ENSAYO DE CORTE DIRECTO

1. DESCRIPCION

Este método describe procedimientos para determinar la resistencia al corte consolidado drenado de un suelo en corte directo. El ensayo puede ser conducido en corte simple o corte doble. La prueba de corte directo es adecuada para un ensayo consolidado drenado porque las trayectorias de drenaje a través del espécimen de ensayo son cortas, permitiendo por esto que los excesos de las presiones de poro sean disipados bastante rápidamente. El ensayo puede ser hecho sobre todo tipo de suelos y sobre muestras inalteradas o remoldeadas.

Los resultados del ensayo son aplicables a situaciones de campo donde la consolidación completa ha ocurrido bajo la sobrecarga existente, y la falla es alcanzada lentamente de modo tal que los excesos de presiones de poro son disipados. El ensayo también es útil para determinar la resistencia al corte a lo largo de planos débiles reconocibles dentro del material de suelo.

El ensayo no es adecuado para el desarrollo de relaciones exactas de esfuerzos - deformación del espécimen de prueba, debido a la distribución no uniforme de los desplazamientos y esfuerzos de corte. La baja velocidad de los desplazamientos permite la disipación del exceso de presiones de poro, pero también permite el flujo plástico de suelos cohesivos blandos. Se deberá tener cuidado para que las condiciones de ensayo representen aquellas que están siendo investigadas.

Los valores establecidos en unidades pulgada-libra serán considerados como los estándar.

2. CARACTERISTICAS.

a) El ensayo de corte directo es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debido a que las trayectorias de drenaje a través de la muestras son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados. Hay sin embargo una limitación en el tamaño máximo de las partículas presentes en las muestras.

b) Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuantes. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia al corte en condiciones drenadas.

c) Durante el ensayo de corte hay rotación de los esfuerzos principales, lo que puede corresponder a las condiciones de campo. Aún más, la ruptura puede no ocurrir en un plano de debilidad, puesto que ella tiene que ocurrir cerca de un plano horizontal en la parte media del espécimen. La localización fija del plano de ruptura en el ensayo puede

ser una ventaja en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de planos reconocidamente débiles dentro del material del suelo y para analizar las interfases entre materiales diferentes.

d) Los esfuerzos de corte y los desplazamientos no están distribuidos uniformemente dentro de la muestra y no puede definirse una altura apropiada para calcular las deformaciones de corte o cualquier otra cantidad asociada de interés en geotecnia. La baja velocidad de desplazamiento asegura la disipación de los excesos de presión de los poros, pero también permite el flujo plástico de suelos cohesivos blandos. Debe tenerse cuidado de asegurar que las condiciones del ensayo representen las condiciones que se están investigando.

e) El intervalo de los esfuerzos normales, la velocidad de deformación y las condiciones generales del ensayo deben ser seleccionadas para reflejar las condiciones específicas del suelo que se está investigando.

3. EQUIPO

a) Aparato de corte: El aparato de corte proporcionará medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras de la muestra, permitiendo el drenado del agua a través de las placas porosa en los límites superior e inferior de la muestra de suelo, y para muestras sumergidas en agua. La máquina debe ser capaz de aplicar una fuerza cortante a la muestra a lo largo de un plano de corte predeterminado paralelo a las caras de la muestra. Los marcos que sostendrán la muestra deben ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el proceso de corte. Varias partes de la máquina de corte deben de estar hechas de material anticorrosivo resistentes a la humedad o sustancias presentes en el suelo, por ejemplo, acero inoxidable, bronce, aluminio, etc. Metales distintos a los nombrados pueden causar oxidación.

b) Caja de corte: una caja de corte, cuadrada, hecha de acero inoxidable, con aditamentos que permiten el drenado a través de la parte superior e inferior. La caja está dividida verticalmente por un plano horizontal en dos mitades con el mismo espesor unido con unos tornillos de seguridad. La caja de corte es ajustada con los tornillos de seguridad, que controlan el espacio entre la parte superior e inferior de las dos mitades de la caja de corte.

c) Aditamentos de Carga:

• Aditamento para aplicar la fuerza normal- La fuerza normal es aplicada por un marco que tiene un contrapeso para eliminar el peso del mismo y sólo toma en cuenta el peso que se coloque en éste.

• Aditamento para cortar la muestra- El aditamento debe ser capaz de cortar el espécimen a una velocidad uniforme de desplazamiento, con menos de ±5% de desviación, debe permitir el ajuste de la velocidad de desplazamiento. La velocidad debe ser aplicada dependiendo de la sobreconsolidación característica de los suelos. La velocidad es usualmente mantenida con un motor eléctrico y un arreglo en la caja de engranes y la fuerza cortante es determinada por un indicador de carga tal como un anillo de prueba o una celda de carga.

• Aditamento para la medición de la fuerza cortante- Un anillo de carga o celda de carga con precisión de 1% de la fuerza de corte en condiciones de ruptura. Para las pruebas realizadas se utilizó una Celda de carga con una capacidad de 10kN.

• El peso de la parte superior de la caja de corte debe ser menor del uno por ciento de la fuerza normal aplicada: Esto puede requerir que la parte superior de la caja de corte sea modifica y soportada por una fuerza de corte predeterminada por un instrumento indicador de carga como la celda o un anillo de carga.

• Tazón para la caja de corte- Una caja metálica que soporte la caja de corte y suministre a una reacción contra la que se apoye la mitad de la caja de corte, o una base sólida que permita la alineación de la mitad de la caja de corte, que permanezca libre para moverse en la dirección de la fuerza de corte aplicada en un plano horizontal.

• Indicador de desplazamiento horizontal- Transductores de desplazamientos capaces de medir el cambio de espesor de la muestra. Para las pruebas que se realizaron se utilizaron 3 distintos: LVDT: con una precisión de 0.002 mm, Micrómetro analógico: con una precisión de 0.01 mm, Micrómetro electrónico: con precisión de 0.0001 mm.

Tenemos:

(a) LVDT (b) Micrómetro analógico

(c) Micrómetro electrónico.

Equipo para compactación de especímenes: Pizón de 5x5 cm, pizón de 9.5x9.5 cm. Otros equipos: cápsulas de porcelana, cronómetro, balanzas de una precisión de ±1 un

gramo, cucharón.

4. MUESTRA

PREPARACIÓN DE LOS ESPECIMENES

Si se usa una muestra inalterada, debe ser suficientemente grande para proveer un mínimo de tres muestras idénticas.

La preparación de la muestra debe efectuarse de tal manera que la pérdida 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 alteración de su estructura natural. Se determina el peso inicial de la muestra para el cálculo posterior del contenido inicial de

humedad de acuerdo con la norma. Si se utilizan muestras de suelos compactados, la compactación 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 diámetro mínimo de las muestras circulares o el ancho mínimo para muestras

rectangulares debe ser alrededor de 50 mm (2"). Para minimizar las alteraciones causadas por el muestreo, el diámetro de las muestras

obtenidas de tubos sacamuestras debe ser, por lo menos, 5 mm (1/5") menor que el diámetro del tubo.

El espesor mínimo de la muestra de ensayo, debe ser alrededor de 12 mm (½ "), pero no menor de un sexto el tamaño máximo de las partículas del suelo.

La relación mínima diámetro/espesor o ancho/espesor, según la muestra, debe ser 2:1.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO.

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

consolidación y reducir la fricción durante el corte. Se introduce la muestra de ensayo con sumo cuidado. Se conecta el dispositivo de carga y

se ajusta el dial para medir tanto la deformación 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 colocación y aplicación de la fuerza normal sobre las muestras, dependerá del tipo de problema en estudio. Para muestras inalteradas obtenidas bajo el nivel freático, deben humedecerse las piedras.

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

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

La fuerza normal que se aplique a cada una de las muestras depende de la información requerida. Un solo incremento de ella puede ser apropiado para suelos relativamente firmes. Para los demás suelos pueden ser necesarios varios incrementos con el objeto de prevenir el daño de la muestra. El primer incremento dependerá de la resistencia y de la sensibilidad del suelo. En general, esta fuerza no debe ser tan grande que haga fluir el material constitutivo de la muestra por fuera del dispositivo de corte.

Durante el proceso de la consolidación deben registrarse las lecturas de deformación normal, en tiempos apropiados, antes de aplicar un nuevo incremento de la fuerza.

Cada incremento de la fuerza normal debe durar hasta que se complete la consolidación primaria. El incremento final debe completar la fuerza normal especificada.

Se representan gráficamente las lecturas de la deformación normal contra el tiempo. Corte de la muestra. Luego de terminada la consolidación se deben soltar los marcos

separándolos aproximadamente 0.25 mm (0.01"), para permitir el corte de la muestra. Se debe aplicar la fuerza de corte lentamente para permitir la disipación completa del

exceso de presión de poros.

Se continúa el ensayo hasta que el esfuerzo de corte sea constante, o hasta que se logre una deformación del 10 % del diámetro o de la longitud original. En el ensayo con control de esfuerzos, se comienza con incrementos de la fuerza de corte de aproximadamente un 10 % de la máxima estimada.

Antes de aplicar un nuevo incremento, se permitirá por lo menos un 95 % de consolidación bajo el incremento anterior. Cuando se ha aplicado del 50 % al 70 % de la fuerza de falla estimada, los nuevos incrementos serán de la mitad del valor de los aplicados hasta ese momento, o sea el 5 % de la máxima fuerza de corte.

En la proximidad de la falla, los incrementos de la fuerza pueden ser iguales a un cuarto del incremento inicial (2.5 % de la fuerza normal de corte estimada).

Se debe llevar registro de la fuerza de corte aplicada y la deformación normal y de corte para intervalos convenientes de tiempo.

Con preferencia, el incremento de la fuerza de corte debe ser continuo. Terminado el ensayo, se remueve la muestra completa de la caja de corte, se seca en la estufa y se determina el peso de los sólidos.

5. CÁLCULOS

Calcúlense los siguientes valores:

Contenido inicial de humedad. Peso unitario seco inicial y peso unitario húmedo inicial. Esfuerzos de corte. Relación de vacíos antes y después de la consolidación y después del ensayo de corte, si se

desea. Los grados de saturación inicial y final, si se desea.

6. OBSERVACIONES.

Se deben registrar todos los datos básicos del ensayo, incluyendo el esfuerzo normal, desplazamiento de corte y los valores correspondientes de la resistencia al corte máximo y residual cuando se indique, así como los cambios de espesor del espécimen.

Para cada probeta de ensayo se debe elaborar la curva esfuerzo de corte y deformación unitaria en un gráfico con escalas aritméticas.

Debe prepararse, igualmente, un gráfico que incluya los valores para las tres probetas de las fuerzas normales contra la resistencia al corte y determinar, a partir del mismo, los valores efectivos del ángulo de fricción Ø y de la cohesión, c.

En el mismo gráfico anterior podrán incluirse los valores de las resistencias al corte residuales e indicar el ángulo de fricción interna residual; y de la cohesión si la hubiere.

Se debe incluir el plan general de procedimiento, así como secuencias especiales de carga o requisitos especiales de humedad

ENSAYO COMPRESION NO CONFINADA (CNC).

1. DEFINICION.

Tiene por finalidad, de terminar la resistencia a la compresión no confinada(qu), de un cilindro de suelo cohesivo o semi-cohesivo, e indirectamente la resistencia al corte (c), por la expresión:

c= qu /2 (kg/cm2)

Este cálculo se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea sólo la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna (φ) del suelo se supone cero.

Este ensayo es ampliamente utilizado, ya que constituye un método rápido y económico. Consiste en un ensayo uniaxial, en donde la probeta no tiene soporte lateral (σ3=0), realizándolo en condiciones

no drenadas. Se podrá realizar de dos maneras, mediante un control de deformación o bien, mediante un control de esfuerzos.

El primero, es ampliamente utilizado, controlando la velocidad de avance de la plataforma del equipo. El segundo, requiere ir realizando incrementos de carga, lo que puede causar errores en las deformaciones unitarias al producirse una carga adicional de impacto al aumentar la carga, por lo que resulta de prácticamente nula utilización.

Las probetas deben cumplir con las siguientes condiciones:

- Diámetro mínimo 33 mm,- tamaño máximo de las partículas menor que 1/10 de su diámetro.- Relación altura - diámetro (L/D) debe ser lo suficientemente grande para evitar interferencias en

los planos potenciales de falla a 45º y lo suficientemente corta para evitar que actúe como columna; para satisfacer ambos criterios, se recomienda una relación L/D comprendida entre 2 y 3.

2. METODOLOGIA DE ENSAYO

EQUIPO NECESARIO

- Máquina de compresión, con sistema de lectura de carga de rango bajo.

- Un dial o lector de deformación, concurso de al menos 20% del largo de la probeta y precisión de 0,01 mm.

- Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5ºC.

- Herramientas y accesorios: molde y pisón compactador del equipo Harvard miniatura, balanza de 1000 grs. de capacidad y 0,01 gr. de precisión, cronómetro, espátula, pie de metro, membrana impermeable, cuchillo y recipientes plásticos.

PROCEDIMIENTO.

- Preparación de muestras no perturbadas. A partir de la obtención en terreno de una muestra inalterada de suelo, ya sea mediante molde CBR o bien la proveniente de un sondaje, con un cuchillo o una espátula, retirar el total de la para fina sólida que se aplicó para evitar pérdidas de humedad.

Luego, se corta una muestra preliminar algo más gran de que el tamaño deseado para la probeta que se quiera obtener (ejemplo 2,5 cm. más alta y 1,3 cm. más ancha) y se escuadran sus extremos de modo que queden perpendiculares a su eje y paralelos entre sí. Finalmente, se talla la probeta de la sección preestablecida y que cumpla con la relación L/D. Esta operación deberá realizarse sin hacer contacto entre las manos y la muestra.

- Compresión de la probeta. Previo a ensayar la probeta, se deben determinar el diámetro, altura, peso y deformación correspondiente al 20% de la deformación unitaria.

Luego, se centra la probeta en el plato base de la máquina, se coloca la placa superior y se ajusta el conjunto de modo de hacer contacto entre el pistón del equipo y la placa.

Los lectores de carga y deformación se fijan en cero y se aplica la carga, tomando simultáneamente las lecturas de deformación, tiempo y carga, de preferencia en las siguientes divisiones del lector de deformación: 10, 25, 50, 75, 100 y de aquí en adelante cada 50 a 100 divisiones, hasta que sucede uno de los siguientes casos:

- La carga aplicada disminuye,

- La carga aplicada se mantiene constante por 4 lecturas o- La deformación sobrepasa el 20% de la deformación unitaria previamente calculada.

- Preparación de muestras remoldeadas. La probeta recién ensayada se coloca dentro de una membrana plástica o de goma, cuidando de no perder nada de material y sea mas a con las manos hasta alcanzar el estado más remoldeado posible.

Luego se extrae de la membrana una porción de suelo tal de alcanzar una altura de 1/5d el alto del mol de Harvard. Esta operación se repetirá hasta llenar el molde. Con un extractor se retira la probeta escuadrando cuidadosamente los extremos para comprimirla muestra como ya fue descrito.

3. CALCULOS Y GRAFICOS

- Calculo de la humedad (w). En muestras inalteradas, se obtiene desde una muestra representativa de suelo paralela al tal lado de la probeta. Para muestras remoldeadas, una vez ensayada esta, se llevará a horno 24horas.

- Calcular la altura inicial (Lo) de la probeta, como la media aritmética de las lecturas realizada.

- Calcular el diámetro (D) de la probeta:D = (d i + 2*d m + d s) / 4 ( c m )

Donde:di = diámetro inferior ( cm.)dm = diámetro medio (cm.)ds = diámetro superior (cm. )

- Calcular el área (A) de la probeta: A = π*(D/2 ) 2 (c m 2)

- Calcular el volumen (V) : V = A * L o (c m 3)

- Calcular la deformación unitaria (ε) para cada carga: ε

= ∆L / L o

d o n d e : ∆L = variación de altura de probeta (cm)

- Calcular el área corregida ( A c ) para cada carga:A c = A / ( 1 - ε ) (c m 2)

- Calcular el esfuerzo de compresión no confinada (σc) para cada unidad de área, mediante la siguiente expresión:

σc = P/Ac

Donde: P

(kg s / cm 2)

= carga aplicada (kgs.)

- Calcular la resistencia al corte o cohesión (c) del suelo:

c = qu / 2 ( kgs/cm2)d o n d e :

= máximo esfuerzo de compresión no confinada (kgs/ cm 2) q u

- Calcular la sensibilidad (S) del suelo: S = qu inalterado / qu remoldeado

- Graficar a curva deformación unitaria (ε* 1 0 - 2) contra el esfuerzo de compresión para cada aplicación de carga y dibujar el circulo de Mohr. (Figura 3.1.)- Observaciones.

- L a probeta inalterada, debe ser ensayada en la misma dirección en la que se encontraba en el estrato natural.

- L a velocidad de aplicación de carga debe ser tal, que se produzca una deformación de 0,5 a 2% por minuto.

- Debido a numerosos estudios, se ha hecho evidente que este ensayo general realmente no proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte de un suelo cohesivo, debido a la pérdida de la restricción lateral provista por la masa de suelo, las condiciones internas del suelo como el grado de saturación o la presión de poros que no puede controlarse y la fricción en los extremos producidas por las placas de apoyo. Sin embargo, si los resultados se interpretan adecuadamente, reconociendo las deficiencias del ensayo, estos serán razonablemente confiables.

Figura 3.1. Gráfico típico del círculo de Mohr. (Bowles J., 1982).

4. I n t e r p r e t a c i ó n d e l v a l o r d e s e n s i b i l i d a d . Es la relación entre laresistencia a la CNC en estado inalterado y la resistencia a la CNC enestado remoldeado, de una muestra de suelo cohesivo.

Debido a que algunas arcillas al ser remoldeadas y sin variar su humedad

pierden resistencia, en la tabla 3.2. se señala un criterio

de

comportamiento de la arcilla según el grado de sensibilidad.

Comportamiento de la arcilla Rango de variación desensibilidad

Insensible ó que no se ve afectada cuando S < 2se la remoldeaModeradamente sensible 2 < S < 4Sensible 4 < S < 8Muy sensible 8 < S < 1 6Ultrasensible: Estas generalmente se S > 1 6convierten en líquidos viscosos (quick)

F i g u r a 3.2.Tabla de comportamiento de la arcilla según su sensibilidad. Fuente: Valle Rodas R., 1982

ENSAYO TRIAXIAL

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