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