ENSAYO DE CORTE DIRECTO Y SU APLICACION

2015S DOCENTE: ING. ROBERTO CARLOS CASTILLO VELARDE

CURSO: MECNICA DE SUELOS I

ALUMNO: VILLEGAS DELGADO, MANUEL

FECHA:

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

I. RESUMENDentro de ciertos lmites, los suelos se comportan bajo la accin de las cargas como los materiales elsticos, aunque en algunos casos se producen deformaciones mayores que las normales, tenindose que recurrir entonces a clculos que tengan en cuenta la plasticidad del suelo.Una muestra de suelo sometida a un esfuerzo de corte tiende a producir un desplazamiento de las partculas entre s o de una parte de la masa del suelo con respecto al resto del mismo. Estos movimientos dentro de la masa del suelo tienden a ser contrarrestados por la llamada resistencia al corte del suelo.La resistencia al corte viene dada por la ecuacin de Coulomb: = C + Pi*(tan)Donde: : Resistencia al corte del suelo en kg/cm2 C: Cohesin del suelo en kg/cm2 Pi: Presin intergranular en kg/cm2 : Angulo de friccin del suelo, el cual se supone que es constante.

La cohesin de un suelo y su ngulo de friccin interna, componentes del esfuerzo de corte del mismo pueden obtenerse de diferentes maneras, en este caso se har por medio del aparato de corte directo ideado por Arthur Casagrande.La muestra inalterada se coloca en su interior y se somete a un esfuerzo tangencial y a una carga P. Haciendo variar la carga P, se va observando los correspondientes esfuerzos de ruptura y con esos valores se traza la envolvente de los crculos de Mhor que dar a conocer el valor de C, ordenada en el origen, y el ngulo de inclinacin de la lnea.

II. INTRODUCCIONToda 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 (prcticamente despreciables), hasta fallas de grandes deslizamientos de tierra. Entre ambos casos extremos tambin est presente el fenmeno de la consolidacin, ya que los esfuerzos de la estructura expulsan el agua intersticial entre las partculas del suelo.Cuando existe algn tipo de falla en la relacin 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 sta.Para la mayora 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 ubicacin o distribucin, como lo es su ngulo de rozamiento, su densidad y eventualmente la cohesin.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 estudiar el ensayo de corte directo, su importancia, su funcionamiento y su aplicacin.

III. OJETIVOS establecer el procedimiento de ensayo para determinar la resistencia al corte de una muestra de suelo consolidada y drenada, por el mtodo del corte directo. Conocer la importancia que tienen los esfuerzos cortantes en un suelo y sus aplicaciones de este mtodo.

IV. MARCO TERICO

4.1. INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURAToda estructura tiene que estar inevitablemente apoyada en el suelo, por lo tanto es de suma importancia estudiar el comportamiento de ste bajo la estructura ante el peso de la misma. Este peso produce deformaciones en el suelo que se pueden manifestar de tres maneras: Por deformacin elstica de las partculas. Por cambios de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuacin del lquido existente en los huecos entre las partculas. Por deslizamiento de las partculas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran masa de suelo. El primer caso es despreciable para la mayora de los suelos, en los niveles de esfuerzo que ocurren en la prctica. El segundo caso, corresponde al fenmeno de la consolidacin. El tercer caso, corresponde a fallas del tipo catastrfico y para evitarla se debe hacer un anlisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la resistencia al corte de suelo. El anlisis debe asegurar, que los esfuerzos de corte solicitantes son menores que la resistencia al corte, con un margen adecuado de modo que la obra siendo segura, sea econmicamente 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 determinacin de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos puede decirse que constituye uno de los puntos fundamentales de toda la mecnica de suelos. En efecto, una valoracin correcta de este concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, con esperanza de xito cualquier aplicacin de la mecnica de suelos al anlisis de la estabilidad de las obras civiles.

4.2. RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELOLa resistencia al corte de una masa de suelo es la resistencia interna por unidad de rea que la masa de suelo puede oponer a la falla y al deslizamiento, a lo largo de algn plano interno. Se debe entender la resistencia al corte de un suelo para poder analizar problemas de estabilidad de suelos tales como: capacidad de soporte, estabilidad de taludes, y empuje de tierras sobre estructuras de contencin, entre otros.En los problemas de estabilidad de suelos tales como: estudio de cimentaciones, obras de sostenimiento, terraplenes, taludes; adems de la accin combinada de las fuerzas externas y las fuerzas internas que se desarrollan en la masa de suelo que crean esfuerzos horizontales capaces de producir desplazamientos laterales del material, es necesario conocer la resistencia al corte de los suelos.Cuando se aplica un sistema de fuerzas a un volumen determinado de suelo, se desarrollan tensiones de corte, las cuales implican deformaciones en este. Estas deformaciones son o pueden ser importantes a lo largo de los llamados planos de falla o deslizamiento.Por lo tanto se puede definir la resistencia al corte de un suelo como la tensin de corte en el plano de falla, en el momento de la falla.

Figura1. Caja de corte en el equipo de corte directo

4.3. TEORIA DE COULOMB - TERZAGHICoulomb fue el primero que trat de explicar el origen de resistencia al corte de los suelos.En 1776 observ que si el empuje que produce un suelo contra un muro de contencin produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que est retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. Bas su teora en dos conceptos: Friccin entre partculas: la resistencia al corte del suelo basado en principios elementales de la fsica. En la figura 2 se observa la fuerza F produce un desplazamiento, que se contrarresta por la fuerza P. La fuerza P es la representacin del roce entre ambas superficies y es directamente proporcional a la fuerza P, ya que es una constante de roce, diferente para cada superficie.Figura2. Diagrama de friccin

Los duelos fallan por esfuerzos cortantes a lo largo de un plano de deslizamiento y regidos por el mecanismo de la friccin mencionada anteriormente, por lo menos en cierto tipo de suelos.En la figura 3 generamos este plano como A A, pero a la vez transformaremos las fuerzas actuantes en esfuerzos al dividirlas por el rea sobre la cual actan, obtenindose para P y generndose un esfuerzo interno producto de la fuerza F.Figura 3. Diagrama de falla, por esfuerzo cortante en el plano de deslizamiento

Coulomb postul que la mxima resistencia al corte,, en el plano de falla est dada por:

Donde:

: esfuerzo normal total en el plano de falla c: es la cohesin del suelo: es el ngulo de friccin internaEsta es una ecuacin emprica y basada en los conceptos anteriormente nombrados, con inclusin de un trmino de cohesin c propio del suelo arcilloso.Esta ecuacin no produjo los resultados esperados, ya que el comportamiento del suelo no concordaba con lo que Coulomb planteaba en su modelo matemtico. Esto se debi principalmente a que los suelos no estn compuestos en un 100% de material slido, tambin estn conformados con agua, la cual aporta, en cierto grado, resistencia temporal a la masa de suelo, fue Terzaghi quien aadi a la frmula de Coulomb este concepto, el cual fue llamado principio de esfuerzos efectivos, que matemticamente se representa mediante la ecuacin:

Donde:u: presin intersticial o presin de poros : esfuerzo efectivo ( esfuerzo intergranular)se hizo evidente entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes, la resistencia al corte de un suelo debe ser nicamente el resultado de la friccin entre las partculas que lo componen y su magnitud depende nicamente de la magnitud de los esfuerzos efectivos que soportan estas. Por tanto, cuanto ms grande sea el esfuerzo efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor ser la resistencia al corte en dicho plano.Entonces si se expresa la ecuacin en trminos de esfuerzos efectivos, se tiene:

En la ecuacin los parmetros c y son propiedad de la estructura del suelo, denominada cohesin efectiva y ngulo de friccin efectiva, respectivamente. Esta ecuacin es vlida para suelos cohesivos. Para duelos granulares, como no existe cohesin, la ecuacin se simplifica a:

En vista de que la resistencia al corte es netamente producto de los esfuerzos efectivos que se generan en la masa de suelo, es correcto realizar los anlisis en trminos de esfuerzos efectivos, aunque en ciertas circunstancias es vlido analizar los problemas de ingeniera bajo la perspectiva de esfuerzos totales. Por tanto, la ley de Coulomb posee dos componentes fcilmente identificables que colaboran a la resistencia al corte del suelo: Friccin (tan), que principalmente es el aporte de la trabazn entre partculas y el roce entre ellas cuando estn sometidas a esfuerzos normales. Cohesin (c), que debe a fuerzas internas electroqumicas que mantienen unidas a las partculas en una masa.Como en la ecuacin existen dos cantidades desconocidas (c y ), se requiere por lo menos un par de datos correspondientes al esfuerzo normal y al corte de falla para resolver el sistema de ecuacin.Si se grafica la tensin de corte () en funcin de la deformacin horizontal () en el plano de esta tensin de corte para un suelo denso en condicin drenada, se obtiene el siguiente grfico.

Figura 4. Grfico que expresa el corte mximo

De la curva presentada en la figura 4, se pareca un valor mximo del corte aplicado correspondiente al instante en que las partculas en ste suelo denso se sueltan, por lo tanto disminuye el roce interno entre ellas, y a su vez disminuye la resistencia al corte de este suelo hasta alcanzar la falla con un valor de esfuerzo de cortefalla. Los valores de resistencia al corte se suelen obtener realizando como mnimo un ensayo de tres probetas idnticas de un mismo suelo aplicando distintas presiones normales, los datos son llevados a un grfico en funcin de la tensin normal (n).Se obtiene as una recta llamada recta intrnseca, en la cual el ngulo formado por sta con el eje de las abscisas es llamado ngulo () (ngulo de friccin interna del suelo) y la ordenada hasta el origen es el valor de c (cohesin del suelo). Figura 5. Curva intrnseca

El rea bajo la curva representa distintas combinaciones de y n en las cuales el suelo no falla, la curva intrnseca representa las y n que producen la falla en del suelo, y el rea sobre esta recta son los estados de esfuerzo imposibles de alcanzar ya que el suelo falla antes de llegar a ellos.Esta resistencia al corte, medida por medio de este ensayo depende de la cohesin (c) del suelo y de su friccin interna, donde la cohesin es la atraccin entre las partculas originada por las fuerzas moleculares y las pelculas de agua (por lo tanto variar segn su humedad) y la friccin interna es la resistencia al deslizamiento causado por el rose entre la superficie de contacto de las partculas (depende, por lo tanto de la granulometra, forma de partculas y de la densidad del material).Tambin depende esencialmente de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad de los suelos, pues uno de los parmetros determinantes es la presin intersticial del agua (presin de poros), la cual est ligada directamente a la condicin del ensayo.La desventaja de este ensayo es que como cmo se determina el plano de falla a priori, no es posible conocer los esfuerzos en otros planos, salvo que sean ensayados.

4.4. LA CONSOLIDACION La consolidacin es un fenmeno que ocurre en los suelos arcillosos que se encuentran saturados y que producen cargas superficiales o variaciones en su estado tensional, disminuyen sus vacos y por lo tanto expulsa el agua de su interior.Si tenemos un elemento cualquiera (A) de suelo que se encuentra a una profundidad Z1 bajo una superficie de terreno en algn momento de su historia geolgica, se conoce el peso especfico de este suelo y las condiciones del agua intersticial, aplicando algunas propiedades ndice, es relativamente fcil calcular la tensin vertical efectiva (v) a dicha profundidad con la siguiente formula.

Si el proceso de sedimentacin contina, el elemento (A) de suelo cambiar su posicin relativa con respecto a la superficie, y por lo tanto tambin se modificarn las tensiones verticales efectivas para dicho elemento. Figura 6. Proceso de consolidacin de un suelo

En el instante en que la profundidad del elemento (A) es Z1, este tendr asociado un ndice de poros e1. Es posible asociar un ndice de poros en al mismo elemento a diferentes profundidades a medida que se produce la sedimentacin. El aumento de profundidad da lugar a un incremento de la tensin vertical efectiva, ste a su vez produce la compresin del suelo y, por tanto, a una reduccin del ndice de poros. Al seguir la sedimentacin continuar aumentando la tensin vertical efectiva y se ir reduciendo an ms el ndice de poros.Como se observa, la curva disminuye su pendiente a medida que aumenta la tensin vertical, lo que se traduce en que el suelo es ms rgido (menos deformable) cuanto mayor es su nivel de tensin vertical efectiva.Figura 7. Curva de consolidacin de un suelo

Si en el proceso de carga se produce una disminucin de ndice de poros, al descargar el suelo se produce el efecto contrario, el entumecimiento o hinchamiento del suelo, producto del aumento del ndice de poros. Se observa adems en la figura 7, el suelo no regresa por la curva de compresin noval al producirse la descarga, sino que sigue un nuevo camino denominado rama de descarga, conformada por los puntos 4, 3 y 2.De esto se desprende dos comportamientos del suelo segn sea su estado de carga, ya que un suelo (arcilloso) que ha sido cargado a una determinada tensin vertical efectiva, mayor a la que ha sido sometido en su pasado geolgico, seguir la curva de consolidacin noval. En estas condiciones se dice que el suelo est normalmente consolidado, por lo tanto, la curva de consolidacin noval representa los estados normalmente consolidados.Si sucede el caso contrario, es decir, si al suelo se le aplica una tensin vertical efectiva menor a la carga que ha sido sometido en su pasado geolgico, el suelo seguir la rama de descarga y se comportar como preconsolidado, por lo tanto, la rama de descarga representa los estados preconsolidados de un suelo arcilloso.

4.5. TEORA DE MOHR La falla por deslizamiento ocurre a lo largo de una superficie particular en la que la relacin del esfuerzo tangencial al normal (oblicuidad) alcance un cierto valor mximo. Este valor mximo es una funcin del acomodo y forma de las partculas y del coeficiente de friccin entre ellas. No fija la hiptesis de variacin lineal entre el esfuerzo tangencial y normal para definir la oblicuidad de la superficie crtica; dicha ley de variacin queda representada en general por una curva intrnseca. Figura 8. Curva intrnseca

4.6. TEORA DE MOHR COULOMB Es la teora ms usada en la actualidad. Se atribuye la falla al esfuerzo cortante y se acepta que este depende del esfuerzo normal actuante en el plano de falla, se acepta que la relacin entre ambos esfuerzos no es constante. Figura 9. Diagrama de esfuerzos principales

En principio, los resultados del ensayo de corte directo aportan solamente un punto (F) del circulo de Mohr de rotura, aquel en que el crculo es tangente a la envolvente de falla y que representa el estado tensional en rotura de un plano prefijado. Sin embargo, si se traza por el punto (F) una recta perpendicular a dicha envolvente, es posible localizar el centro (C) del crculo de Mohr, quedando as determinado el radio (r) del mismo:

Adems trazando por (F) una recta horizontal (paralela al plano de falla) que corta al crculo de radio (r) (crculo de Mohr de rotura), se localiza el polo (P).A partir de esta construccin, es posible calcular las magnitudes de las tensiones principales mayor y menor, 1 y 3, respectivamente:

Las orientaciones de los planos principales mayor y menor, en los cuales las tensiones tangenciales son nulas, se determinan uniendo el polo P con los puntos de coordenadas (1, 0) y (3, 0), respectivamente.Como el esfuerzo cortante () y el esfuerzo normal (n) tiene el mismo significado dado en la construccin del crculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones simultneas para (C) y para (tan ), es posible dibujar en un plano de ejes coordenados los valores de contra (n) para diferentes ensayos (generalmente como ordenada), dibujar una lnea a travs del lugar geomtrico de los puntos, y establecer la pendiente de la lnea como el ngulo y la interseccin con el eje como la cohesin (c), que es la metodologa que se emple en este captulo para simplificar el entendimiento del concepto de corte en un cuerpo sometido a diferentes esfuerzos ortogonales.

V. ENSAYO DE CORTEDIRECTO Nociones bsicas del ensayo de corte directoDurante el desarrollo de este captulo se expondr la metodologa bsica para realizar un ensayo de corte directo, aunque cada ensayo debe ser adecuado a las condiciones que representa de mejor manera el escenario bajo el cual se desean investigar determinadas propiedades.El ensayo posee varias etapas, pero principalmente se divide en dos, la de consolidacin y la de corte. La de consolidacin es sumamente relevante ya que de estas se desprenden algunos parmetros que definirn las caractersticas del ensayo de corte, tales como la velocidad del ensayo y su duracin.A grandes rasgos, el ensayo de corte directo es utilizado para obtener el valor de la resistencia al corte del suelo ensayado y es aplicable a todo tipo de suelo, teniendo limitaciones, nicamente en las dimensiones de la caja de corte del equipo que se emplee.

5.1. Equipos y materiales

a) Equipo de corte

b) caja de corte (mitad superior e inferior, placa superior e inferior y tornillos de seguridad

c) piedras porosas d) esptula

e) martillo de goma f) cuchillo

g) deformmetro h) cronmetro

5.2. preparacin de la muestraTamao de la muestra:El procedimiento para preparar depende de las condiciones en que se desea realizar el ensayo, y al tipo de suelo que se desea ensayar.Para generar una recta, geomtricamente solo se requieren las coordenadas de dos puntos, pero para el caso de la recta de falla de un determinado tipo de suelo tres ensayos. Se debe tener en cuenta que para realizar los clculos necesarios con el fin de obtener la recta de falla del suelo y por consiguiente la cohesin y el ngulo de friccin interno, es necesario realizar por lo menos un mnimo de tres ensayos.

Caja corteEspesor de la probetaTamao mximo de partculas

100mmx100mm25mmBajo tamiz 10mm

60mmx60mm25mmBajo tamiz 25mm

Tabla 1. Tamao de las probetas y valor mximo para el tamao de las partculas.

Si se usa una muestra inalterada, debe ser suficientemente grande para proveer un mnimo de tres muestras idnticas. La preparacin de la muestra debe efectuarse de tal manera que la prdida de humedad sea insignificante. La muestra se talla sobre medida para las dimensiones del dispositivo de corte directo. Para muestras inalteradas de suelos sensibles, debe tenerse extremo cuidado al labrar las muestras, para evitar la alteracin de su estructura natural. Se determina el peso inicial de la muestra para el clculo posterior del contenido inicial de humedad de acuerdo con la norma. Si se utilizan muestras de suelos compactados, la compactacin debe hacerse con las condiciones de humedad y peso unitario deseados. Se puede efectuar directamente en el dispositivo de corte, en un molde de dimensiones iguales a las del dispositivo de corte o en un molde mayor para recortarlas.

El dimetro mnimo de las muestras circulares o el ancho mnimo para muestras rectangulares debe ser alrededor de 50 mm (2"). Para minimizar las alteraciones causadas por el muestreo, el dimetro de las muestras obtenidas de tubos sacamuestras debe ser, por lo menos, 5 mm (1/5") menor que el dimetro del tubo. El espesor mnimo de la muestra de ensayo, debe ser alrededor de 12 mm ( "), pero no menor de un sexto el tamao mximo de las partculas del suelo. La relacin mnima dimetro/espesor o ancho/espesor, segn la muestra, debe ser 2:1.

5.3. Procedimiento del ensayo a) Se ensambla la caja de corte con los marcos alineados y se bloquea. Se aplica una capa de grasa entre los marcos para lograr impermeabilidad durante la consolidacin y reducir la friccin durante el corte.

b) Se introduce la muestra de ensayo con sumo cuidado. Se conecta el dispositivo de carga y se ajusta el dial para medir tanto la deformacin durante el corte, como el cambio del espesor de la muestra y luego se determina el espesor inicial. La costumbre de humedecer las piedras porosas antes de la colocacin y aplicacin de la fuerza normal sobre las muestras, depender del tipo de problema en estudio. Para muestras inalteradas obtenidas bajo el nivel fretico, deben humedecerse las piedras.

c) Para suelos expansivos se debe efectuar el humedecimiento despus de la aplicacin de la fuerza normal, para evitar expansiones que no son representativas de las condiciones de campo.

d) Se debe permitir una consolidacin inicial de la muestra bajo una fuerza normal adecuada. Despus de aplicar la fuerza normal predeterminada, se llena el depsito de agua hasta un nivel por encima de la muestra, permitiendo el drenaje y una nueva consolidacin de la misma. El nivel del agua se debe mantener durante la consolidacin y en las fases siguientes de corte de tal manera que la muestra est saturada en todo momento.