Dr. Jorge E. Alva Hurtado, PhD
ENSAYOS DE RESISTENCIA CORTANTE
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
SECCIÓN DE POSTGRADO
www.jorgealvahurtado.com
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE Y DE LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA
Ensayos de laboratorio
Corte directo Compresión triaxial Compresión no confinada Consolidación isotrópica
Ensayos “in situ”
Aparato de Veleta de Corte Ensayo de Penetración Estándar (SPT) Ensayo de Penetración con Cono Holandés (CPT) Ensayo de Carga Directa Ensayo de Corte Directo Insitu
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Objetivo: Medir la resistencia cortante de suelos granulares
Equipo: Se utiliza el aparato para Corte Directo (caja partida un fija y la otra se puede mover horizontalmente con una fuerza horizontal aplicada)
Procedimiento del Ensayo: - Colocar el especimen al interior de la caja - Aplicar esfuerzo vertical - Aplicar esfuerzo horizontal hasta la falla
A N
= σ
A
F = τ
Esquema del Aparato de Corte Directo
Envolvente de falla para una arena seca ensayada en corte directo
τ φ
σ
φ
σ
τ
C
Envolvente de falla para una arcilla dura ensayada en corte directo
Muestra de Suelo
Piston de carga
Detalles del Ensayo y la Caja de Corte Directo
Pυ
Juego de tornillos para fijar en posición la cabeza de carga
Deformimetro para medir el desplazamiento lateral
Espacio ligeramente mayor que el tamaño de la máxima partícula en la muestra
Bordes estriados para retener la muestra
Juego de tornillos para separar las partes de la caja de corte. Retrocederlos después de ajustar los tornillos contra el pistón o bloque de carga
Pasadores de alineación asegurarse de removerlos antes de aplicar la carga horizontal
Deformimetro para medir desplazamientos verticales y observar la consolidación en ensayos “consolidados”
Muestra de
Suelo
CARGA NORMAL: Se aplica por un mecanismo de suspensión y palanca
Tornillos separadores
CARGA CORTANTE: Se mide con un anillo de carga o celda de carga
Placas acanaladas para ayudar a una mejor distribución del esfuerzo cortante (perforadas en las pruebas drenadas
CAJA DE CORTE DIRECTO
Piedras porosas (en pruebas drenadas)
CAJA CORTANTE: Se aplica con un gato de tornillo
Tornillos que mantienen unidas las dos mitades de la caja de corte
Ensayo de corte Directo: ASTM D3080
Equipo mecánico. Se usa en suelos granulares
Equipo de Corte Directo para Suelos Granulares
Totalmente electrónico. Permite mayores deformaciones. Se usa en suelos finos
Equipo de Corte Directo Residual
Resistencia Residual : Anillo de Corte Directo
σn
Muestra para prueba rápida de corte Bishop et al, 1964 Bromhead , 1979
Deformación tangencial (%)
Esfu
erzo
tang
enci
al (k
g/cm
2 )
6
4
2
0
Resistencia máxima
Resistencia residual
0 2 4 6
Prueba de corte directo con drenaje de la lutita de Cucaracha (Margen del Canal de Panamá, 1947)
σ = constante
Máximo s.c.
Máximo n.c.
Esfu
erzo
tang
enci
al
Desplazamiento 0
Residual
c φ fin
0 σ
Residual
Máximo n.c.
Máximo s.c.
Esfuerzo efectivo sobre el plano de corte
n.c.
s.c.
Desplazamiento
Hum
edad
Relación entre las resistencias máxima y residual
Cuarzo
Arenas
40° 30°
20°
10°
0 20 40 60 80 100
Selset
Wiener Tegel
Jackfield Jari
Arcilla de Londres
Arcilla de Oxford
Weser-Elba
Walton’s Wood
Pequeño Belt
(orientación aleatoria)
Cuarzo
Fracción arcillosa ( < 2 µ) (%)
φ fim
Clorita
Talco Biotita
φµ
Relación entre φfim y el porcentaje de arcilla (Según Skempton, 1964)
ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE
ENSAYO DE CORTE TRIAXIAL
EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO UU (NO CONSOLIDADO-NO DRENADO)
a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO RÁPIDAMENTE SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA
τff = Su insitu
b) PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUÍDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLA
c) ZAPATA CONTÍNUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLA
τff = Su del núcleo de arcilla compactada
de la fórmula de capacidad de carga de Terzaghi con φ = 0 qu = 5.7 Su + γt D
B
D
qu
τff
τff
a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA
τff = Sd resistencia cortante drenada insitu
b) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTE
τff
τff = Sd del núcleo de arcilla
c) ZAPATA CONTÍNUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LA CONSTRUCCIÓN
donde Nc, Nγ y Nq son función de φ
B
qu
EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD (CONSOLIDADO - DRENADO)
τff
D
qu DNNBNccq γγ γ ++=21
a) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL
τff = Su insitu después de consolidación bajo capa 1
b) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEO
c) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURAL
τff
τff = Su del núcleo correspondiente a consolidación bajo infiltración constante antes del desembalse
τff = Su insitu de arcilla en el talud natural antes de construcción
τff
τff
EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU (CONSOLIDADO - NO DRENADO)
2
1
ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA
P P,
P P,
ARCILLA SOBRECONSOLIDADA
b b
RESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA
= +
2° ETAPA 1° ETAPA
σ3
σ3
σ3
σ3 σd σ1
σ1 = σ3 + σd
σd = σ1 − σ3
ENSAYO TRIAXIAL
Objetivo: Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos en diferentes condiciones de carga y drenaje.
u
σ1 = σ1 − u
σ3 = σ3 − u
- Ensayo No Consolidado - No drenado (UU) Construcción rápida en arcillas blandas Análisis al final de la construcción de presas de tierra
Tipos de Ensayos Triaxiales
- Ensayo Consolidado - Drenado (CD) Construcción en arenas. Construcción lenta en arcillas. Análisis en el estado de infiltración constante de presas de tierra.
- Ensayo Consolidado - No Drenado (CU) Construcción rápida sobre arcillas sobreconsolidadas. Análisis de desembalse rápido de presas de tierra.
Lucite chamber
Chamber fluid
Porous stone
Valve
Porous stone
Ruber membrane Soil specimen
Base plate
To drainage and/or Pore water pressure device
Schematic diagram of triaxial test equipment
(a)
Shear Stress
Normal Stress
Consolidated – Drained test (b)
Resistencia Cortante
c
σ1
φ
σ3 σ1 σ3
Piston
σ3 σ3 σ1 σ1
ccu Normal Stress σ
Shear Stress
Total Failure envelope
φcu
σ3 σ3 σ1
c Normal Stress σ
Shear stress
Effective stress Failure envelope
Consolidated – Undrained test (c)
Shear Stress
Normal Stress
S=CCU
σ1 σ3 σ1 σ3
Total stress Failure envelope (φ=0)
Unconsolidated – Undrained test (d)
φ
σ1
a
q
Q = a + b tgα
α
P
Sen φ = tg α a cos φ c =
ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN-SITU
TALLADO DE ESPECÍMENES PARA REALIZACIÓN DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN SITU
ENCOFRADO DE ESPECIMEN CON LA FINALIDAD DE LOGRAR LA HOMOGENEIDAD DE LAS PAREDES MEDIANTE EL VACIADO DE UNA MEZCLA DE CEMENTO CON YESO
EJECUCIÓN DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN EL ESPÉCIMEN 1 CON UNA CARGA NORMAL DE 0.5 kg/cm2
ENSAYO DE CORTE DIRECTO EN ESPÉCIMEN 2. SE APRECIAN LAS CELDAS DE CARGA NORMAL Y TANGENCIAL, ASÍ COMO LOS DEFORMÍMETROS
EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y GATAS HIDRÁULICAS UTILIZADAS PARA LA APLICACIÓN DE LA FUERZA TANGENCIAL Y NORMAL
c = 0.27 kg/cm2
φ = 43.5 º
ENSAYOS DE CARGA IN SITU
ENSAYO DE CARGA IN-SITU
INSTALACIÓN DE LA PLACA
INSTALACIÓN DE LOS SOPORTES PARA LOS EXTENSÓMETROS Y LA CELDA DE CARGA
ENSAYO DE PLACA
EQUIPO DE ADQUISICIÓN DE DATOS
ENSAYO DE CARGA DIRECTA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ASENTAMIENTO (mm)
CA
RG
A (K
g/cm
2 )
PARAMETROS DE RESISTENCIA
Tìpos de ángulo de fricción a utilizar en diversos problemas prácticos
Problema Angulo de fricción Depende de
Resistencia interna de la arena para pequeñas deformaciones
Angulo de fricción máximo φ Composición del suelo; relación de vacíos inicial; esfuerzo de confinamiento inicial
Resistencia interna de las arenas para grandes deformaciones
Angulo de fricción residual φcν
Composición del suelo; relación de vacíos en el estado residual
Deslizamiento de la arena sobre una superficie lisa
Angulo de fricción entre partículas φµ
Naturaleza de los minerales del suelo y de su estado superficial
Deslizamiento de la arena sobre una superficie rugosa
Angulo de fricción residual φcν Composición del suelo; relación de vacíos en el estado residual
SUELO GRANULAR
Relación entre el ángulo de fricción y la porosidad inicial para diversos suelos granulares
50
45
40
35
30
25 25 30 35 40 45
Ang
ulo
de fr
icci
ón φ
(gra
dos)
Porosidad inicial (%)
Relación de vacíos inicial
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0
10 20
30 40
50 60 70 80
28 32 36 40 44
Pene
traci
ón e
stán
dar
(gol
pes/
30 c
m)
φ (grados)
Muy suelta
Suelta
Media Compacta
Muy compacta
Correlación entre el ángulo de fricción y la resistencia a la penetración (Según Peck, Hanson y Thornburn, 1953)
Resumen de datos sobre ángulos de fricción para su utilización en anteproyectos
Ángulos de fricción Para la resistencia máxima
Angulo de talud natural
Para la resistencia residual Compacidad Media Compacta
Clasificación i(°) Talud (vert. a hor.) φcν(°)
tg φcν
φ(°) tg φ φ(°) tg φ
Limo (no plástico) 26 a 30
1:2 1:1.75
26 a 30
0.488
0.577
28 a 32
0.532
0.625
30 a 34
0.577
0.675
Arena uniforme fina a media
26 a 30
1:2 1:1.75
26 a 30
0.488
0.577
30 a 34
0.577
0.675
32 a 36
0.675
0.726
Arena bien graduada 30 a 34
1:1.75 1:1.50
30 a 34
0.577
0.675
34 a 40
0.675
0.839
38 a 46
0.839
1.030
Arena y grava 32 a 36
1:1.60 1:1.40
32 a 36
0.625
0.726
36 a 42
0.726
0.900
40 a 48
0.900
1.110
Según B. K. Hough, Basic Soils Engineering. Copyright © 1957, The Ronald Press Company, Nueva York
Nota. Dentro de cada gama se asignan los valores menores si las partículas son redondeadas y si existe un contenido importante de lutita blanda o mica, mientras que los valores más elevados corresponden a partículas duras, angulosas, Utilícese menores valores para presiones normales altas que para presiones moderadas
5 6 8 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
Indice de plasticidad (%)
Suelo inalterado
Suelo remoldeado
Actividad > 0.75 Actividad < 0.75
sen
φ
Relación entre sen φ y el índice de plasticidad para suelos normalmente consolidados (según Kenney, 1959)
SUELO COHESIVO DRENADO
Métodos normales para medir la resistencia al corte sin drenaje
Método Observaciones
Medidas in situ 1. Prueba de veleta
Generalmente se considera que da los mejores resultados, pero su uso está limitado por la resistencia del suelo que se pretende estudiar
2. Prueba de penetración Da una correlación sólo aproximada con la resistencia
Medidas en muestras inalteradas
1. Compresión simple Es la mejor prueba para fines generales, subestima la resistencia debido a que la perturbación disminuye los esfuerzos efectivos
2. Pruebas SCSD con la presión de confinamiento existente in situ
Es la más representativa de las pruebas de laboratorio debido a la compensación de errores
3. Pruebas CSD con la presión de confinamiento existente in situ
Superestima la resistencia debido a que la perturbación da lugar a una menor humedad después de la reconsolidación
Variación de la relación su/σ10 con el índice de plasticidad (según Osterman, 1959)
0 40 80 120 160 200 250 300 350
0.7
0.6
0.5 0.4
0.3
0.2 0.1
0
Relación aproximada para las arcillas especiales
Arcillas marinas
Indice de plasticidad
Coc
ient
e de
la re
sist
enci
a al c
orte
sin
dren
aje y
la p
resi
ón d
e co
nsol
idac
ión,
su/σ
v
Arcilla normalmente consolidada
Arcilla fuertemente
sobreconsolidada Carga en compresión triaxial (σ1 creciente con σ3 constante)
CD > CSD CSD ≈ CD
Descarga en compresión triaxial (σ1 constante con σ3 decreciente)
CSD ≈ CD CSD >> CD
Nota: Estas comparaciones son aplicables a muestras con el mismo esfuerzo efectivo inicial.
Magnitud relativa de las resistencias al corte con o sin drenaje
Caso Método preferible Observaciones
1. Final de la construcción con suelo saturado; período de construcción corto respecto al de consolidación
Cálculo Su con φ = 0 y c = Su El método c, φ permite comprobaciones durante la construcción mediante las presiones intersticiales reales
2. Estabilidad a largo plazo El método c, φ con presiones intersticiales deducidas de las condiciones de equilibrio del agua freática
3. Final de la construcción con suelo parcialmente saturado; período de construcción corto respecto al de consolidación
Cualquier método: cu, φu en pruebas SCSD o el c, φu con presiones intersticiales estimadas
El método c, φ permite comprobaciones durante la construcción mediante las presiones intersticiales reales
4. Estabilidad en fase intermedias Método c, φ con presiones intersticiales estimadas
Las presiones intersticiales reales deben comprobarse in situ
Elección del método de cálculo de estabilidad en esfuerzos totales o efectivos
Presión intersticial inicial
Presión intersticial final
Nivel freático original
Presión intersticial al final de la excavación A = 1
P
Línea equipotencial Presión intersticial al final de la excavación A = 0
Nivel freático final
Nivel freático original
Nivel freático final A = 1
A = 0 Tiempo
Aplicable el método φ = 0 en esta fase
Factor de seguridad (método c, φ)
Excavación Redistribución de presiones intersticiales
Tiempo
Equilibrio de presiones intersticiales
A = 0
A = 1
F, fa
ctor
de
segu
ridad
u,
pre
sión
inte
rstic
ial e
n P
0
0
rápida
Variación de las presiones intersticiales y del factor de seguridad durante y después de la excavación de una trinchera en arcilla (Según Bishop y Bjerrum, 1960)
Tiempo
Relleno de roca
Nivel de agua máximo
hr
hc
hw h'
P Línea equipotencial correspondiente al
punto P antes del vaciado
Superficie de deslizamiento de
aguas arriba
Superficie de deslizamiento de
aguas abajo
Embalse vacío
Vaciado rápido Flujo establecido
Llenado
Embalse lleno
Suponiendo que no hay disipación
Construcción Disipación de presiones
intersticiales
u1
u0
F, fa
ctor
de
segu
ridad
Aguas arriba
Aguas abajo
Aguas arriba
Aguas abajo
u2 u3 Tiempo
Tiempo
Pres
ión
inte
rstic
ial m
edia
en
una
sup
erfic
ie d
e la
falla
pa
sand
o po
r P
Esfu
erzo
tang
enci
al m
edio
en
una
sup
erfic
ie d
e de
sliza
mie
nto
pasa
ndo
por P
Aguas abajo
Aguas arriba
Variación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor de seguridad y después de la construcción de una presa de tierra
(basado en datos de Bishop y Bjerrum, 1960)
Nivel freático
P τ
Altura del terraplén
Esfuerzo tangencial medio τ en una superficie dada que pasa por P
Presión intersticial en P
u
0
0
Tiempo
Correspondiente al nivel freático
Método φ = 0 aplicable en este caso
Factor de seguridad frente a un deslizamiento en la cimentación (Método c, φ)
Construcción Distribución de presiones intersticiales Equilibrio de presiones intersticiales
Tiempo F, F
acto
r de
segu
ridad
rápida
Tiempo
Variación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor de seguridad y después de la construcción de terraplén (Según Bishop y Bjerrum, 1960)
Se necesitan Observaciones
CALCULO EN ESFUERZOS TOTALES Los esfuerzos totales en el suelo debidos a las fuerzas de masa y a las cargas exteriores Pruebas para determinar la resistencia del suelo sometido a variaciones de esfuerzo total semejantes a las que se producirán en la masa del suelo
Común a ambos métodos La precisión de las pruebas es siempre dudosa ya que la resistencia depende de las presiones intersticiales inducidas y éstas a su vez dependen de muchos detalles del método de prueba; las pruebas son fáciles de realizar
CALCULO EN ESFUERZOS EFECTIVOS Los esfuerzos totales en el suelo debidos a las fuerzas de masa y a las cargas exteriores Pruebas para determinar la relación entre resistencia y esfuerzo efectivo Determinación de las variaciones de presión intersticial debidas a variaciones en las cargas exteriores
Común a ambos métodos Puede realizarse con considerable precisión ya que esta relación no es muy sensible a las condiciones de la prueba; las pruebas requieren bastante tiempo La precisión es siempre dudosa debido a los múltiples factores que influyen sobre la magnitud de las variaciones de la presión intersticial
Elementos necesarios para el cálculo en esfuerzos totales o efectivos
Comparación entre los métodos de cálculo en esfuerzos totales y efectivos
Criterio Esfuerzo total Esfuerzo efectivo Sencillez y volumen de cálculo o pruebas
Mucho menos trabajo ya que el cálculo en esfuerzos efectivos tiene el paso extra de determinar la variación de presiones intersticiales
Precisión Ninguna diferencia: la misma laguna que hace difícil calcular la variación de presiones intersticiales, implica la dificultad de crear las condiciones adecuadas en pruebas sin drenaje
Calidad de los resultados Más claro, debido a que la resistencia viene determinada por los esfuerzos efectivos. Es posible comprobar el proyecto mediante medidas de presiones intersticiales durante la construcción
ENSAYOS IN SITU
{
Field Investigation Methods
{
Standard Penetration Test
{
CPT Test Equipment
{
Dilatometer
{
Field Vane Test
{
Pressuremeter Test, PMT
Top Related