecho de que los equipos tengan igual capacidad de

comportamiento). Lo anterior no quiere indicar que el ensayo Triaxial sea indeseable; sino que, si se desean únicamente los parámetros de suelo, los valores que brinda el ensayo de corte directo se han encontrado usualmente bastante aceptables. Limitaciones del ensayo de corte directo 

La muestra está obligada a fallar en un plano determinado

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La distribución de esfuerzos es ésta superficie no es uniforme.

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No es posible controlar el drenaje de la muestra, sólo se puede variar la velocidad de desplazamiento.

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No puede medirse la presión de poros.

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Las deformaciones aplicadas están limitadas por recorrido máximo de la caja.

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El área de contacto entre las dos mitades de la muestra disminuye a medida que se realiza el ensayo. Pero como afecta a y σ a en la misma proporción, el efecto en la evolvente de Coulomb es depreciable. El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes. No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson.

El diseño del molde no permite el control del drenaje de la muestra. Esta no es una limitante en el caso de arenas y gravas, que son materiales de drenaje libre y por lo general fallan en condiciones completamente drenadas. Sin embargo, en depósitos de arcilla un elemento de suelo en el campo puede fallar sin ningún drenaje completo. La falta de control del drenaje hace obvio que exista una incertidumbre sobre si este valor representa o no l a verdadera resistencia no drenada. Por esta razón, la resistencia al corte no drenado de un suelo arcilloso a menudo se mide en una cámara Triaxial, la cual permite el completo control del drenaje de la muestra. Sin embargo, el ensayo de corte directo puede utilizarse para medir la resistencia drenada de los suelos arcillosos si primero se consolida por completo la muestra bajo la carga normal y luego se corta la muestra a una velocidad suficiente lenta para asegurarse de la disipación inmediata del exceso de presión intersticial que se produce durante el corte.

La Fig. Muestra las relaciones típicas esfuerzo  – deformación unitaria – cambio de volumen. Al graficar el máximo esfuerzo cortante f  en función del esfuerzo normal efectivo σ’ se obtiene el ángulo de fricción efectivo para un estado de densidad en particular. Para establecer la envolvente de falla se realizan diferentes ensayos con diferentes ensayos con diferentes valores de presión de confinamiento (esfuerzo normal) y se dibuja una línea recta desde el origen (ya que σ’ = 0 en suelos granulares) pasando por los respectivos puntos; la p endiente de esta línea se designa con φ’.

Tipo de suelo

ϕ' Grados Suelto

Denso

Limo

27 - 30

30 - 34

 Arena limosa

27 - 33

30 - 35

 Arena uniforme

28

34

 Arena bien graduada

33

45

Grava arenosa

35

50

Valores de φ’ para suelos granulares

En la fig. Se ve que los cambios de volumen tienen una influencia fundamental en el valor de la resistencia al corte de los suelos. T ales efectos se reflejan empíricamente en el valor φ ’ en la

ecuación de Coulomb. Sin embargo, un tratamiento detallado requiere u n estudio del comportamiento de las partículas del suelo para separar el componente de la resistencia debido a la estructura de partículas, de aquel que corresponde a la fricción entre partículas.  Algunas veces para obtener el desplazamiento necesario debe invertirse de manera repetida la dirección del corte, pero ello distorsiona el alineamiento de las partículas y no se logra el verdadero valor para el estado mínimo. El problema puede resolverse utilizando el aparato de corte tipo anular en el cual se prueba una muestra de suelo de forma anular en un anillo partido horizontalmente en su plano medio, lo cual permite que la mitad inferior de la muestra sea cizallada continuamente en una dirección sobre la mitad superior fija, sin cambio de contacto en el área de contacto entre las dos caras.

Equipo Utilizado

“Molde (2 x 6) cm”

“Elementos de la máquina de Corte”

“Cuchilla”

“Set de Pesas”

“Máquina de Corte”

“Piedra Porosa”

“Balanza”

Procedimiento

1. Tenemos la muestra a usarse para realizar el “ensayo de corte directo” nos percatamos que es una muestra inalterada.

En este caso la muestra llego desde TRUJILLO - LA LIBERTAD, y estuvo en parafinada ya que asi se conservan las componentes del suelo, lo cual ara tener un mejor resultado.

2. Tallamos la muestra al tamaño del molde (2 cm x 6 cm). Al realizar esta operación debemos tener cuidado de no aplicarle m ucha fuerza ya que esta se quebraría y perderíamos muestra en vano.

3. Ya teniendo la muestra tallada, la limpiamos los bordes, ya está para llevarla a la máquina de corte directo.

4. Con un poco de la muestra que sobra la colocamos en una tara y la pesamos y luego la llevamos al horno para así hallar su contenido de humedad.

5. Ya en la máquina de corte directo el profesor nos explica el procedimiento a usarse para utilizar la máquina de corte directo. Primero limpiamos y armamos el marco inferior. 6. Seguimos colocando la piedra porosa inferior y un papel filtro de la misma dimensión, encima de esta colocamos el molde con la muestra y seguimos con otro papel filtro y después la siguiente piedra porosa.

7. Proseguimos colocando el pistón y luego presionamos para que solo la muestra de suelo baje y así poder sacar el molde. 8. En la imagen vemos la presentación únicamente de la muestra en la máquina (sin pesas).

9. Se inunda la celda de corte.

10. Colocamos las pesas ya establecida para realizar este ensayo. Después colocamos la velocidad para realizar este ensayo y empe zamos.

11. Se calibra la máquina de corte a la velocidad adecuada, que en nuestro caso se usara la velocidad de 0.8 mm/min. 12. Con las pesas suficientes se le aplica la sobrecarga o esfuerzo normal pre-establecida, tomando en cuenta que la relación de transmisión es de 1 a 4, así también se registra la segunda lectura de deformación vertical. 13. Mediante el control de las deformaciones horizontales se procede a llevar progresivamente a la muestra de suelo hasta su máxima resistencia al corte registrando las deformaciones verticales y la fuerza horizontal aplicada, la cual esta presentada por la deformación del anillo de corte.

14. Se debe obtener al inicio y al final el peso húmedo con que termina la muestra ensayada con el propósito de obtener las constantes físicas del material. 15. Colocamos nuestra muestra sobre un recipiente y la pesamos luego la llevamos al horno para saber su contenido de humedad final.

16. Con una esponja sacamos el agua y limpiamos para que el siguiente equipo haga el ensayo para su muestra.

Conclusiones 

En nuestro gráfico de Esfuerzo Cortante Máximo vs Esfuerzo Normal, podemos observar  sus parámetros de resistencia máximo, los cuales son: Cohesión = 0.08 Fricción = 31.17

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En nuestro gráfico de Esfuerzo Cortante Residual vs Esfuerzo Normal, podemos observar  sus parámetros de resistencia máximo, los cuales son: Cohesión = 0.06 Fricción = 31.07

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Proyectando los diferentes valores en una gráfica esfuerzo, respecto a la resistencia al corte, podemos encontrar la envolvente de Mohr del suelo ensayado. El conocimiento de la resistencia al corte es requisito indispensable para cualquier análisis relacionado con la estabilidad de una masa de suelo. Los valores negativos de la gráfica de deformación vertical vs deformación horizontal quiere decir que las muestras se están consolidando y se considera gracias a que se está drenando de agua, también al pasar el cero se dice que la muestra tiene un proceso de dilatación , pero como observamos una de la muestras pasa por dicho proceso pero también se consolida al igual que las otras dos muestras. Para las gráficas se trató de encontrar la relación de desviación estándar más aproximada para tener la tendencia más adecuada para la recta y así poder determinar los parámetros. La velocidad en el ensayo debe ser la estipulada, ya que si es mu y rápida en ensayos drenados, la presión de poros no escapa de disiparse. Debemos tener en cuenta la velocidad de corte Vc:

La Vc con la que hemos ensayado 0.8 mm/min. Teniendo en cuenta que la velocidad varía según la permeabilidad del suelo, es decir, de su densidad. 

Fórmula para determinar la velocidad de corte, l a cual debe ser lo suficiente lenta: Donde:

dr = Velocidad de desplazamiento, en in/min ó mm/min. df = Desplazamiento horizontal estimado hasta la falla, in ó mm. 0.5 in si el material es de grano fino normal o sobre-consolidado y 0.2 in. Si el suelo es arenoso. Tf = Tiempo estimado hasta la falla min. 

El ángulo de fricción es el resultado de la combinación de todos los factores. Por ejemplo, el ángulo de fricción es mayor al aumentar la densidad, pero si las presiones normales son muy altas, el ángulo de fricción tiende a disminuir. En arcillas, el ángulo de fricción depende de las condiciones de pre consolidación.

Recomendaciones 

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Este laboratorio debe hacerse en grupo como m ínimo 4 personas para que pueda hacer la lectura del anillo, la lectura vertical, alguien para que indique el momento en que se debe de leer y alguien que pueda anotar las lecturas obtenidas por eso se recomienda no faltar, ser puntual y además leer bien para que el laboratorio salga bien y no puedan tener  problemas al momento de hacerlo. Antes de empezar esta laboratorio se recomienda revisar el libro de Joseph Boules para tener la velocidad de corte que depende si es arena (que varía entre 0.8 a 1.5 mm/min), sin embargo en los suelos finos (varía entre 0.5 – 0.75 mm/min)

Bibliografía

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DESLIZAMIENTOS: ANALISIS GEOTECNICO – JAIME SUAREZ (CAPITULO 3) MANUAL DE LABORATORIO DE SUELOS EN INGENIERIA CIVIL – JOSEPH E. BOWLES