LABORATORIO: Prueba de Corte Directo

UNIVERSIDAD DE SAN MARTIN DE PORRESLABORATORIO: Prueba de Corte Directo

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ObjetivoTiene por objeto 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. Este ensayo puede realizarse sobre todos los tipos de suelos, con muestras inalteradas y remoldeadas.

Ensayo de Corte DirectoLa finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirn en terreno producto de la aplicacin de una carga. Para conocer una de estas resistencia en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el ms tpico una caja de seccin cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (Ph) creciente que origina el desplazamiento de la mitad mvil de la caja originando el corte de la muestra.El ensayo induce la falla a travs de un plano determinado. Sobre este plano de falla actan dos esfuerzos: - Un esfuerzo normal ( n ), aplicado externamente debido a la carga vertical (Pv). - Un esfuerzo cortante ( ), debido a la aplicacin de la carga horizontal. Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el rea (A) de la muestra o de la caja de corte y deberan satisfacer la ecuacin de Coulomb: = c + n * Tg ( ). Segn esta ecuacin la resistencia al corte depende de la cohesin (c) y la friccin interna del suelo ( ). Al aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo las deformaciones y con estos valores es posible graficar la tensin de corte ( ), en funcin de la deformacin ( ) en el plano de esta tensin de corte. De la grfica es posible tomar el punto mximo de tensin de co rte como la resistencia al corte del suelo. Los valores de se llevan a un grfico en funcin del esfuerzo normal ( n ), obteniendo la recta intrnseca (figura 3.4.), donde va como ordenada y n como abscisa. El ngulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ngulo y el intercepto con el eje , la cohesin c .

Equipo a utilizar en la PrcticaDispositivo de carga.- El dispositivo de carga debe ceirse a lo siguiente. Sostener la probeta con seguridad entre dos piedras porosas colocadas una en cada cara, de tal manera que no se presenten movimientos de torsin sobre ella. Estar provisto de los dispositivos necesarios para: Aplicar una fuerza normal en las caras de la muestra. Determinar los cambios en el espesor de la muestra. Drenar el agua a travs de las piedras porosas. Sumergir la muestra en agua. Ser capaz de aplicar una fuerza de corte para hacer fallar la muestra a lo largo de un determinado plano (corte nico) o de planos (corte doble) paralelos a las caras de la muestra. Los marcos que sostienen la probeta deben ser lo suficientemente rgidos para evitar su deformacin durante el corte. Las diferentes partes del dispositivo deben ser de un material resistente a la corrosin por sustancias contenidas en el suelo o por la humedad del mismo. Piedras porosas.- Las piedras porosas deben ceirse a lo siguiente: Deben ser de carburo de silicio, xido de aluminio o de un metal que no sea susceptible a la corrosin por sustancias contenidas en el suelo o la humedad del mismo. Dependiendo del tipo de suelo que se va a ensayar, las piedras porosas deben tener la calidad adecuada para desarrollar el contacto necesario con la muestra y, adems, deben evitar la intrusin excesiva de partculas de suelo dentro de sus poros. Para ensayos con suelos normales, la calidad de las piedras debe permitir una permeabilidad de 0.5 mm/s a 1 mm/s.Dispositivo para la aplicacin de la fuerza normal. Debe estar capacitado para aplicar rpidamente la fuerza especificada sin excederla y para mantenerla con una variacin mxima de 1 % durante el proceso de ensayo.Dispositivo para la aplicacin de la fuerza de corte.- La capacidad depende ms que todo del tipo de control: con control de deformaciones o con control de esfuerzos. Se prefiere generalmente el primero por la facilidad para determinar, tanto el esfuerzo ltimo, como la carga mxima. El equipo con control de deformaciones debe tener la capacidad para cortar la muestra a una velocidad de desplazamiento uniforme, con una desviacin de 10 % y debe permitir el ajuste de la velocidad de desplazamiento dentro de un rango ms o menos amplio. La velocidad de aplicacin de la carga, depende de las caractersticas de consolidacin del suelo. Se logra usualmente por medio de un motor con caja de transmisin y la fuerza de corte se determina por medio de un indicador de carga. Si se usa el equipo con control de esfuerzos, debe ser capaz de aplicar la fuerza de corte sobre la muestra con incrementos de carga y grado de precisin. Equipo para el corte de la muestra. Debe ser adecuado para tallar la muestra de acuerdo con las dimensiones interiores de la caja de corte con un mnimo de alteracin. Puede necesitarse un soporte exterior para mantener en alineamiento axial una serie de 2 o 3 anillos. Otros.- Balanza. Debe tener una sensibilidad de 0.1 g o 0.1 % del peso de la probeta. Deformmetros o diales. Deben ser adecuados para medir los cambios en el espesor de la muestra con una sensibilidad de 0.002 mm (0.0001") y la deformacin con sensibilidad de 0.02 mm (0.001"). Estufa u Horno de secado. Capaz de mantenerse a 110 5 C (230 9 F) Recipientes para muestras de humedad. Equipo para el remoldeo o compactacin de probetas. Miscelneos. Incluyen: cronmetro, sierra de alambre, esptula, cuchillos, enrasadores, agua destilada y dems elementos necesarios.

MUESTRA PREPARACIN DE LOS ESPECIMENES.- 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.

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 consolidacin y reducir la friccin 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 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.

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. 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.

La fuerza normal que se aplique a cada una de las muestras depende de la informacin requerida. Un solo incremento de ella puede ser apropiado para suelos relativamente firmes. Para los dems suelos pueden ser necesarios varios incrementos con el objeto de prevenir el dao de la muestra. El primer incremento depender 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 consolidacin deben registrarse las lecturas de deformacin 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 consolidacin primaria. El incremento final debe completar la fuerza normal especificada. Se representan grficamente las lecturas de la deformacin normal contra el tiempo. Corte de la muestra. Luego de terminada la consolidacin se deben soltar los marcos separndolos aproximadamente 0.25 mm (0.01"), para permitir el corte de la muestra. Se debe aplicar la fuerza de corte lentamente para permitir la disipacin completa del exceso de presin de poros.Se contina el ensayo hasta que el esfuerzo de corte sea constante, o hasta que se logre una deformacin del 10 % del dimetro 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 mxima estimada. Antes de aplicar un nuevo incremento, se permitir por lo menos un 95 % de consolidacin bajo el incremento anterior. Cuando se ha aplicado del 50 % al 70 % de la fuerza de falla estimada, los nuevos incrementos sern de la mitad del valor de los aplicados hasta ese momento, o sea el 5 % de la mxima 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 deformacin 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 slidos. Otros mtodos para determinar la resistencia al corteEnsayo de corte con veleta (o ensayo del molinete).- La veleta es un aparato que se usa comnmente para obtener la resistencia al corte de arcillas blandas a muy blandas. Debido a su tamao es posible hacer varios ensayos para determinar estadsticamente la resistencia al corte sin drenar ( u ), de muestras SPT hechas a grandes profundidades, donde la toma de muestras produce mayores alteraciones. El ensayo se aplica en depsitos cohesivos blandos donde la perturbacin es crtica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsin. La resistencia al corte sin drenar ( u ) se puede calcular mediante la siguiente expresin: u = 4 * T / * ( 2 * d 2 * h + a * d 3 ) ( kgs/cm 2 )donde: T = t o r s i n a p l i c a d a ( k g s * c m ) d = dimetro de la veleta (5 a 15 cms.) h = longitud de la veleta (10 a 22,5 cms.) a = 2/3 para distribucin final uniforme de los esfuerzos cortantes a = 3/5 para distribucin final parablica de los esfuerzos cortantes a = 1/2 para distribucin final triangular de los esfuerzos cortantes El coeficiente a que aparece en la frmula, tiene por objeto eliminar el supuesto de que la rotura se produce segn un cilindro perfecto circunscrito a las aspas de la veleta. Este coeficiente depende de la relacin d/h y de la naturaleza del terreno, el cual fallar de forma distinta segn sea su tipo.La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsin hasta que se corte el cilindro de suelo contenido entre el permetro de la veleta (Carlson recomienda velocidad angular de 0,1/seg). El valor obtenido debe corregirse ya que las investigaciones sealan que entrega valores demasiado altos. Para corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de u se multiplica por un factor obtenido del grfico y as tenemos el u de diseo. Diversas investigaciones sealan que a cierta profundidad, dependiendo de la calidad del muestreo, existe una coincidencia aceptable entre los valores de resistencia sin drenaje dados por la frmula y la mitad de la resistencia a la compresin simple de muestras inalteradas ensayadas en laboratorio. Para profundidades mayo res la resistencia con veleta es mayor, debido a la dificultad de la toma de muestras.Ensayo de corte simple.- Es una variante del corte directo de laboratorio, en donde a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte sino que se somete a una fuerza que produce una deformacin. En este ensayo, las lneas horizontales son lneas de extensin nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformacin est limitada a una zona muy estrecha prxima a la separacin entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones. En los aparatos de corte simple, se coloca la muestra cilndrica dentro de una membrana de goma, reforzada con un espiral de hilo de constantn (aleacin de cobre y nquel). La muestra se somete a una deformacin de corte simple donde los planos principales de tensiones y deformaciones rotarn en la medida en que cambie el estado de tensiones. Durante el ensayo las tensiones y las deformaciones, sern las mismas sobre cualquier plano horizontal. Adems se elimina el roce con las paredes al aplicar el esfuerzo vertical. Durante la fase de consolidacin, la tensin principal mayor es igual a la presin de consolidacin vertical ( v ) y la tensin principal menor es igual a la tensin horizontal ( h ) que corresponde al valor de h = Ko* v . Debido a un incremento en las tensiones de corte en el plano horizontal, las que provocan una rotacin en la direccin de las tensiones principales y cambio en la magnitud, las condiciones de tensiones son desconocidas y estn limitadas a considerar las tensiones de corte ( x y ) y las tensiones normales ( y ) en el plano horizontal. Se supone que la probeta se rompe cuando la resistencia al corte en este plano alcanza un valor mximo, independiente de que se haya producido una resistencia al corte mayor en otro plano. Ensayo de corte in situ.-Estos ensayos son anlogos a los de corte directo en laboratorio y su aplicacin hoy se extiende tanto a suelos como a rocas. Bsicamente consisten en tallar bloques generalmente dentro de calicatas de reconocimiento, en su base o paredes, lo que induce el plano de falla del bloque. Este tipo de ensayos es de inters en todos aquellos casos en que la toma de muestras o el tallado de stas sea difcil, como sucede en suelos con proporcin importante de piedras, o en suelos residuales, en los que existen con frecuencia trozos de roca semi-descompuesta. El bloque se rodea con un marco metlico, el cual se une al bloque con mortero de cemento. El gato hidralico que aplicar la fuerza horizontal, por lo general, se ancla a las paredes del pozo con hormign. La presin vertical tambin es aplicada con un gato hidrulico.Se deben medir los movimientos de las cuatro esquinas de la cara superior del bloque en direccin vertical como horizontal. Las cargas generalmente se miden con un anillo dinamomtrico o mediante clulas de presin y se aplican en forma similar al ensayo de corte directo convencional, es decir, primero la fuerza vertical de confinamiento y luego la fuerza horizontal, que provoca el esfuerzo cortante. Las dimensiones del bloque oscilan entre 40*40 cm. y 100*100 cm., aunque se han ensayado muestras de hasta 400*400 cm. Una variante del ensayo de corte tpico, es el ensayo con saturacin previa empleado usualmente en obras hidrulicas.Para esto, se aplica agua a presin que disuelve el aire includo en el bloque. En arcillas fisuradas se realiza ensayo de corte in situ sin drenaje con el objeto de ensayar bloques de tamao adecuado, aplicando una carga normal a la muestra (aunque est saturada) para cerrar las fisuras. En este tipo de suelos se ha visto que la resistencia en planos horizontales es menor a la obtenida en muestras de menor tamao en laboratorio, siendo la diferencia de tamao la ca usa principal, lo que se interpreta como que las muestras pequeas vienen de trozos intactos no afectados por las fisuras, por lo tanto presentan una mayor resistencia.CLCULOS.- Calclense los siguientes valores: Contenido inicial de humedad. Peso unitario seco inicial y peso unitario hmedo inicial. Esfuerzos de corte. Relacin de vacos antes y despus de la consolidacin y despus del ensayo de corte, si se desea. Los grados de saturacin inicial y final, si se desea. OBSERVACIONES.- Se deben registrar todos los datos bsicos del ensayo, incluyendo el esfuerzo normal, desplazamiento de corte y los valores correspondientes de la resistencia al corte mximo y residual cuando se indique, as como los cambios de espesor del espcimen. Para cada probeta de ensayo se debe elaborar la curva esfuerzo de corte y deformacin unitaria en un grfico con escalas aritmticas. Debe prepararse, igualmente, un grfico 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 ngulo de friccin y de la cohesin, c. En el mismo grfico anterior podrn incluirse los valores de las resistencias al corte residuales e indicar el ngulo de friccin interna residual; y de la cohesin si la hubiere. Se debe incluir el plan general de procedimiento, as como secuencias especiales de carga o requisitos especiales de humedad.

11Mecnica de Suelos II Facultad de Ingeniera y Arquitectura