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Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Ambiental

MECÁNICA DE SUELOS II Ensayo de laboratorio Corte directo .

I.

DATOS GENERALES a. Nombre de la Asignatura : Mecánica de suelos II b. Escuela: Ingeniería Civil Ambiental c. Ciclo de Estudios VI d. Ciclo Académico: 2018-II e. Estudiantes: 

Chuzón Calvay, Nathaly Geraldine



Fernandez Montenegro Dacner



Gonzales Tullume Leydi



Vargas Hernandez Ezequiel

Tabla de contenido I. INTRODUCCIÓN

3

II. OBJETIVOS

4

OBJETIVOS GENERALES

4

OBJETIVOS ESPECIFICOS

4

III.Ensayo de Corte Directo.

5

III. Ecuación de falla de corte de Mohr-Coulomb.

5

IV. El Equipo el procedimiento y el Tipo de Ensayo.

7

4.1. Equipo utilizado - procedimiento de prueba.

7

VI. CORTE DIRECTO IN SITU

9

6.1. Aplicación.

9

6.2. Desventajas.

9

6.3. Ventajas.

10

VII. Ensayo de Corte Directo.

11

VIII. CÁLCULO Y RESULTADOS.

15

I. INTRODUCCIÓN Este ensayo impone sobre un suelo condiciones idealizadas, o sea indica la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas, una normal por una carga vertical aplicada y un esfuerzo cortante debido a la acción de una carga horizontal. Como el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal tienen el mismo significado en la construcción del Círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones para c y tan(), es posible dibujar en un plano de ejes coordenados estos valores para los diferentes ensayos y proponer promedio del valor de la cohesión en el corte en Y y f por la pendiente de esta recta. En este ensayo también se puede obtener los parámetros de resistencia residual CR y R. Normalmente el ensayo se realiza sobre tres probetas de un mismo suelo, sometida cada una de ellas a una presión normal diferente, obteniéndose la relación entre la tensión tangencial de rotura y la tensión normal aplicada.

II. OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES  Determinar la resistencia al corte de una muestra de suelo por el método del ensayo de corte directo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS  Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación,

para unas determinadas cargas aplicadas a dicha muestra.  Encontrar los valores máximos de los esfuerzos cortantes para las

diferentes

cargas

aplicadas.

 Obtener la gráfica de esfuerzo normal contra cortantes máximos.

 Obtener los parámetros 𝜑(ángulo de rozamiento) y c (cohesión),

correspondientes al suelo que se está ensayando.

III.Ensayo de Corte Directo. El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del ensayo. O sea, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos): un esfuerzo normal debido a una carga vertical (Pv) aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal (Ph). Estos esfuerzos se calculan simplemente como: σ n = Pv /A

t f = Ph /A

Donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se corrige para tener en cuenta el cambio de área causada por el desplazamiento lateral de la muestra (Ph). La relación entre los esfuerzos de corte de falla (t f) y los esfuerzos normales (σ n) en suelos, se muestra en la figura 5.21 y puede representarse por la ecuación siguiente: t f = c + σ n * tg Φ

f 3

3

f C + n x tg  f 2 f 1

2

1

Φ C N1/L2

n



Relación entre los esfuerzos de corte máximo y los esfuerzos normales.



La línea recta obtenida se conoce como Envolvente de falla.

III. Ecuación de falla de corte de Mohr-Coulomb. En 1776 Coulomb observó que si el empuje que produce un suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. El postuló que la máxima resistencia al corte,  en el plano de falla está dada por:

 = c +  x tan  Donde:

: es el esfuerzo normal total en el plano de falla : es el ángulo de fricción del suelo c: es la cohesión del suelo La utilización de la ecuación de Coulomb no condujo siempre a diseños satisfactorios de estructuras de suelo. La razón para ello no se hizo evidente hasta que Terzaghi publicó el principio de esfuerzos efectivos.

 = ´+ u Donde u = presión intersticial ´= esfuerzo efectivo Pudo apreciarse entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes substanciales, la resistencia al corte de un suelo debe ser el resultado únicamente de la resistencia a la fricción que se produce en los puntos de contacto entre partículas; la magnitud de ésta depende solo de la magnitud de los esfuerzos efectivos que soporta el esqueleto de suelo. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte en dicho plano. Entonces, si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos, se tiene:

 = c´ + ´x tan ´ En la cual los parámetros c´ y j´ son propiedad del esqueleto de suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente. Puesto que la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos en el suelo, los análisis de estabilidad se harán entonces, en términos de esfuerzos efectivos. Sin embargo, en ciertas circunstancias el análisis puede hacerse en términos de esfuerzos totales y por tanto, en general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales. Es decir, los valores de c´, ’ ; c, . Estos se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo representativas mediante el ensayo de corte directo (ASTM D-3080-72).

IV. El Equipo el procedimiento y el Tipo de Ensayo. 4.1. Equipo utilizado - procedimiento de prueba. Dispositivo de Corte; su funcionamiento se basa en sujetar el espécimen firmemente entre dos piedras porosas, de modo tal que no se pueda aplicar un torque al espécimen. El dispositivo de corte deberá suministrar medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras del espécimen, para medir cambio en el espesor del espécimen, para permitir el drenaje de agua a través de piedras porosas, y para sumergir al espécimen en agua. El dispositivo deberá ser capaz de aplicar una fuerza tangencial para cortar el espécimen a lo largo de un plano de corte predeterminado (corte simple) o planos de corte (corte doble) paralelos a las caras del espécimen. Los pórticos que sujetan al espécimen deberán ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el corte. Las diferentes partes del dispositivo de corte deberán ser hechas de un material no sujeto a corrosión por sustancias dentro del suelo o la humedad del suelo.

Máquina manual para realizar el ensayo de corte directo:

Acercamiento del dial de lectura de la máquina:

Máquina automática para realizar el ensayo de corte directo:

Indicador de deformación; para medir el cambio en el espesor del espécimen de ensayo, con una sensibilidad de 0.0001 pulgadas y para medir desplazamiento con una sensibilidad de 0.001 pulgadas. El procedimiento utilizado es para suelo no cohesivo: Se ensambla la caja de corte con los pórticos de carga alineados y fijos en posición. Una ligera capa de grasa entre los pórticos asegurará la estanquidad durante la consolidación y reducirá la fricción durante el corte se determina el espesor inicial del espécimen. Se consolida cada espécimen de ensayo bajo la apropiada fuerza normal, tan pronto como sea posible después de aplicar la fuerza normal inicial se llena el reservorio de agua hasta un punto por encima de la parte superior del espécimen. Mantenemos este nivel de agua durante la consolidación y las fases subsecuentes de corte, de modo tal que en todo momento el espécimen esté efectivamente sumergido, hacemos que el espécimen drene y consolide bajo una fuerza normal deseada o incrementos de esta antes del corte. Durante el proceso de consolidación se registra las lecturas del desplazamiento normal antes de cada incremento de fuerza normal sea aplicado a tiempos apropiados. El incremento final deberá ser igual a la fuerza normal previamente desarrollada y deberá producir el esfuerzo normal especificado. Después que la consolidación está completa, abra los pórticos y sepárelos ligeramente (aprox. 0.01 pulg.) de modo tal que el espécimen pueda ser cortado. Se aplica la fuerza de corte

y se procede a cortar al espécimen lentamente, para asegurar la disipación completa del exceso de presión de poros. Es un ensayo de desplazamiento controlado, la velocidad del desplazamiento puede ser determinada aproximadamente dividiendo la deformación estimada de corte al máximo esfuerzo de corte por el tiempo calculado de falla. El ensayo se continúa hasta que el esfuerzo de corte se haga esencialmente constante o hasta que la deformación de corte del 10% del diámetro original haya sido alcanzada. Al final del ensayo, se retira íntegro del espécimen da la caja de corte, y se seca en el horno y posteriormente se pesa para determinar la masa de sólidos.

VI. CORTE DIRECTO IN SITU 6.1. Aplicación. Su empleo más típico es la determinación de la resistencia al corte de diaclasas o planos de debilidad de macizos rocosos. Comentarios (ventajas y desventajas)

6.2. Desventajas. En el caso de suelos o rocas blandas, puede ocurrir que la carga vertical esté relativamente próxima al valor límite de hundimiento. En estas circunstancias, la rotura no se produce por deslizamiento a lo largo del plano de la base, sino por fallo en la zona inferior, como una zapata con carga inclinada, y como tal debe interpretarse.

La velocidad del ensayo debe ser la estipulada, ya que si es muy rápida en ensayos drenados, la presión de poros no es capaz de disiparse. Es fundamental que en ensayos consolidados, esta se realice completamente. Deben hacerse con especial cuidado las lecturas de los comparadores (diales) y de las fuerzas tangenciales aplicadas, al igual que el trazado de las curvas. La ventaja de este tipo de ensayos es la simplicidad y velocidad de avance para suelos no cohesivos. Es conveniente recordar que el propósito de efectuar ensayos de corte en el laboratorio es reproducir las situaciones del terreno, pero como las condiciones in situ están en etapa de investigación, el mejor ensayo de laboratorio será aquel en que mejor se entiendan y controlen las condiciones de fatiga y deformación tal como ocurre en un ensayo triaxial. Las muestras de suelos cohesivos, se deben moldear (en lo posible) dentro de una cámara húmeda. En arcillas muy blandas, el separar las mitades de la caja de corte se realizará cuidadosamente porque el material podría ser extruído fuera de la caja por la zona de separación, en estos casos se deben utilizar cargas verticales pequeñas. El área de la muestra cambia a medida que el ensayo progresa. Esto no es sea demasiado significativo, cuando las muestras fallan a deformaciones muy bajas, Cuando se diseñó la caja de corte, se supuso que la superficie de falla real sería plana y que el esfuerzo cortante tendría una distribución uniforme a lo largo de esta, sin embargo, con el tiempo se estableció que estas suposiciones no siempre son válidas Al emplear en el ensayo una muestra muy pequeña, los errores de preparación son relativamente importantes.

6.3. Ventajas. Ensayo de corte in situ. Estos ensayos son análogos a los de corte directo en laboratorio y su aplicación hoy se extiende tanto a suelos como a rocas. Básicamente 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 interés en todos aquellos casos en que la toma de muestras o el tallado de éstas sean difícil, como sucede en suelos con proporción importante de piedras, o en suelos residuales, en los que existen con frecuencia trozos de roca semidescompuesta. El bloque se rodea con un marco metálico, el cual se une al bloque con mortero de cemento. El gato hidráulico que aplicará la fuerza horizontal, por lo general, se ancla a las paredes del pozo con hormigón. La presión vertical también es aplicada con un gato hidráulico.

VII. PROCEDIMIENTO. Se extrajeron 1 muestra inalterada a una profundidad de 1.6 m, la cual se encontró el nivel freático a una profundidad de 2.75 m dando como resultado una muestra de clasificación de acuerdo al SUCS “CL”. Estratos:  

Relleno: Su altura del relleno fue de 14.5 cm. Muestra 1: Su altura de la muestra fue a 1.6 m

a. Laboratorio

1. Primero, cortamos una porción de muestra inalterada con la cierra y luego se introduce el muestreador en dicha muestra, para obtener un volumen de ésta en la caja de corte:

2. Luego, se corta el exceso de muestra de los bordes y luego se enrasa la superficie manualmente con una espátula hasta que quede liso.

3. A continuación, ya en la caja de corte directo, en la parte inferior, se coloca la base ranurada, posteriormente la piedra porosa y encima de ella el papel filtro.

4. En la parte superior de la caja de corte directo se coloca el muestreador con la muestra, bien alineados, con la ayuda del compactador se traspasa la muestra a la caja de corte directo.

5. Después de haber traspasado la muestra en la caja de corte directo, en la parte superior se coloca papel filtro y encima de ella el metal poroso, para posteriormente colocar la placa de transferencia (tapa del molde).

6. Siguiendo con el proceso, se coloca la caja de corte ya preparada con la muestra en el equipo de corte directo, para continuar con el ensayo.

Caja de Corte Anillo Corte Dial

Cargas (1,2 y 4kg)

El equipo, desarrolla la presión normal por carga muerta a través de un brazo de palanca que amplifica la carga de las pesas por diez. Para continuar con el ensayo se debe seguir el siguiente procedimiento:

a. Colocar el brazo en posición horizontal con ayuda del nivel de burbuja. Para que no se incline al colocar las pesas, ajustar la manivela al tope, cuidando siempre mantener la horizontalidad del brazo. b. Una vez seguro poner las pesas que generarán la presión normal del ensayo, que generalmente es 0,5 Kg/cm2, 1,0 Kg/cm2 o 1,5 Kg/cm2. Para este modelo de equipo la carga que se coloca en el extremo equivale la décima parte de la fuerza aplicada sobre el área (36 cm2) de la celda de corte.

Este mismo procedimiento se repite dos veces más de la misma muestra inalterada, para así obtener los resultados deseados con las cargas de 2 y 4 kg.

7. El procedimiento para evaluar los esfuerzos en el equipo fueron:  El instrumento de medición de la fuerza de cizalladura: Un anillo de carga o celda de carga con precisión de 2.5 N (0.25 Kg) o 1% de la fuerza de cizalladura en condiciones de ruptura, lo que sea mayor.

 Caja de cizalladura: Una caja o marco metálico que suministra la reacción contra la que se apoya la mitad de esta caja, o una base sólida que permite la alineación en su mitad para que permanezca libre en dirección de la fuerza aplicada en un plano horizontal.

a. Cuarto de humedad controlada: Se requiere, para preparar las muestras de modo que las variaciones de humedad sean minimizadas durante su preparación.

b. Anillo de corte, para recortar las muestras de tamaño mayor a las dimensiones internas de la caja de cizalladura con un mínimo de alteración. Puede necesitarse una plantilla o moruna mordaza exterior para mantener el alineamiento de la muestra con la caja de cizalladura.

c. Indicadores de deformación: Calibradores de carátula o transductores de desplazamiento capaces de medir el cambio de espesor de la muestra con una sensibilidad de por lo menos 0.002 mm y medir desplazamientos horizontales con una sensibilidad de por lo menos 0.02 mm.

d. Equipo para la determinación del contenido de agua, de acuerdo con las especificaciones de la norma D2216.

e. Equipo para remoldear y compactar las muestras, si es necesario.

f. Equipo misceláneo que incluye un cronometro, con un segundero, agua destilada o desmineralizada, espátulas, cuchillos, enrasadores, sierras de alambre, etc. utilizados para la preparación de la muestra.

VIII. CÁLCULO Y RESULTADOS.

C-17 NUMERO DE ENSAYO Calicata:

Muestra:

1

Esfuerzo Normal

2

Número del tallador

3

Peso del tallador

4

Lado o Diametro del tallador

5

Altura del tallador (muestra de ensayo)

6

Área del tallador

7

Volumen del tallador

8

Peso del tallador + muestra hum. Natural

9

Número de Tara

10

Peso de tara + muestra saturada

11

Peso de tara + muestra seca

12

Peso de la tara

13

Gravedad de sólidos

14

Relación de Vacios

15

Grado de Saturación

16

Contenido de humedad Natural

17 18

Contenido de humedad Saturado Peso volumétrico humedo

19

Peso volumétrico seco Ao

0.396628500

M-1

Profundidad

0,0 a 1,00 m Estado ENSAYO Nº 01 0.50 Kg/cm2 2 144.49 g. 25.00 cm 2.00 cm 34.92 cm2 69.85 cm3 246.83 g. 30 131.26 g. 95.60 g. 12.04 g. 2.60 g/cm3 1.17 % 49.80 % 22.47 % 42.68 % 1.465 1.196

A1

1.14488

g/cm3

1.465

INALTERADO Velocidad ENSAYO Nº 02 1.00 Kg/cm2 2 140.46 g. 25.00 cm 2.00 cm 34.92 cm2 69.85 cm3 250.39 g. 25 130.60 g. 100.20 g. 12.06 g. 2.60 g/cm3 1.06 % 60.61 % 24.72 % 34.49 % 1.574 1.262

g/cm3

0.25 mm/min ENSAYO Nº 03 1.50 Kg/cm2 2 152.01 g. 25.00 cm 2.00 cm 34.92 cm2 69.85 cm3 245.20 g. 21 127.09 g. 85.20 g. 12.03 g. 2.60 g/cm3 1.48 % 48.00 % 27.36 % 57.25 % 1.334 1.048 g/cm3

ENSAYO Nº 01 Dial

Dial

Deforma.

Corte

Fuerza

%

cortante Deforma.

ENSAYO Nº 02

ENSAYO Nº 03

Esfuerzo

Dial

Dial

Fuerza

%

Esfuerzo

Dial

Dial

Fuerza

%

Esfuerzo

cortante

Deforma.

Corte

cortante

Deforma.

cortante

Horiz.

Corte

cortante

Deforma.

cortante

mm.

in.

Kg.

mm.

Kg/cm2

mm.

in.

Kg.

mm.

Kg/cm2

mm.

in.

Kg.

mm.

Kg/cm2

0.00 0.25 0.50 0.88 1.25 1.88 2.50 3.13 3.75 4.38 5.00 6.25 7.50 8.75 10.00 11.25 12.50 13.75 15.00 16.25 17.50 18.75 20.00 21.25 22.50 23.75 25.00 27.50 30.00

0.00 7.00 9.00 10.00 11.00 12.00 14.00 15.00 16.00 17.00 17.00 18.00 18.00 19.00 19.00 20.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 24.00 25.00 25.00 25.00 25.00 25.00 25.00 25.00

0.0 3.9 4.7 5.1 5.5 5.9 6.7 7.1 7.5 7.9 7.9 8.3 8.3 8.7 8.7 9.1 9.1 9.5 9.9 10.3 10.7 10.7 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1 11.1

0.00 0.10 0.20 0.35 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 11.00 12.00

0 0.112 0.135 0.146 0.158 0.169 0.192 0.203 0.215 0.226 0.226 0.237 0.237 0.249 0.249 0.260 0.260 0.271 0.283 0.294 0.305 0.305 0.317 0.317 0.317 0.317 0.317 0.317 0.317

0.00 0.25 0.50 0.88 1.25 1.88 2.50 3.13 3.75 4.38 5.00 6.25 7.50 8.75 10.00 11.25 12.50 13.75 15.00 16.25 17.50 18.75 20.00 21.25 22.50 23.75 25.00 27.50 30.00

0.00 7.00 10.00 13.00 16.00 19.00 22.00 25.00 27.00 29.00 29.00 30.00 32.00 33.00 34.00 35.00 35.00 36.00 36.00 37.00 37.00 37.00 38.00 38.00 39.00 39.00 40.00 40.00 40.00

0.0 3.9 5.1 6.3 7.5 8.7 9.9 11.1 11.9 12.6 12.6 13.0 13.8 14.2 14.6 15.0 15.0 15.4 15.4 15.8 15.8 15.8 16.2 16.2 16.6 16.6 17.0 17.0 17.0

0.00 0.10 0.20 0.35 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 11.00 12.00

0 0.112 0.146 0.180 0.215 0.249 0.283 0.317 0.339 0.362 0.362 0.374 0.396 0.408 0.419 0.430 0.430 0.442 0.442 0.453 0.453 0.453 0.464 0.464 0.476 0.476 0.487 0.487 0.487

0.00 0.25 0.50 0.88 1.25 1.88 2.50 3.13 3.75 4.38 5.00 6.25 7.50 8.75 10.00 11.25 12.50 13.75 15.00 16.25 17.50 18.75 20.00 21.25 22.50 23.75 25.00 27.50 30.00

0.00 4.00 9.00 17.00 26.00 31.00 39.00 43.00 46.00 50.00 51.00 53.00 53.00 58.00 60.00 60.00 61.00 62.00 62.00 63.00 63.00 63.00 63.00 64.00 64.00 64.00 64.00 64.00 64.00

0 2.73 4.71 7.89 11.46 13.44 16.61 18.20 19.39 20.98 21.37 22.17 22.17 24.15 24.94 24.94 25.34 25.74 25.74 26.13 26.13 26.13 26.13 26.53 26.53 26.53 26.53 26.53 26.53

0.00 0.10 0.20 0.35 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 11.00 12.00

0 0.078 0.135 0.226 0.328 0.385 0.476 0.521 0.555 0.601 0.612 0.635 0.635 0.692 0.714 0.714 0.726 0.737 0.737 0.748 0.748 0.748 0.748 0.760 0.760 0.760 0.760 0.760 0.760

Esfuerzo de Corte:

0.317 kg/ cm2 0.317

Esfuerzo de Corte:

0.487 0.487

kg/ cm2

Esfuerzo de Corte:

0.760 kg/ cm2 0.760

CURVA DE RESISTENCIA