Esfuerzo de corte en el suelo
El esfuerzo cortante es una fuerza interna cortante que desarrolla el suelo, en respuesta a una fuerza cortante, y que es tangencial a la superficie sobre la que actúa. En cambio la resistencia al esfuerzo cortante es la tensión que se desarrolla en el plano de corte y en el momento de falla. Para los ingenieros civiles es muy importante comprender la naturaleza de la resistencia al corte para analizar problemas que se puedan presentar. Ensayo de corte directo.
Este Este ensayo ensayo consis consiste te en coloca colocarr el espéc espécime imen n en una caja de corte corte direct directo o (!", (!", aplicando un esfuerzo normal determinado, #umedeciendo o drenando el espécimen de ensayo, o ambas cosas, consolidando el espécimen bajo el esfuerzo normal, soltando los marcos que contiene la muestra y desplazando un marco #orizontalmente respecto al otro otro a una velo veloci cida dad d cons consta tant ntee de defo deform rmac acio ion n y medi medirr la fuer fuerza za de cort cortee y los los desplazamientos #orizontales a medida que la muestra es llevada a la falla. Equipo:
$parato de corte directo. Pisón para compactar el suelo. %alanza Equipo general de laboratorio (esp&tulas, reglas met&licas, capsulas, etc."
Preparación de la muestra:
'. Pasar Pasar la mues muestra tra de de suelo suelo por la mall mallaa )'*. )'*. +. ecar la la muestra muestra al aire, #asta notarlo notarlo uniforme uniformemente mente seco.
-. !espués se forma un espécimen, usando un anillo cortador de las dimensiones apropiadas. . e alistan las dos capas del espécimen cuidadosamente con esp&tula. /. !eber& retirarse el espécimen del anillo. 0. El espécimen deber& quedar bien ajustado al aparato. 1. $ntes de proceder a la realización de la prueba deber& pesarse para obtener pesos espec2ficos y contenido de #umedad. Procedimiento:
'" 3edir las dimensiones de la caja del aparato en que se alojar& el suelo. +" e obtiene la carga muerta del aparato, que ser& el peso del mecanismo de carga, cuando se aplique una carga normal nula. -" e coloca la muestra de suelo en la caja de del aparato. 4a superficie de la muestra deber& nivelarse cuidadosamente con un aditamento apropiado. " e coloca una placa sobre el espécimen y sobre ella se sitúa el mecanismo transmisor de presión normal. /" e aplica la carga normal deseada. 0" e colocan los e5tensómetros para medir las deformaciones, normal y tangencial. 1" e verifica que no #aya contacto entre los marcos fijo y móvil, que contienen al suelo. 6" e inicia el proceso de aplicación de carga tangencial, realizando lecturas de la carga aplicada y de las deformaciones tangencial y normal, a diversos tiempos. 7" i la prueba es de esfuerzo controlado, se tomaran lecturas antes de cada nueva carga8 si es de deformación controlada, las lecturas se #ar&n cada '/ seg. durante los primeros + min. y después de cada 9 mm. de deformación. '*" En la prueba de esfuerzo controlado, el fin de la prueba es la falla del espécimen8 en la deformación controlada, es el desplazamiento correspondiente a la condición de falla o deformación que debe encontrarse entre '/ y +*: del di&metro o la longitud inicial de la muestra. (4ezama, +*'" Cálculos:
a" Esfuerzo cortante sobre el espécimen.
!ónde;
b"
Esfuerzo normal sobre el espécimen.
!ónde;
c"
(catarina"
Ensayo de triaxial.
u principal finalidad es obtener par&metros del suelo y la relación esfuerzo= deformación a través de la determinación del esfuerzo cortante. Es un ensayo complejo, pero la información que entrega es la m&s representativa del esfuerzo cortante que sufre una masa de suelo al ser cargada. onsiste en colocar una muestra cil2ndrica de suelo dentro de una membrana de cauc#o o goma, que se introduce en una c&mara especial y se le aplica una presión igual en todo
sentido y dirección. $lcanzado ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal ó a5ial (
σ 1
", sin modificar la presión lateral aplicada (
σ 3
", #asta que se produzca la
falla. >ealizando por lo menos - pruebas, con presiones laterales diferentes, en un gr&fico se dibujan los c2rculos de 3o#r que representan los esfuerzos de falla de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los par&metros ? y c del suelo. !ependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que este trabajar&, las alternativas para realizar el ensayo ser&n consolidado no drenado. Equipo:
− 3&quina de compresión, provista de un sistema de lectura de cargas y deformaciones de *,*' mm. de precisión. − &mara tria5ial. Equipo compuesto de un pistón, un tubo de cristal o c&mara de presión y cone5iones para producir en la muestra vac2o, presión, saturación o drenaje por medio de v&lvulas de paso (figuras -.''. y -.'+.". − 3embrana de cauc#o o goma. − @n moldeador de muestra o e5pansor de membrana. − %omba de vac2o y fuente de presión. = Aorno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en ''*) B /) . − Aerramientas y accesorios. >ecipientes pl&sticos, cuc#illo de moldeo, equipo compactador Aarvard, placas base, piedras porosas, esp&tula, compactador de muestras y cronómetro.
Procedimiento para muestras remoldeadas:
'" Preparación de muestra de suelo no co#esivo. e acopla la placa base inferior a la base de la c&mara tria5ial y se monta la membrana de cauc#o, utilizando para sellar la unión, bandas de cauc#o o sellos de aro. !entro de la membrana, se coloca la piedra porosa inferior y se instala el moldeador de muestra alrededor de la membrana. i es posible, utilizar un e5pansor de membrana en vez del moldeador para #acer m&s f&cil el proceso.
e deposita cuidadosamente la arena dentro de la membrana, utilizando un compactador, para mantener la forma y densidad de la muestra. @na vez alcanzada la altura de la probeta, se colocan la piedra porosa y la placa base superior, enrollando #acia esta última la parte de membrana que queda fuera del molde, sell&ndola de la misma forma que en la parte inferior. on un pequeCo nivel, se debe verificar que la placa base superior se encuentre totalmente #orizontal. e realizan las cone5iones de las placas base a la base de la c&mara tria5ial y se aplica un vac2o de +** a +/* mm. de mercurio a la muestra. e retira el molde o el e5pansor de membrana y se e5amina que la membrana de cauc#o no pres ente filtraciones, de lo contrario tendr& que prepararse una nueva muestra. Dinalmente, se determinan medidas de altura de la probeta, separadas apro5imadamente cada 7*) y lecturas de di&metro en la parte superior, media e inferior. +" Preparación de una muestra de suelo co#esivo. 4a compactación de las probetas se realiza en los moldes de compactación Aarvard miniatura, siguiendo un procedimiento similar al utilizado en el ensayo Proctor, pero empleando un pisón miniatura. e prepara una muestra que cumpla con la relación 4! (+ F 4! F -" y una vez terminada, con un cuc#illo se escuadran sus e5tremos y se determinan las medidas de altura y di&metro. 4uego se fija la membrana al e5pansor de membrana, dejando una #olgura de B mm. con respecto al di&metro de la probeta y se lubrica suavemente el interior de la membrana para facilitar la colocación de la muestra. e podr& utilizar vaselina de petróleo, polvo de teflón o sólo #umedecer con agua para la lubricación. e acopla la placa base inferior a la base de la c&mara tria5ial y se coloca la piedra porosa. e coloca el conjunto del e5pansor y la membrana de cauc#o sobre la placa y se inserta la muestra dentro de ella. e realiza la fijación inferior, se colocan la piedra porosa y la placa base superior, sellando el e5cedente de membrana #acia la placa y se verifica el nivel de ésta. Dinalmente, se retira el e5pansor de membrana y se realizan las cone5iones de las placas base a la base de la c&mara tria5ial. Para estos suelos no se aplica vac2o para verificar posibles filtraciones. -" $plicación de presiones. e coloca el tubo de cristal sobre la base de la c&mara tria5ial, logrando un sello completamente #ermético y se la lleva a la m&quina de compresión, #aciendo un ligero contacto entre la barra de carga de la m&quina y el pistón de carga de la c&mara.
Posteriormente, se aplica una presión de confinamiento (
σ 3
" predeterminada, por
medio de aire comprimido, abriendo luego la v&lvula de salida o drenaje para verificar que no e5ista presión de aire (que indicar2a que e5isten filtraciones en la muestra por lo que se tendr2a que volver a iniciar". $nte el contacto entre el pistón de la c&mara y la barra de carga de la m&quina al aplicar
σ 3
, el lector de carga #abr& registrado cierta medición, por lo que deber&
llevarse a cero. e ajusta el lector de deformación, se determina la velocidad de carga de la m&quina (*,/ a '+,/ mmmin" y se prende ésta, tomando simult&neamente las lecturas de deformación, tiempo y carga, en las siguiente divisiones del lector de deformación; /, '/, +/, /* y de aqu2 en adelante cada /* o '** divisiones #asta que suceda uno de los siguientes casos;
− la carga aplicada disminuye, − la carga aplicada se mantiene constante por lecturas o − la deformación sobrepasa el +*: de la deformación unitaria previamente calculada. 4uego que falle la muestra, apagar la m&quina, soltar la presión del equipo y remover la muestra, para re alizar + a - ensayos adicionales, con diferente presión (
σ 3
".
Variaciones en el procedimiento según alternativa de ensayo:
En un ensayo tria5ial @@, la v&lvula de drenaje se mantiene cerrada en todo el
ensayo y antes de que la muestra tenga posibilidades de consolidarse. El ensayo comienza inmediatamente aplicada la presión de confinamiento. Este procedimiento no podr& realizarse para un suelo co#esivo '**: saturado. En un ensayo tria5ial @, se mantiene la v&lvula de drenaje abierta al aplicar la presión de confinamiento. $l terminar la consolidación, se cierra la v&lvula y se aplica la presión a5ial (
σ 1
".
En un ensayo tria5ial !, se mantiene la v&lvula de drenaje abierta durante todas las fases del ensayo. 4a presión a5ial deber& ser aplicada a una velocidad m&s baja que las anteriores, de modo de evitar que los resultados se vean afectados por la presión de poros. = En caso de saturar la muestra para ensayarla, una vez aplicada la presión de confinamiento se abre la v&lvula de paso. Este proceso es lento, especialmente en suelos co#esivos, donde es posible aplicar una presión positiva
menor que
σ 3
(ejemplo;
σ 3
+" al recipiente que contiene el agua, de modo
de acelerar la saturación. Cálculos y gráficos:
a" Gbtener densidad, #umedad y grado de saturación de la muestra a ensayar. b" alcular la altura inicial (4o" de la probeta, como la media aritmética de las lecturas realizadas. c" alcular el di&metro (!" de la probeta; ! H (di I + J dm I ds" !ónde;
(cm."
d i H di&metro inferior (cm." dm H di&metro medio (cm." ds H di&metro superior (cm."
d" alcular el &rea ($" y el volumen (<" de la probeta; $ H K J (!+"L
(cmL"
y
< H $ J 4o
(cmM"
e" alcular la deformación unitaria (N" para cada aplicación de carga, mediante la e5presión; NHO44o !ónde;
O 4 H variación de altura de probeta (cm."
f" alcular el &rea corregida ($c" para cada aplicación de carga, mediante la e5presión; $c H $ (' = N"
(cmL"
g" alcular el esfuerzo desviador (c" para cada unidad de &rea, mediante la e5presión; c H P $c !ónde;
P H carga aplicada (Qg."
(QgcmL"
#" Rraficar la deformación unitaria (N J'* = +" contra el esfuerzo desviador para cada presión de confinamiento. i" !ibujar los c2rculos de 3o#r para todos los ensayos sobre un mismo gr&fico y trazar una tangente o envolvente a estos. Gbtener los par&metros ? y c del suelo (figura -.'-.", midiendo la pendiente de la tangente, que corresponder& al &ngulo de fricción interna (?" y el intercepto con la ordenada, que corresponder& a la co#esión (c".
&lculos según diagramas pq. Para cada ensayo calcular el valor de p y q , mediante las siguientes e5presiones; p H (
σ 1
I
σ 3
"+
qH(
σ 1
=
σ 3
"+
El procedimiento consiste en dibujar los puntos (p, q" siendo p la abscisa. 4uego unir los puntos con una l2nea suave (llamada trayectoria de esfuerzos o l2nea S", medir la pendiente (T" y determinar intercepto con la ordenada (a". $plicando principios trigonométricos en la figura -.'., se obtien; para ? ; sen ? H tan T
y
para c ; c H a cos ?
omparar los valores obtenidos (? y c" por medio del gr&fico de diagrama p=q, con los determinados por el método normal. a" Para un suelo no co#esivo, calcular anal2ticamente los valores de ? y c , mediante las siguientes e5presiones;
sen ? H ( σ 1
H
σ 3
σ 1
=
σ 3
"(
σ 1
I
σ 3
"
J tg + (/) I ? +" I + J c J tg (/) I ? +"
b" Para un suelo co#esivo ( ? H*", calcular anal2ticamente el valor de c, mediante la e5presión; σ 1
H
σ 3
!todo con medición de presión de poros.
I +J c
$ través de este método, el que requiere de un equipo adicional medidor de presiones intersticiales que se conecta a la c&mara tria5ial, es posible obtener los par&metros de esfuerzo efectivos (?U y cU" de suelos parcialmente saturados, ya que generalmente cualquier ensayo cortan te, est& referido en términos del esfuerzo total, o sea, incluye tanto los esfuerzos intragranulares como los intersticiales y como es sabido, el esfuerzo cortante dentro de una masa de suelo a la que se le aplica una carga, sólo lo asume el esqueleto granular, ya que el agua no puede asumir esfuerzos apreciables de corte a menos que se encuentre congelada. (icc.ucv"
Ensayo compresión no confnada (CNC). Viene por finalidad, determinar la resistencia a la compresión no confinada (q ", de un cilindro de suelo co#esivo o semi=co#esivo, e indirectamente la resistencia al corte (c", por la e5presión; ᵤ
cHq + ᵤ
(QgcmL"
Este c&lculo se basa en el #ec#o de que el esfuerzo principal menor es cero (ya que al suelo lo rodea sólo la presión atmosférica" y que el &ngulo de fricción interna (?" del suelo se supone cero. Este ensayo es ampliamente utilizado, ya que constituye un método r&pido y económico. onsiste en un ensayo unia5ial, en donde la probeta no tiene soporte lateral (
σ 3
H *", realiz&ndolo en condiciones no drenadas. e podr& 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 pr&cticamente nula utilización. 4as probetas deben cumplir con las siguientes condiciones;
− !i&metro m2nimo -- mm. − VamaCo m&5imo de las part2culas menor que ''* de su di&metro. − >elación altura=di&metro (4!" debe ser lo suficientemente grande para evitar interferencias en los planos potenciales de falla a /) y lo suficientemente corta para evitar que actúe como columna8 para satisfacer ambos criterios, se recomienda una relación 4! comprendida entre + y -. "nstrumentos:
Equipo necesario. 3&quina de compresión, con sistema de lectura de carga de rango bajo. @n dial o lector de deformación, con curso de al menos +*: del largo de la probeta
y precisión de *,*' mm. Aorno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de
mantenerse en ''*) B /) . Aerramientas y accesorios; molde y pisón compactador del equipo Aarvard
miniatura, balanza de '*** grs. de capacidad y *,*' gr. de precisión, cronómetro, esp&tula, pie de metro, membrana impermeable, cuc#illo y recipientes pl&sticos. Procedimiento:
'" Preparación de muestras no perturba das. $ partir de la obtención en terreno de una muestra inalterada de suelo, ya sea mediante molde %> o bien la proveniente de un sondaje, con un cuc#illo o una esp&tula, retirar el total de la parafina sólida que se aplicó para evitar pérdidas de #umedad. 4uego, se corta una muestra preliminar algo m&s grande que el tamaCo deseado para la probeta que se quiera obtener (ejemplo +,/ cm. m&s alta y ',- cm. m&s anc#a" y se escuadran sus e5tremos de modo que queden perpendiculares a su eje y paralelos entre s2. Dinalmente, se talla la probeta de la sección preestablecida y que cumpla con la relación 4!. Esta operación deber& realizarse sin #acer contacto entre las manos y la muestra. +" ompresión de la probeta. Previo a ensayar la probeta, se deben determinar el di&metro, altura, peso y deformación correspondiente al +*: de la deformación unitaria. 4uego, se centra la probeta en el pl ato base de la m&quina, se coloca la placa superior y se ajusta el conjunto de modo de #acer contacto entre el pistón del equipo y la placa. 4os lectores de carga y deformación se fijan en cero y se aplica la carga, tomando simult&neamente las lecturas de deformación, tiempo y carga, de preferencia en las siguientes divisiones del lector de deformación; '*, +/, /*, 1/, '** y de aqu2 en adelante cada /* a '** divisiones, #asta que sucede uno de los siguientes casos;
− la carga aplicada disminuye − la carga aplicada se mantiene constante por lecturas o − la deformación sobre pasa el +*: de la deformación unitaria previamente calculada.
-" Preparación de muestras remoldeadas. 4a probeta recién ensayada se coloca dentro de una membrana pl&stica o de goma, cuidando de no perder nada de material y se amasa con las manos #asta alcanzar el estado m&s remoldeado posible. 4uego se e5trae de la membrana una porción de suelo tal de alcanzar una altura de '/ del alto del molde Aarvard. Esta operación se repetir& #asta llenar el molde. on un e5tractor se retira la probeta escuadrando cuidadosamente los e5tremos para comprimir la muestra como ya fue descrito. Cálculos y gráficos.
a" &lculo de la #umedad (W". En muestras inalteradas, se obtiene desde una muestra representativa de suelo paralela al tallado de la probeta. Para muestras remoldeadas, una vez ensayada esta, se llevar& a #orno + #oras. b" alcular la altura inicial (4o" de la probeta, como la media aritmética de las lecturas realizadas. c" alcular el di&metro(!" de la probeta; ! H (di I + J dm I ds" !ónde;
(cm."
di H di&metro inferior (cm." dm H di&metro medio (cm." ds H di&metro superior (cm."
d" alcular el &rea ($" de la probeta; $ H K J (!+" +
(cmL"
< H $J 4 o
(cmM"
e" alcular el volumen (<";
f" alcular la deformación unitaria (N" para cada carga; N H O4 4o !ónde;
O4 H variación de altura de probeta (cm."
g" alcular el &rea corregida ($c" para cada carga;
$c H $ (' = N"
(cmL"
#" alcular el esfuerzo de compresión no confinada (c" para cada unidad de &rea, mediante la siguiente e5presión; c H P $c !ónde;
(QgcmL"
P H carga aplicada (Qg."
i" alcular la resistencia al corte o co#esión (c" del suelo; cHq + ᵤ
!ónde;
(QgcmL"
q H m&5imo esfuerzo de compresión no confinada (QgcmL" ᵤ
j" alcular la sensibilidad (" del suelo; H q inalterado q remoldeado ᵤ
ᵤ
Q" Rraficar la curva deformación unitaria (N J'* = +" contra el esfuerzo de compresión, para cada aplicación de carga y dibujar el c2rculo de 3o#r del ensayo (figura -.'.".
(icc.ucv"
Ensayo de la veleta.
4a veleta es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el par&metro de resistencia al corte no drenado c de un suelo, tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el transporte una muestra de suelo. En el caso de ᵤ
suelos compuestos de limo y arcilla en especial los de alta sensibilidad, el efecto de las alteraciones durante el ensayo pueden ser bastante considerables en lo que respecta a la confiabilidad de los resultados medidos en el laboratorio, por lo cual este instrumento proporciona información bastante apro5imada.
El ensayo con la veleta de corte es ideal para el caso de suelos compuestos de arcillas saturadas sin fisuras y limos saturados. o es tan confiable para suelos fisurados o secuencias de microestratos. %&sicamente el e5tremo inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas en el e5tremo de una barra de acero. !espués de #incar la veleta en el suelo, se #ace girar aplicando un par de torsiones en el e5tremo libre de la varilla. e gira primero la veleta entre 0 y '+) por minuto para determinar el par&metro de resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia remoldeada #aciendo girar con rapidez la veleta. 4a superficie afectada constituye el per2metro y los e5tremos de un cilindro. El par&metro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se tendr& la e5presión;
!ónde; c H Par&metro de resistencia al corte no drenada. ᵤ
V H 3omento torsor de la veleta.
# H $ltura de las aspas de la veleta. ! H !i&metro de la circunferencia que genera la veleta al girar.
(XREXE>G X
#i$liograf%a. catarina. (s.f.". catarina. >ecuperado el '6 de Yunio de +*'0, de #ttp;catarina.udlap.m5uZdlZatalesdocumentoslicpatinoZrZcacapitulo-.pdf icc.ucv. (s.f.". icc.ucv. >ecuperado el '6 de Yunio de +*'0, de #ttp;icc.ucv.clgeotecnia*-Zdocencia*+ZlaboratoriomanualZlaboratoriocompresionZnoZ confinada.pdf icc.ucv. (s.f.". icc.ucv. >ecuperado el '6 de Yunio de +*'0, de #ttp;icc.ucv.clgeotecnia*-Zdocencia*+ZlaboratoriomanualZlaboratoriotria5ial.pdf XREXE>G Xecuperado el '6 de Yunio de +*'0, de #ttp;WWW.ingenierocivilinfo.com+*''*-ensayo=de=la=veleta=determinar.#tml 4ezama, V. E. ('/ de Enero de +*'". RESISTENCIA A ESFUERZO CORTANTE .
