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DISEÑO DE CÁMARA DE CORTE SIMPLE EN SUELOS
BRYAN STEVEN CASTRO MONCADA JOSE LUIS MORENO MORA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.
2015
DISEÑO DE CAMARA DE CORTE SIMPLE EN SUELOS
BRYAN STEVEN CASTRO MONCADA JOSE LUIS MORENO MORA
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil
Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS
Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C.
2015
Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________
Director de Investigación Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas
______________________________________
Asesor Metodológico Ing. Javier Valencia Sierra
______________________________________ Jurado Bogotá D.C., noviembre de 2015
A nuestros padres y familiares
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios primeramente por haberme acompañado y guiado a lo largo de todo el proceso de mi carrera, porque por medio de la oración que siempre mantuve adorándole a él, sentí el apoyo incondicional, por otra parte quiero agradecerle a mis padres en especial a mi padre William Moreno quien fue el que me impulso a estudiar esta carrera y fue el patrocinador de este gran sueño, también quiero agradecer a mi madre y abuelita paterna Teresa Moreno quienes me apoyaron en todo momento; y a todos ellos en general por haberme inculcado los valores y principios para ser una mejor persona cada día. Otra persona que quiero darle gracias a pesar de que ya está en el cielo es a mi abuelito paterno Josué Moreno quien fue parte fundamental el cual me encamino y desde muy niño me decía que yo iba ser el Ingeniero de la familia y hoy 14 años después de su partida he sentido su presencia y doy fe que sus palabras tuvieron poder porque así sucedieron las cosas pues estoy a un paso de ser ingeniero ¡. A mis compañeros y conocidos por confiar y creer en mí y haber hecho de mi vida como universitario un trayecto de vivencias inolvidables. A Bryan Castro por haber sido mi compañero de tesis y amigo, por haberme tenido paciencia en algunos momentos difíciles en la realización de este proyecto.
José Luis Agradezco a Dios en primera instancia por haber permitido llegar al día de dar el paso final y el primeros de muchos en mi vida profesional, dándome la bendición de contar con una familia que fue la columna donde me pude apoyar para que el sueño de todos se volviera realidad. Agradezco a mis padres por la vida, los valores, el ejemplo, la dedicación, los días de trabajo fuerte que tuvieron que vivir para poderme brindar todo lo necesario hasta el día de hoy. Su ejemplo hoy me formo como un profesional íntegro y dispuesto a colaborar a la comunidad. Agradezco a mi hijo Alejandro Castro quien es el motor de este gran sueño y de muchos más, a mis padres Angel castro y Mónica Moncada, que me brindaron su apoyo sin interés en los momentos más indicados e inesperados.
Bryan Steven
CONTENIDO
pág. INTRODUCCIÓN 12 1. GENERALIDADES 13 1.1 ANTECEDENTES 13 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 13 1.3 OBJETIVOS 14 1.3.1 Objetivo general 14 1.3.2 Objetivos específicos 14 1.4 JUSTIFICACION 14 1.5 MARCO REFERENCIAL 14 1.5.1 Marco teórico 14 1.5.1.1 Ensayo de Corte simple 14 1.5.1.1.1 Metodología del ensayo de corte simple 18 1.5.1.2 Ensayo de corte directo 21 1.5.2 Marco Conceptual 27 2. METODOLOGIA DISEÑO DE CAMARA DE CORTE SIMPLE
ACONDICIONADA A EQUIPO DE CORTE DIRECTO EN SUELOS 29
3. CONCLUSIONES 33 4. RECOMENDACIONES 34 BIBLIOGRAFÍA 35
LISTA DE TABLAS
pág. Tabla 1. Comparación entre diferentes ensayos de corte en suelos. 26
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Esquema ensayo de corte simple 12 Figura 2. Vista general quipo para ensayo de corte simple en suelos 15 Figura 3. Deformación en el ensayo de corte simple en suelos 16 Figura 4. Noción del corte simple y corte puro (a y b corte simple y c
corte puro) 16 Figura 5. Curvas Isócronas y distribución de esfuerzo de esfuerzo
cortante a lo largo de las líneas de referencia S1 a S3 en la sección mediana de la muestra en el ensayo de corte simple 17
Figura 6. Aparato de corte simple en suelos 18 Figura 7. Consolidación muestra de suelo 18 Figura 8. Aplicación de corte en muestra de suelo 19 Figura 9. Esquema de tensiones y deformación en el ensayo de corte
simple en suelos 20 Figura 10. Vista general equipo para ensayo de corte directo 21 Figura 11. Esquema del aparato de corte directo en suelos 22 Figura 12. Detalle de caja ensayo de corte directo en suelos 23 Figura 13. Comparación de resultados obtenidos en los diferentes
ensayos de resistencia al corte en suelos 25 Figura 14. Valores de resistencia al corte sin drenaje obtenidos por
diferentes métodos VS plasticidad 26 Figura 15. Esquema del aparato de corte directo en suelos 27 Figura 16. Deformación en el ensayo de corte simple en suelos 27 Figura 17. Esquema de esfuerzo cortante (R) y esfuerzo normal (N) 28 Figura 18. Vista superior de base cámara del equipo de corte directo 29 Figura 19. Vista lateral equipo de corte directo en suelos 29 Figura 20. Secciones de cámara del equipo de corte directo en suelos 30 Figura 21. Vista general cámara de corte directo 30 Figura 22. Secciones de cámara de corte simple en suelos 31 Figura 23. Vista lateral esquema ensayo de corte simple en suelos 31 Figura 24. Vista general esquema ensayo de corte simple en suelos 32 Figura 25. Vista general de esquema ensayo de corte simple en suelos y
cámara de corte directo 32
LISTA DE ANEXOS
pág. Anexo 1. PLANO 1 de 7, Diseño de cámara de corte simple Anexo 2. PLANO 2 de 7, Base Cámara Anexo 3. PLANO 3 de 7, Base principal Anexo 4. PLANO 4 de 7, Placa de confinamiento Anexo 5. PLANO 5 de 7, Piedra porosa 1 Anexo 6. PLANO 6 de 7, Pasador de articulación Anexo 7. PLANO 7 de 7, Muestra flectada
GLOSARIO ESFUERZO NORMAL: Esfuerzos normales, son aquellos debidos a fuerzas perpendiculares a la sección transversal. CONSOLIDACIÓN: Se denomina consolidación de un suelo a un proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo. ESFUERZO A TENSIÓN: El esfuerzo a tensión que existen dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección. ESFUERZO DE CIZALLADURA O CORTANTE: Es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. DEFORMACIÓN: La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. CORTE DIRECTO: consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. CORTE SIMPLE: consiste en que a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte, sino que se somete a una fuerza que produce una deformación.
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INTRODUCCIÓN El 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 deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones. En base a los modelos del equipo de corte simple para suelos se realizará el diseño, materiales y dimensiones para así realizar el diseño final con el que se podrá ejecutar el equipo de corte simple para suelos, a continuación, en la Figura 1 se relaciona el esquema base del ensayo para el diseño y ejecución del equipo. Figura 1. Esquema ensayo de corte simple.
Fuente. JIMÉNEZ SALAS, José Antonio y DE JUSTO ALPAÑES, José Luis. Geotecnia y Cimientos I. Propiedades de los suelos y de las rocas. Madrid: Editorial Rueda, 1975. p. 224.
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1. GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
En el estudio de suelos que precede cualquier obra ingenieril, es importante poder cuantificar ciertas propiedades mecánicas características. Entre estas propiedades, cobra especial relevancia el comportamiento del suelo ante cargas y su respuesta sísmica. La necesidad de hacer este tipo de ensayos para cuantificar los parámetros resistentes del suelo, se explica porque “la seguridad de cualquier estructura depende de la resistencia del suelo. Si el suelo falla, la estructura fundada en él colapsa, costando vidas y causando grandes daños económicos” Para determinar los parámetros anteriores, existen diversos ensayos con distintas metodologías. En este caso, se hará un estudio del suelo mediante el ensayo de Corte Simple. La metodología para la realización de este ensayo es la siguiente:
Se prepara una muestra de suelo, la cual es rodeada por anillos concéntricos rígidos, los cuales pueden deslizar entre sí, y cubierta por una membrana. Se monta la muestra sobre la máquina de corte simple. Se somete a una carga vertical constante y luego se aplica un esfuerzo de corte en la base de probeta. En una primera instancia, ocurre consolidación de la muestra asociado a una cierta deformación vertical la cual debe ser registrada. Posteriormente se impone un desplazamiento horizontal el cual producirá un aumento en el esfuerzo horizontal.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El ensayo de corte simple aunque no es tan necesario para entender el comportamiento mecánico del suelo, es útil para obtener la deformación a cortante o la distorsión del suelo En la actualidad existe de manera generalizada el ensayo de corte directo el cual permite obtener fácilmente los parámetros de cohesión y ángulo de fricción, a partir del esfuerzo normal y cortante. Sin embargo no es posible estimar la deformación cortante del modo indicado en el corte simple. De esta manera se realizara un diseño óptimo de la cámara para adaptarlo a la maquina ya establecida para el ensayo de corte directo.
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1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general. Diseñar una cámara de corte simple en suelos adaptable al equipo de corte directo existente.
1.3.2 Objetivos específicos. Generar un estado del conocimiento sobre el diseño de este tipo de cámaras. Realizar un modelo o prototipo a escala de la cámara no definitivo para el ensayo de corte simple en suelos definiendo sus respectivas dimensiones y materiales para la ejecución final del equipo. Optar por un diseño ideal para la realización de un equipo de corte simple teniendo en cuenta costos y beneficios a largo plazo, para la realización y explicación más comprensiva de lo que es un ensayo de corte simple en los suelos.
1.4 JUSTIFICACION En vista de que no existen en el mercado cámaras que se puedan adaptar a la maquina ensayo de corte directo, esta es una de los principales fundamentos por el cual se realiza este diseño, para adaptar una cámara para el ensayo de corte simple en la maquina con la que se realiza el ensayo de corte directo en suelos. 1.5 MARCO REFERENCIAL 1.5.1 Marco teórico. 1.5.1.1 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 deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones En los aparatos de corte simple (Figura 1.), se coloca la muestra cilíndrica dentro de una membrana de goma, reforzada con un espiral de hilo de constatan (aleación de cobre y níquel). La muestra se somete a una deformación de corte simple (Figura 10.) donde los planos principales de tensiones y deformaciones rotarán en la medida en que cambie el estado de tensiones. Durante el ensayo las tensiones y las deformaciones, serán las mismas sobre cualquier plano horizontal. Además, se elimina el roce con las paredes al aplicar el esfuerzo vertical.
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Figura 2. Vista general quipo para ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. MILLÁN, César., BERINI, Jorge., GARCÍA, Almudena y GONZÁLEZ, Jorge. Deformabilidad y resistencia de los suelos. [en línea] Santander, España: Universidad de Catambria [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i/materiales-de-clase/capitulo 6.pdf>. Durante la fase de consolidación, la tensión principal mayor es igual a la presión de consolidación vertical (sv) y la tensión principal menor es igual a la tensión horizontal (sh) que corresponde al valor de sh = Ko*sv. Debido a un incremento en las tensiones de corte en el plano horizontal, las que provocan una rotación en la dirección de las tensiones principales y cambio en la magnitud, las condiciones de tensiones son desconocidas y están limitadas a considerar las tensiones de corte (txy) y las tensiones normales (sy) en el plano horizontal. Se supone que la probeta se rompe cuando la resistencia al corte en este plano alcanza un valor máximo, independiente de que se haya producido una resistencia al corte mayor en otro plano.1 El ensayo de corte simple es un caso especial de la deformación laminar. Su principio en comparación a corte puro, que se ve en la Figura 2. La primera realización de dispositivo de prueba cizalla aseado, satisfaciendo también las pruebas de rutina fue hecha por Kjellmann. Por y por, varias variedades surgieron, pero el verdadero avance se debió a un aparato desarrollado en Cambridge por Roscoe2. Muestras pruebas aplicadas un aparato VSG2 modificado desarrollado en la Minería de Freiberg Academia3
1 JIMÉNEZ SALAS, José Antonio y DE JUSTO ALPAÑES, José Luis. Geotecnia y Cimientos I. Propiedades de los suelos y de las rocas. Madrid: Editorial Rueda, 1975. 422 p. 2 BURLAND, John and ROSCOE, K Kenneth. Local Strains and Pore Pressures In a Normally Consolidated Clay During One-Dimensional Consolidation. In: Geotechnique. 1969, vol. 19, no. 3, p. 335-356. 3 SZABO, Imre. Up-to-date means of shear strength tests comparison between simple and direct. In: Periodica Polytechnica Civil Engineering. 1994, vol. 38, no. 1, p. 109-126 [en línea] [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.pp.bme.hu/ci/article/viewFile/3783/2888>.
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Figura 3. Deformación en el ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. ESPINACE ABARZUA, Raúl. Respuesta estática y cíclica de rellenos areno-arcillosos compactados. En: Revista: Boletín de información del Laboratorio de Carreteras y Geotecnia. 1984, no. 166. p. 7. Figura 4. Noción del corte simple y corte puro (a y b corte simple y c corte puro).
Fuente. SZABO, Imre. Up-to-date means of shear strength tests comparison between simple and direct. In: Periodica Polytechnica Civil Engineering. 1994, vol. 38, no. 1, p. 109-126 [en línea] [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.pp.bme.hu/ci/article/viewFile/3783/2888>. En la apreciación de la distribución de tensiones en el interior de la muestra, los investigadores son de punto de vista relativamente similares en el caso de ensayos de corte directo, como contra ensayos de corte simples. Las primeras pruebas para determinar la distribución de tensiones fueron realizadas por Roscoe4, su aparato con células de cargas incorporadas siendo especialmente apto para este tipo de pruebas. Más bien eran importantes heterogeneidades obtenido por las células de medición incorporados por BUDHV5, AlREY6. Los 4 BURLAND, John and ROSCOE, K Kenneth. Local Strains and Pore Pressures In a Normally Consolidated Clay During One-Dimensional Consolidation. In: Geotechnique. 1969, vol. 19, no. 3, p. 338. 5 BUDHU, Muniram y BRITTO, Arul. Numerical analysis of soils in simple shear devices. En: Soils and foundation. 1987, Vol 27, p. 35.
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valores de homogeneidad se consideran ser excesivo, pero, de hecho, estas pruebas modelo no cumplen con el principio de corte simple. En los análisis de elementos finitos7 distribución de tensiones en el 70% de los especímenes, se encontró que era prácticamente homogénea. Nuestros experimentos apoyaron distribución de la tensión homogénea. El examen método fue el mismo que en ensayos de corte directo. Estas pruebas modelo son ventajosas en que la distribución de la tensión se determina dentro de las mismas muestras cargado en el aparato de cizallamiento. Parecía que después de cortar la muestra, distribución de tensiones en secciones paralelas fue casi la misma8. Evaluación de la sección media se ve en la Figura 4. Al parecer, en la muestra media altura, tensión de corte es prácticamente constante. Cerca de bits de corte, hay es una concentración de tensión importante, superior a la en el suelo. De conformidad con la distribución de la tensión de cizallamiento homogéneo, deformaciones dentro de la muestra son propensos a mostrar un patrón similar. Figura 5. Curvas Isócronas y distribución de esfuerzo de esfuerzo cortante a lo largo de las líneas de referencia S1 a S3 en la sección mediana de la muestra en el ensayo de corte simple.
Fuente. SZABO, Imre. Up-to-date means of shear strength tests comparison between simple and direct. In: Periodica Polytechnica Civil Engineering. 1994, vol. 38, no. 1, p. 116 [en línea] [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.pp.bme.hu/ci/article/viewFile/3783/2888>. 6 AIREY, David William., BUDHU, Muni & WOOD, David Muir. Some aspects of the behaviour of soil in simple shear, developments in soil mechanics and foundation engingering. En: Elsevier Applied Science Publishers. 1985, p. 200. 7 Ibíd., p. 117. 8 SZABO, Imre and KERESZTURI, F. Comparison of Direct and Simple Shear Apparatus with Photoelastic Method. In: Experimental Stress Analysis. 1978, Vol. 2. p. 30.
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1.5.1.1.1 Metodología del ensayo de corte simple. La metodología seguida en la actividad práctica es la indicada en la guía de laboratorio: Se prepara una muestra de suelo, la cual es rodeada por una membrana de goma, los cuales pueden deslizar entre sí, y cubierta por una piedra porosa (Figura 6). Se monta la muestra sobre la máquina de corte simple mostrada en la figura 5. Figura 6. Aparato de corte simple en suelos
Fuente. OSORIO, Santiago. Historia de la Geotecnia. [en línea] Blog: Geotecnia-sor [citado: 30, oct., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://geotecnia-sor.blogspot.com.co/2012/10/historia-de-la-geotecnia-contribuciones.html>. En una primera instancia, ocurre consolidación de la muestra asociado a una cierta deformación vertical la cual debe ser registrada (Figura 6). Figura 7. Consolidación muestra de suelo.
Fuente. UNIVERSIDAD DE CHILE. Consolidación muestra de suelo ensayo de corte simple. [en línea] Chile: Universidad de Chile [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.ucursos.cl/usuario/7c1c0bd54f14c0722 cefc0fa25ea186d/mi_blog/r/Informe_corte_simple_geomec.pdf>
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Posteriormente se impone un desplazamiento horizontal el cual producirá un aumento en el esfuerzo horizontal, lo cual debe ser registrado para ser analizado mediante las fórmulas mostradas en el siguiente punto (Figura 8). Figura 8. Aplicación de corte en muestra de suelo.
Fuente. UNIVERSIDAD DE CHILE. Aplicación de corte en muestra de suelo ensayo de corte simple. [en línea] Chile: Universidad de Chile [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.ucursos.cl/usuario/7c1c0 bd54f14c0722cefc0fa25ea186d/mi_blog/r/Informe_corte_simple_geomec.pdf> En el estudio de suelos que precede cualquier obra ingenieril, es importante poder cuantificar ciertas propiedades mecánicas características. Entre estas propiedades, cobra especial relevancia el comportamiento del suelo ante cargas y su respuesta sísmica. La necesidad de hacer este tipo de ensayos para cuantificar los parámetros resistentes del suelo, se explica porque la seguridad de cualquier estructura depende de la resistencia del suelo. Si el suelo falla, la estructura fundada en él colapsa, costando vidas y causando grandes daños económicos. Dentro de los objetivos de la actividad práctica están determinar la envolvente de falla del suelo muestreado, determinar qué tipo de comportamiento presenta, pudiendo ser este de tipo contractivo o dilatante, y los parámetros relevantes a saber, su ángulo de fricción y su cohesión. Para determinar los parámetros anteriores, existen diversos ensayos con distintas metodologías. En este caso, se hace un estudio del suelo mediante el ensayo de Corte Simple. Si bien es cierto que este ensayo corresponde a uno de los más simples y más limitados, puesto que no permite hallar presiones de poros o módulos de elasticidad, el estudio de corte simple simula con buena precisión los planos de esfuerzos y permiten que tanto los ejes principales de esfuerzos y deformación roten. Los estados de esfuerzos en los suelos para muchas estructuras son semejantes a los del corte simple.
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Figura 9. Esquema de tensiones y deformación en el ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. MILLÁN, César., BERINI, Jorge., GARCÍA, Almudena y GONZÁLEZ, Jorge. Deformabilidad y resistencia de los suelos. [en línea] Santander, España: Universidad de Catambria [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/geotecnia-i/materiales-de-clase/capitulo 6.pdf>. Las fórmulas que se utilizan para el cálculo y evaluación del ensayo son las siguientes: Consolidación:
Donde
Area corregida:
Donde
21
Aplicacion de corte:
Donde
Deformacion angular:
Donde
1.5.1.2 Ensayo de corte directo. Figura 10. Vista general equipo para ensayo de corte directo.
Fuente. DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE SUELOS. Seminario taller de mecánica de suelos y exploración geotécnica. [en línea] Lima, Perú: Universidad Nacional De Ingeniería [citado: 9, oct., 2015]. Disponible en Internet: <URL: URL: http://civilgeeks.com/2011/04/18/astm-d-3080-72-en-espanol/>.
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El ensayo más común para obtener la resistencia de los suelos en los estudios de deslizamientos es el ensayo de Corte Directo, el cual es simple y económico de realizar, pero presenta los inconvenientes del poco control que se tiene sobre las condiciones de drenaje, la dificultad para medir presiones de poro y algunos problemas inherentes a los mecanismos de las máquinas que realizan los ensayos. Las ventajas de los ensayos de Corte Directo son su facilidad de ejecución, la cual permite la realización de una cantidad grande de pruebas en poco tiempo y la posibilidad de realizar ensayos sobre superficies de discontinuidad. El ensayo de Corte Directo es de obligatorio uso cuando se trabaja a niveles bajos de esfuerzos o si se desea obtener la resistencia a lo largo de las discontinuidades. En este ensayo la resistencia al cortante puede medirse en un plano predeterminado, cortando la muestra con una determinada orientación. La superficie de falla es predefinida y no depende de las propiedades del suelo, y por esta razón los valores de resistencia obtenidos tienden a ser mayores que en los ensayos triaxiales. La muestra se coloca en una caja compuesta por dos anillos (Figura 9), uno superior y otro inferior, los cuales pueden desplazarse horizontalmente el uno con respecto al otro al aplicarse una fuerza de cortante. Las muestras no pueden saturarse completamente pero un grado de saturación relativamente alto se puede obtener sumergiendo la muestra en agua por un periodo largo de tiempo, antes del ensayo. Sin embargo, debe tenerse mucho cuidado con los efectos de saturación sobre algunos materiales, especialmente los suelos expansivos. Figura 11. Esquema del aparato de corte directo en suelos.
Fuente. UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO. Ensayo de corte directo. [en línea] Valparaíso: La Empresa [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/corte/cd.html>
Metodología del ensayo de corte directo. Este ensayo consiste en colocar el espécimen del ensayo en una caja de cizalladura directa, aplicar un esfuerzo normal determinado, humedecer o drenar el espécimen de ensayo, o ambas
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cosas, consolidar el espécimen bajo el esfuerzo normal, soltar los marcos que contienen la muestra y desplazar un marco horizontalmente respecto al otro a una velocidad constante de deformación y medir la fuerza de cizalladura y los desplazamientos horizontales a medida que la muestra es cizallada. Figura 12. Detalle de caja ensayo de corte directo en suelos.
Fuente. JIMÉNEZ SALAS, José Antonio y DE JUSTO ALPAÑES, José Luis. Geotecnia y Cimientos I. Propiedades de los suelos y de las rocas. Madrid: Editorial Rueda, 1975. p. 222. Las fórmulas que se utilizan para el cálculo y evaluación del ensayo de corte directo son las siguientes: Esfuerzo de cizalladura nominal sobre el espécimen.
Donde:
Esfuerzo normal sobre el espécimen.
Donde:
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Velocidad de desplazamiento: Calcule la velocidad real de desplazamiento dividiendo el desplazamiento relativo por el tiempo transcurrido, o registre la velocidad utilizada para el ensayo.
Donde:
Calcule la relación de vacíos inicial, el contenido de humedad, el peso unitario seco y el grado de saturación basado en la gravedad específica y la masa total del espécimen. El volumen del espécimen es determinado por la medición de las dimensiones de la caja de cizalladura y el espesor medido del espécimen. Prepare un gráfico de logaritmo de tiempo o de la raíz cuadrada del tiempo vs la deformación para los incrementos de carga en los que se determinó el t50. Prepare un gráfico del esfuerzo nominal de cizalladura vs. el desplazamiento lateral relativo en porcentaje. Prepare un gráfico del esfuerzo de cizalladura. Comparacion entre los resultados de ensayo de corte simple y otros. Con el uso general de ensayos de corte simple, y con la prueba hecha de acuerdo a diferentes métodos, el problema surge si los resultados obtenidos por otros métodos de ensayo de corte (triaxiales, verdadera triaxiales o biaxial, cilindro hueco,ensayo de corte directo, etc.) son comparables, tal vez ellos son mutuamente convertibles, o solamente algunas tendencias pueden ser reconocidas. La primera prueba comparativa realizada por BJERRl y LANDVA9 es que describe en su estudio clásico. Un enorme deslizamiento de tierra cerca Furre, inducida un amplio conjunto de estudios sobre la tensión-deformación y las características de Resistencia al Corte arcillas de alta sensibilidad. No se han encontrado resultados de las pruebas de laboratorio de corte simples para encajar estrechamente resultados de las pruebas de corte de paletas in-situ, y para mostrar las resistencias de corte mucho más bajos que hizo ensayos triaxiales. Resultados de las pruebas comparativas de escombros de piedra caliza en condiciones de carga 9 BJERRUM, Laurits and LANDVA, Arvid. Direct Simple Shear Tests on a Norwegian Quick Clay, In: Geotechnique. March, 1996, vol. 16, no. 1. p. 1-20.
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estáticas hechas por Ansell y Brown10 se ven en la Figura 14. El máximo ángulo de fricción interna se ve que es debido al corte directo. Es interesante ver cinco grados (10%) de la diferencia entre lo interno valores de ángulo de fricción determinados a partir de valor medio (fuerza de corte /área de la muestra) y de datos de la celda de carga en el tercio medio de los resultados de las pruebas de diferentes autores que se ocupan de las pruebas y la descripción de las propiedades aniso trópicas de arcillas se han recopilado en la Figura 1511. Este análisis incluyó datos de compresión triaxial y la tensión, y de corte simple para arcillas de diferentes plasticidades. Figura 13. Comparación de resultados obtenidos en los diferentes ensayos de resistencia al corte en suelos.
Fuente. SZABO, Imre. Up-to-date means of shear strength tests comparison between simple and direct. In: Periodica Polytechnica Civil Engineering. 1994, vol. 38, no. 1, p. 121. [en línea] [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.pp.bme.hu/ci/article/viewFile/3783/2888>.
10 BRO, Andrew. Estimating the undrained strength of clays using the direct shear test. Thesis of grade. M.S. Civil & Environmental Engineering Department. Los Angeles: University of California, 2007, p. 50. 11 JAMIOLKOWSKI, Michele., LADD, Charles., GERMAINE, John y LANCELOTTA, Renato. New Developments in Field and Laboratory Testing of Soils. En: International Conference on Soil lvfechanics and Foundation Engineering. August ,1985, p. 57-89.
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Figura 14. Valores de resistencia al corte sin drenaje obtenidos por diferentes métodos VS plasticidad.
Fuente. JAMIOLKOWSKI, Michele., LADD, Charles., GERMAINE, John and LANCELOTTA, Renato. New Developments in Field and Laboratory Testing of Soils. In: International Conference on Soil lvfechanics and Foundation Engineering. August ,1985, p. 57-89. A continuación, se relacionan algunas ventajas e inconvenientes con los ensayos más representativos en esta investigación: Tabla 1. Comparación entre diferentes ensayos de corte en suelos.
Equipo Ventajas Inconvenientes• Aparato y principio de funcionamiento sencillo. • Tensiones y deformaciones
no homogéneas.
• Ensayos drenados más rápidos que en el triaxial.
• Área de contacto cambiante.
• Sólo se conocen 2 comp. del tensor de tensiones.
• Presión intersticial y drenaje no controlables.
• Estado de tensiones y deformaciones definido.
• Equipo más complejo y costoso que el corte directo.
• Control del drenaje y la presión intersticial.
• Ensayo no drenado en tensiones efectivas.
• Adecuado para estudiar la fricción entre
materiales diferentes.
Corte directo
• No se consiguen estados de tensiones y
deformaciones uniformes.
Corte simple
Fuente. Autores.
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1.5.2 Marco Conceptual. A continuación, encontramos algunas de las definiciones de términos que manejaremos durante el desarrollo de este proyecto: El ensayo de corte directo. Consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. Figura 15. Esquema del aparato de corte directo en suelos.
Fuente. UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO. Ensayo de corte directo. [en línea] Valparaíso: La Empresa [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/corte/cd.html>
El ensayo de corte simple. Consiste en que a la muestra ensayada no se le induce un plano de corte sino que se somete a una fuerza que produce una deformación. En este ensayo, las líneas horizontales son líneas de extensión nula, en cambio en el ensayo de corte directo, la deformación está limitada a una zona muy estrecha próxima a la separación entre las cajas, por lo que este ensayo es inadecuado para el estudio de las deformaciones. Figura 16. Deformación en el ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. ESPINACE ABARZUA, Raúl. Respuesta estática y cíclica de rellenos areno-arcillosos compactados. En: Revista: Boletín de información del Laboratorio de Carreteras y Geotecnia. 1984, no. 166. p. 10.
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Esfuerzo cortante. Consiste en el esfuerzo interno en el que está sometida una muestra debido a las tensiones de fuerzas resultantes paralelas que someten la muestra.
Figura 17. Esquema de esfuerzo cortante (R) y esfuerzo normal (N).
Fuente. UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO. Ensayo de corte directo. [en línea] Valparaíso: La Empresa [citado: 23, ago., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/corte/cd.html>
Esfuerzo normal. Consiste en el esfuerzo interno en el que está sometida una muestra debido a las tensiones de fuerzas resultantes perpendiculares que someten la muestra. Consolidación. Consiste en el proceso de reducción del volumen de una muestra o un terreno provocado por la actuación de cargas.
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2. METODOLOGIA DISEÑO DE CAMARA DE CORTE SIMPLE ACONDICIONADA A EQUIPO DE CORTE DIRECTO EN SUELOS
Los parámetros que se tuvieron en cuenta para realizar el dimensionamiento y acondicionamiento de la cámara de corte simple en suelos adaptada al equipo de corte directo conocido comúnmente fueron:
Tomar lectura de dimensiones de la caja disponible para acondicionar la camara de corte simple en suelos. Figura 18. Vista superior de base cámara del equipo de corte directo
Fuente. Autores.
Relacionar la carga de los ejes vertical y horizontal del ensayo de corte directo, según lo establecido para la ejecucion del ensayo de corte simple en suelos, por lo anterior se muestra en la figura 18 los transmisores de cargas que se utilizan en el ensayo de corte directo y que para este proyecto se adecuaran para utilizarlas en el ensayo de corte simple en suelos.. Figura 19. Vista lateral equipo de corte directo en suelos.
Fuente. Autores.
Esfuerzo Normal
Esfuerzo Cortante
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En la figura 20 se evidencia cada una de las partes de camara de corte directo, para el modelamiento de camara a corte simple. Figura 20. Secciones de cámara del equipo de corte directo en suelos.
Fuente. Autores. Parte fundamental para el acondicionamiento de la camara de corte simple en la corte directo es que la base de la camara que se pueda adecuar esta misma para ambos ensayos, partiendo de las dimensiones de esta base se diseñan las piezas para el ensayo de Corte simple (figura 21). Figura 21. Vista general cámara de corte directo.
Fuente. Autores.
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Para el acondicionamiento de la cámara de corte directo para la ejecución del ensayo de corte simple se realizo una pequeña modificacion en las partes, ya que se remplaza la base de la cámara de corte directo por una base principal como se observa en la figura 22, se adiciono unas placas de confinamiento y pasadores de articulación los cuales nos ayudan a obtener el ángulo de desplazamiento que deseamos encontrar como se observa en la figura 23. Figura 22. Secciones de cámara de corte simple en suelos
Fuente. Autores. Con el acondicionamiento de nuestra cámara de corte directo para la ejecución del ensayo de corte simple como se puede observar en la figura 23 obtendríamos un desplazamiento dx y un ángulo α el cual nos ayudara a determinar el desplazamiento de cada material en su punto más crítico el cuándo el material está saturado. Figura 23. Vista lateral esquema ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. Autores.
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Como producto final de nuestro diseño de cámara a corte simple podemos observar la buena elaboración de nuestro diseño como se muestra en la figura 24 optimizando partes importantes de encontramos en la cámara de corte directo. Figura 24. Vista general esquema ensayo de corte simple en suelos.
Fuente. Autores. Como podemos observar en la figura 25 la composición y la base de la cámara es la misma ya que esto ayuda a la ejecución de nuestro ensayo de corte simple y a la optimización de nuestro equipo de corte directo.
Figura 25. Vista general de esquema ensayo de corte simple en suelos y cámara de corte directo.
Fuente. Autores.
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3. CONCLUSIONES De acuerdo al diseño conceptual se demuestra teoricamente que la propuesta de camara puede medir de manera adecuada la deformacion cortante en el suelo. Se determinó en base al diseño ya establecido del equipo actualmente para el ensayo que el diseño de cámara de corte simple basado en la cámara de corte directo se optimizo al máximo cada parte utilizada para la ejecución del ensayo corte simple a partir desde la base de la cámara de este ya que nos ayuda a saturar el material al que se le va a ejecutar el ensayo. El diseño de la camara utiliza piezas comerciales similares en su construcción, con una ventaja importante sobre el intercambio de piezas entre las dos camaras ya que esto es una de las principales ventajas es que se acondiciono, una camara sobre la otra disminuyendo los costos de fabricación y ofreciendo un diseño más flexible. Además, se introducen elementos que simplifican el diseño de la camara sin afectar el funcionamiento de los equipos.
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4. RECOMENDACIONES
El diseño estaba basado en conceptos fundamentales que se obtuvieron para determinar datos teoricos, para determinar datos exactos y reales es necesario la construccion de la camara.
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