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Captulo3

Resistencia al Cortante

Figura 3.1Representacin grca de la ecuacin de Coulomb.

Ecuacin de Coulomb para SuelosSaturadosLa modelacin o representacin matemtica delfenmeno de falla al cortante, en un deslizamiento,se realiza utilizando las teoras de la resistenciade materiales.

Las rocas y los suelos al fallar al cortante, secomportan de acuerdo con las teoras tradicionalesde friccin y cohesin, segn la ecuacin deCoulomb:

(para suelos saturados)

Donde: = Esfuerzo de resistencia al cortec = Cohesin o cementacin efectiva = Esfuerzo normal total = Presin del agua intersticial o de poros

En la Figura 3.1 se muestra la representacingrca de la ecuacin de Coulomb. El anlisisde la ecuacin de Coulomb requiere conocer losparmetros, el ngulo de friccin y cohesin, loscuales se consideran como propiedades intrnsecasdel suelo. La presencia del agua reduce el valorde la resistencia del suelo que depende de laspresiones internas o de poros de acuerdo con laecuacin de Coulomb, en la cual el factor estrestando al valor de la presin normal total.

c' / tan' (1' 3'2

3'

c'(Cohesin)

'

(1' 3'2

1'

c'+(

-)

Tan'

Esfuerzos normales

Esfuerzosdecortante

Angulo de friccin

Crculo de Mohr

Presin de

confinamiento

Punto de

tangencia

Crculo

de Mohr

Radio

( )' 'c Tan = +

DESLIZAMIENTOS: ANALISIS GEOTECNICO

JAIME SUAREZ

www.erosion.com.co


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76 DESLIZAMIENTOS - ANLISIS GEOTCNICO

A la presin resultante, se le conoce con el nombrede presin efectiva .

(Presin efectiva) = - =Angulo de friccin para presiones efectivas.c = Cohesin para presiones efectivas.

Ecuacin de Coulomb para Suelos NosaturadosCuando el grado de saturacin es mayor del 85%,se puede utilizar la ecuacin de Coulomb parasuelos saturados. Sin embargo, para suelos consaturacin menor del 85%, se deben aplicar losprincipios de la mecnica de suelos no saturados(Fredlund y Rahardjo, 1987).

Para el caso de suelos no saturados, la ecuacinde Coulomb se expresa de la siguiente forma(Fredlund y Morgenstern 1977):

Donde:

n= esfuerzo normal total

ua= Presin en el aire de los porosuw = presin en el agua de los poros, la cualcomnmente es negativa.b= ngulo de friccin igual a la pendiente de

la curva de succin matricial (ua uw) contraresistencia al cortante cuando (n ua) semantiene constante.

El ngulo de friccin efectiva permaneceigual para todos los valores de succin. b esgeneralmente igual o menor que y se puedeobtener en ensayos triaxiales o de corte directo nosaturados (Huat y otros, 2005).

Para realizar estos ensayos se requiere realizarmodicaciones a los equipos de laboratorio

convencionales.

= cohesin aparente debida a la succin

= succin matricial

El criterio de falla tiene dos variables de esfuerzos(n ua) y (ua uw).

En la ecuacin para suelos no saturados, cuandoua = uwla ecuacin es idntica a la ecuacin originalde Mohr-Coulomb para suelos saturados. Algunosprogramas de computador tienen en cuentaesta transicin al modicarse las condiciones desaturacin (Cornforth, 2005).

PARMETROS FUNDAMENTALES

ngulo de FriccinEl ngulo de friccin es la representacinmatemtica del coeciente de rozamiento, el cuales un concepto bsico de la fsica:

Coeciente de rozamiento = Tan

El ngulo de friccin en suelos granulares secos

coincide con el ngulo de reposo (Figura 3.2 ). Todoslos suelos poseen friccin. Sin embargo, a los suelosarcillosos con friccin muy baja o despreciable, seles denomina suelos cohesivos: = 0.

El ngulo de friccin () depende de unagran cantidad de factores; algunos de los msimportantes son:

Tipo de mineral constitutivo de laspartculas.

Tamao de los granos o partculas. A mayortamao de partculas, mayor es .

Forma de los granos o partculas. es mayorpara partculas angulosas.

Distribucin de los tamaos de granos opartculas. En los suelos bien gradados, esmayor que en los suelos uniformes.

Fbrica o microestructura (organizacin de

las partculas).

Densidad.

Permeabilidad (Facilidad de drenaje).

Presin normal o de connamiento.

Presin de preconsolidacin.

( ) ( ) n a a wc u u = + +

( )a wu u Tan

( )a wu u


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77RESISTENCIA AL CORTANTE

El ngulo de friccin es el resultado de lacombinacin de todos los factores. Por ejemplo,el ngulo de friccin es mayor al aumentar ladensidad, pero si las presiones normales son muyaltas, el ngulo de friccin tiende a disminuir.En arcillas, el ngulo de friccin depende de las

condiciones de preconsolidacin.

CohesinLa cohesin es una medida de la cementacin oadherencia entre las partculas de suelo. Lacohesin en la mecnica de suelos, es utilizadapara representar la resistencia al cortanteproducida por la cementacin entre las partculas,mientras que en la fsica, este trmino se utilizapara representar la resistencia a la tensin.

En los suelos eminentemente granulares en

los cuales no existe ningn tipo de cementanteo material que pueda producir adherencia, lacohesin se supone igual a cero y a estos suelos seles denomina suelos friccionantes o no cohesivos(C = 0).

En los suelos no saturados, la tensin debidaa la succin del agua en los poros, produce unfenmeno de adherencia entre partculas porpresin negativa o fuerzas capilares. Esta cohesinaparente desaparece con la saturacin.

Resistencias Pico y ResidualDesde el punto de vista de la relacin esfuerzo deformacin, en la estabilidad de taludes se debetener en cuenta dos tipos de resistencia: resistenciapico y resistencia residual.

Resistencia mxima o resistencia pico. Esla mxima resistencia al corte que posee elmaterial, el cual no ha sido fallado previamente ycorresponde al punto ms alto en la curva esfuerzo- deformacin (Figura 3.3).

La modelacin de la resistencia pico en el anlisisde la estabilidad, asume que la resistencia picose obtiene simultneamente a lo largo de toda la

supercie de falla; sin embargo, algunos puntos enla supercie de falla han alcanzado deformacionesmayores que otros (en un fenmeno de fallaprogresiva) y asumir que la resistencia pico actasimultneamente en toda la supercie de fallapuede producir errores en el anlisis.

Resistencia residual. Es la resistencia al corteque posee el material despus de haber ocurridola falla. Skempton (1964) observ que en arcillassobreconsolidadas, la resistencia calculada en elanlisis de deslizamientos despus de ocurridos,corresponda al valor de la resistencia residual yrecomend utilizar para el clculo de factores deseguridad, los valores de los parmetros obtenidospara la resistencia residual r y Cr.

La resistencia residual en los suelos cohesivosse debe tener en cuenta cuando existe unasupercie previa de corte donde han ocurridodesplazamientos en el pasado y en suelos licuables,expuestos a sismos de gran magnitud.

Figura 3.2 El ngulo de reposo coincide con el ngulode friccin en una arena seca.

Figura 3.3 Curvas esfuerzo de corte-desplazamiento enun ensayo de Corte directo (Duncan y Wright, 2005).

Arena

Seca

Angulo de

reposo

Suelo

frgil

(Sensitivo)

Esfuerzodecorta

nte

Suelo

dctil

(No sensitivo)

Desplazamiento horizontal x

x

Resistencia

Pico

Resistencia

Residual


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En los suelos dctiles, la resistencia pico tiende aser muy similar a la resistencia residual. En lossuelos frgiles al producirse la falla, la disminucinde la resistencia pico a la residual, es signicativa.La diferencia entre la resistencia pico y la residuales un indicativo de la fragilidad de los materiales(Figura 3.3).

Otro factor que determina las diferencias entrela resistencia pico y la residual, es la sensitividad,la cual est relacionada con la prdida deresistencia por el remoldeo o la reorientacin delas partculas de arcilla.

La prdida de resistencia en el momento de lafalla al cortante, est relacionada principalmentecon una disminucin de la cohesin. El ngulode friccin, aunque disminuye, no es afectado enforma substancial. Como se observa en la gura3.4 el ngulo de friccin pico (

p)

es muy similar al

ngulo de friccin residual(r ).

Presin de PorosEn general, la presin de poros consiste en lapresin en el agua dentro de los poros del suelo yse identica con la letra . La presin de porosdisminuye los esfuerzos normales efectivos entrelas partculas, trata de separarlas y disminuye laresistencia a la friccin (Figura 3.5). Al colocaruna carga se puede producir un cambio en lapresin de poros que se denomina como (excesode presin de poros) o deciencia de presin deporos inducidos por las condiciones de carga.

Si el agua en el suelo no est en movimiento, laaltura del agua genera un fenmeno de presinhidrosttica:

Donde:w

= peso unitario del aguazw

= profundidad vertical del punto por debajodel nivel de agua fretica.

Figura 3.5 La presin de poros trata de separar laspartculas y de esta forma, se disminuye la resistenciaa la friccin.

Figura 3.4 Envolventes de falla de las ResistenciasPico y Residual.

Presin Normal

Resistencia Residual

Resistencia Pico

p

r (Angulo de friccin residual)

(Angulo de friccin pico)

Cp= tan r

= Cp + tan p

Envolvente de

Envolvente de

La tensin de agua en los poros intenta unir

las partculas

La presin de agua produce que las partculas

se traten de separar

a) No saturado

b) Saturado

.w wZ =


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Si el agua est en movimiento, la presin de porospuede ser superior a

w. z

w, y debe determinarse la

cabeza hidrosttica hupor medio de un piezmetro

o una red de ujo. En este caso, la presin de porosse calcula por medio de la expresin:

Si se supone la supercie fretica inclinada a unngulo con la horizontal, la cabeza piezomtricaes igual a:

Donde: hues la distancia vertical a la lnea del

nivel fretico.

Para las condiciones parcialmente drenadas o no-drenadas, la evaluacin de u depende de la ratarelativa de carga, comparada con la rata de drenajedel agua dentro del suelo. La magnitud delcambio de presin de poros que se desarrolla comoresultado del cambio de esfuerzos en los suelos no

drenantes, fue propuesta por Skempton (1954),utilizando los parmetros A y B. Estos parmetrosde presin de poros A y B, permiten calcular laspresiones de poro en exceso.

Donde:

u = Exceso de presin de poros.

A = Parmetro de presin de poros A.

B = Parmetro de presin de poros B.1 = Cambio en el esfuerzo principal mayor.

3 = Cambio en el esfuerzo principal menor.

Los parmetros A y B deben ser determinados apartir de ensayos de laboratorio o seleccionadosde la experiencia. Para los suelos saturados, B seacerca a 1.0 pero su valor desciende drsticamentecon la disminucin en el grado de saturacin.

Los valores del parmetro A varan con lamagnitud de las deformaciones de cortante,

densidad inicial y relacin de consolidacin delsuelo y generalmente, alcanzan valores mximos enel momento de la falla. A es positivo para aquellossuelos que tienden a comprimirse al cortarse,por ejemplo arena suelta o arcilla, normalmenteconsolidada. A es negativo para aquellos suelosque tienden a dilatarse al cortarse, por ejemplo,arena densa y arcillas sobreconsolidadas.

Los valores de A permiten tener en cuenta elfenmeno segn el cual los suelos normalmenteconsolidados tienden a generar excesos de presinde poros positiva durante el corte y en contraste, lossuelos sobreconsolidados pueden generar presionesen exceso negativas. La tabla 3.1 muestra valorestpicos de parmetro A en el momento de la falla.

El valor de A est muy inuenciado por el niveldel suelo donde ha sido previamente deformado elesfuerzo inicial, la historia y la trayectoria de estosesfuerzos, tales como carga y descarga (Lambe yWhitman, 1969).

Figura 3.6 Medicin de la presin de poros.

La presin de poros aumenta en los taludes entemporadas de lluvias y disminuye en temporadasde sequa. Es muy importante entender ycuanticar la variacin temporal y espacial de lapresin de poros en los taludes. La variabilidad esmayor en la cuesta que en el pie del talud.

Parmetros de Presin de PorosEl anlisis de esfuerzos efectivos requiere delconocimiento de las presiones de poros en el campo.Estas presiones de poros pueden ser estimadas si

se determinan los cambios de esfuerzo dentro delsuelo. Cuando un suelo se carga o se descarga porla construccin de un terrapln o una excavacin,el cambio de volumen de suelo trae como resultadoun cambio en la presin de poros

u. Este cambio

en la presin de poros puede aumentar o disminuircon el tiempo, dependiendo del tipo de suelo y deltipo de esfuerzos involucrados. Bajo las condicionescompletamente drenadas (Condicin a largo plazo)use disipa y se convierte en

u= 0.

hw

Tajada tpicaSuperficie

fretica

Cabeza de Presin

de poros (hwCos )2

Lnea Equipotencial

.w uu h=

2cosu wh h = ( )3 1 3u B A = +


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Tabla 3.1 Valores tpicos del parmetro A.

Tipo de ArcillaValor del Parmetro

A de Skempton

Altamente sensitiva 0.75 a 1.5

Normalmente

consolidada 0.5 a 1.0Arcilla arenosacompactada 0.25 a 0.75

Arcilla ligeramentesobreconsolidada

0.0 a 0.5

Arcillas gravosascompactadas

- 0.25 a +0.25

Arcillas muysobreconsolidadas

-0.5 a 0.0

Condiciones Drenadas y No-drenadasLos conceptos de condiciones drenadas y no-drenadas son fundamentales para entender elcomportamiento de los taludes, especialmente, enlas formaciones arcillosas. La condicin drenadao no-drenada depende de la velocidad con queel agua puede moverse hacia adentro o haciafuera del suelo, comparado con el tiempo que elsuelo soporta un cambio de carga. El objetivo deanalizar las condiciones de drenaje es determinarsi una carga es capaz o no, de producir presionesde poros.

Condicin DrenadaSe dice que una condicin es drenada cuandoel agua es capaz de uir hacia afuera o haciaadentro de la masa del suelo, si es sometida auna carga y no se producen presiones de poros.

Esto se debe a que el agua puede moverse libremente,al aumentar o disminuir el volumen de vacos comorespuesta a un cambio en las condiciones de carga.

Condicin No-drenadaSe dice que una condicin es no-drenada cuando

el agua no es capaz de uir en el momento enel cual el suelo est sometido a una carga y seproduce entonces la presin de poros Esto se debea que el agua no se puede mover libremente comorespuesta a la tendencia al cambio del volumen devacos por accin de la carga.

Si la carga se aplica muy rpidamente y lapermeabilidad del suelo es baja, se puede produciruna condicin no-drenada. Si la carga se aplicalentamente o la permeabilidad del suelo es alta,generalmente se produce una condicin drenada.

Comnmente, los taludes se comportan encondiciones drenadas; sin embargo, en algunoscasos cuando se colocan terraplenes sobre depsitosarcillosos saturados o en el momento de un sismo,se puede producir una condicin no-drenada.

Esfuerzos Totales y EfectivosSe dene como esfuerzo a la fuerza por unidad derea.

Esfuerzo Efectivo

Una masa de suelo saturada est compuesta pordos fases distintas: el esqueleto de partculas y losporos entre partculas llenos de agua. Cualquieresfuerzo impuesto sobre el suelo, es soportadopor el esqueleto de partculas y tambin, por lapresin del agua.

Figura 3.7 Esfuerzos totales y efectivos. '(efectivo)= (total) -

u

u u

uu

Esfuerzos totales


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Tpicamente, el esqueleto puede transmitiresfuerzos normales y de corte por los puntos decontacto entre las partculas y el agua a su vez,puede ejercer una presin hidrosttica igual entodas las direcciones.

Los esfuerzos ejercidos por el esqueletosolamente se conocen como esfuerzos efectivos y alos esfuerzos hidrostticos del agua se les denominapresin de poros. Los esfuerzos efectivos sonlos que controlan el comportamiento del suelo alcortante y no los esfuerzos totales.

Esfuerzo efectivo = esfuerzo total - presin de poros

(Figura 3.7)

Esfuerzo TotalEl esfuerzo total es la suma de todas las fuerzas,incluyendo aquellas transmitidas a travs decontactos entre partculas, aquellas transmitidas atravs de la presin de poros en el agua (divididaspor el rea total) e incluyendo el rea de slidos yel rea de vacos.

En problemas prcticos, el anlisis con esfuerzostotales puede utilizarse en problemas deestabilidad a corto plazo y las presiones efectivas,para analizar la estabilidad a largo plazo.

Resistencia Drenada y No-drenadaLa resistencia al cortante se dene como el mximovalor de esfuerzo cortante que el suelo puedesoportar. Los dos tipos de resistencia al cortanteutilizados en el anlisis de estabilidad son: laresistencia no-drenada y la resistencia drenada.La resistencia no-drenada se utiliza en anlisis conesfuerzos totales mientras la resistencia drenadase utiliza en anlisis con esfuerzos efectivos.

Resistencia no-drenadaLa resistencia no-drenada es la resistencia delsuelo cuando se carga hasta la falla en condicionesno-drenadas o sea cuando las cargas que producenla falla, se aplican sobre la masa de suelo a unavelocidad superior a la del drenaje del suelo. El casoms comn de resistencia no-drenada, se presentaen los depsitos naturales de arcilla saturadacuando stos son cargados o descargados en formarelativamente rpida, comparada con la rata en lacual puede ocurrir drenaje y/o consolidacin.

Cuando se presenta esta condicin se asumeque hay un fenmeno de resistencia no-drenada;el contenido de agua y el volumen de la arcillapermanecen constantes durante la carga no-drenada y se generan presiones de poros enexceso. El comportamiento no-drenado de arcillas

saturadas se analiza en trminos de esfuerzostotales y la evaluacin de las presiones de poroses innecesaria. Bajo esta situacin se asume unmtodo de anlisis = 0 y la resistencia no-drenadaCu es igual al valor de cohesin en la envolvente deMohr-Coulomb para esfuerzos totales.

Bajo estas suposiciones, la resistencia no-drenada de una arcilla saturada, no es afectadapor los cambios en la presin de connamiento(mientras el contenido de agua no cambie). Lasarcillas normalmente consolidadas o ligeramente

sobreconsolidadas tienden a comprimirse cuandoestn sometidas a esfuerzos de cortante yproducen un incremento de la presin de poros encondiciones no-drenadas.

La tendencia de las arcillas (fuertementeconsolidadas) a dilatarse cuando son sometidas acortante, da como resultado, cambios negativos dela presin de poros en condiciones no-drenadas.De acuerdo con lo anterior, cuando una arcillaes sometida a corte en condiciones no-drenadas,el esfuerzo efectivo sobre el plano potencial

de falla cambia hacindose menor en arcillasnormalmente consolidadas y mayor en arcillassobreconsolidadas.

Por lo general, para las arcillas normalmenteconsolidadas, la resistencia no-drenada es menorque la resistencia drenada. Para las arcillas muysobreconsolidadas puede ocurrir lo contrario, laresistencia no-drenada puede ser mayor que laresistencia drenada, debido a que la presin de porosdisminuye y el esfuerzo efectivo aumenta duranteel corte no-drenado (Duncan y Wright, 2005).

Resistencia drenada

La resistencia drenada es la resistencia del suelocuando se carga en forma lenta y no se producenpresiones de poros en exceso, debidas a la aplicacinde la carga. Igualmente, la resistencia drenada sepresenta cuando la carga ha estado aplicada porun perodo suciente de tiempo de tal forma, que elsuelo ya ha sido drenado. Una condicin no-drenada,con el tiempo puede convertirse en una condicindrenada, en la medida en que el agua drene.

Esfuerzo total esfuerzo efectivo presin de poros= +


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Basados en el principio de esfuerzos efectivos,la resistencia mxima drenada a la falla sobrecualquier plano en el suelo, no es una funcin delos esfuerzos totales normales que actan sobreel plano, sino de la diferencia entre los esfuerzostotales normales y la presin de poros.

CRCULO DE MOHR

El diagrama de Mohr es el mtodo ms comnpara representar los resultados de los ensayos decorte en los suelos. El crculo de Mohr representaun ensayo triaxial y la envolvente de los crculosde Mohr representa el estado de los esfuerzos en elmomento de una falla al cortante.

En el anlisis en dos dimensiones, los esfuerzos

de un punto, pueden ser representados por unelemento innitamente pequeo sometido a losesfuerzos x, y, y xy. Si estos esfuerzos se dibujanen unas coordenadas - , se puede trazar el crculode esfuerzos de Mohr.

En este crculo se denen los valores de mximo (1) y mnimo (3), conocidos comoesfuerzos principales.

Para interpretar correctamente el fenmenode falla al cortante en un talud, debe tenerse

en cuenta cul es la direccin de los esfuerzosprincipales en cada sitio de la supercie de falla.El esfuerzo 1 es vertical en la parte superior de lafalla y horizontal en la parte inferior (Figura 3.8).

Envolventes de FallaEl crculo de Mohr se emplea para representar odescribir la resistencia al cortante de los suelos,utilizando la envolvente de falla Mohr Coulomb,lo cual equivale a que ha alcanzado la combinacincrtica de los esfuerzos a la falla.

Los puntos de la envolvente de fallacorresponden a los esfuerzos que producen fallaal cortante. Los esfuerzos por encima de laenvolvente de falla, no pueden existir.

La envolvente de falla Mohr - Coulombgeneralmente es una lnea curva que puederepresentarse en la forma:

Donde:s = Resistencia al cortante = Esfuerzo normal efectivo

A y b = Constantes

En la prctica normal de ingeniera, generalmente,

esta curva se dene como una recta aproximadadentro de un rango seleccionado de esfuerzos(Figura 3.9), en el cual:

Donde:

c = Intercepto del eje de resistencia (cohesin) = Pendiente de la envolvente (ngulo defriccin).

Figura 3.8 Direccin de los esfuerzos principales en lafalla de un talud.

Figura 3.9 Envolvente de falla y crculo de Mohr.

A

B

C

Superficiede Falla

,3

,1

,1

,1

,3

,

3

Envolventecurva recta

Crculo de Mohr

Angulo de

friccin

C'

S

=C+

tan

Envolvente

,,

,,

S

0 3 1 ,

real C'

' ' tan 's c = +

( )' b

s A =


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Envolvente de falla no linealHay considerable evidencia experimental de quela envolvente de falla no es recta (Figura 3.10).En la mayora de los suelos, la envolvente de fallapara los niveles de esfuerzos pequeos, es curva yel error de asumirla como recta, puede modicar

sustancialmente los resultados de un anlisis. Enla realidad, no existe un ngulo de friccin para losesfuerzos normales bajos y es preferible utilizartodos los valores de la envolvente. Hawkins (1996)indica que es recomendable presentar los ngulosde friccin como una funcin de las presionesnormales.

(ltimo) = Angulo de friccin para el respectivovalor de .

En la estabilidad de taludes es muy importanteutilizar la envolvente de falla real para cada nivel deesfuerzos (Popescu y otros, 2000). Con este objetivoMaksimovic (1989) desarroll una ecuacin quedescribe el ngulo de friccin como una funcindel esfuerzo normal efectivo (Figura 3.11).

Donde:c = Cohesin real del suelo .'B = ngulo de friccin residual. ' = ngulo de dilatancia mxima.pN = Nivel de esfuerzo efectivo para '/2 o esfuerzo promedio.

Envolventes de Esfuerzos Totales y deEsfuerzos Efectivos

Las envolventes de esfuerzos se representan entrminos de esfuerzos efectivos o de esfuerzostotales. La envolvente de esfuerzos totales reejalas presiones de poros que se producen durante elcorte no-drenado, como tambin, el comportamientoen trminos de esfuerzos efectivos.

La envolvente de esfuerzos totales es horizontalo sea que la resistencia al cortante, es constantey es independiente de la magnitud del esfuerzototal (Figura 3.12). La resistencia al cortante es lamisma para todos los valores de esfuerzo normal,

debido a que la arcilla es saturada y no-drenada. Elincremento o disminucin del esfuerzo total normalse manesta solamente en un cambio en la presinde poros, el cual es igual al aumento de la carga yde signo opuesto. Por lo tanto, el esfuerzo efectivoes constante y la resistencia tambin es constante apesar de que se cambie el esfuerzo total normal.

La envolvente de esfuerzos efectivos representael comportamiento fundamental de la arcilla, debidoa que la resistencia de la arcilla es controlada porlos esfuerzos efectivos y por la densidad (Duncan y

Wright, 2005).

La envolvente de esfuerzos efectivos paraarcillas, consiste en dos partes. A esfuerzos altosde connamiento, la arcilla se comporta comonormalmente consolidada y la tendencia es aque la envolvente se extiende hacia el origen. Abajos esfuerzos de connamiento, la arcilla secomporta como sobreconsolidada y la envolventede resistencia no se extiende hacia el origen.

Figura 3.10 Envolventes de resistencia al cortantepara esfuerzos efectivos en arenas, gravas o enrocados.(Duncan y Wright, 2005).

'' ' tan '

'1

f B

N

c

p

= + +

+

Figura 3.11 Envolvente de falla no lineal deMaksimovic (1989).

Esfuerzo efectivo '

Esfuerzodec

ortante

'Suelto

denso

suelto

A mayor densidad la

envolvente es mas curva

'Denso

Suelo granular

Suelo granular

'3 '2

'1

'c'1

c'2

c'3 Superficie de falla de

poco profundidad

Profundidad intermedia

de la superficie de falla

Profundidad de la

superficie de falla

Promedio

'

'

'' ' tans c = +

'

'


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Los valores de los parmetros de resistencia c y' dependen de si la arcilla es sobre-consolidadao normalmente consolidada (Figura 3.13). En elrango sobreconsolidado c es mayor de cero y ' esmenor que para el caso normalmente consolidado.Envolvente para Arcillas No-saturadasEl crculo de Mohr tambin se extiende al anlisisde suelos parcialmente saturados, teniendo encuenta las presiones en el agua y el aire en losvacos (Fredlund 1978).

Si la arcilla est parcialmente saturada,el envolvente de resistencia no-drenada no eshorizontal sino inclinado (Figura 3.14).

Trayectoria de EsfuerzosEl procedimiento y anlisis que utiliza latrayectoria de esfuerzos, permite estudiar elcomportamiento del suelo en el campo o ellaboratorio. La trayectoria de esfuerzos muestrasus estados sucesivos un espacio de esfuerzos p-q ,donde p y q corresponden a los mximos esfuerzosnormales y de cortante en el crculo de Mohr.Para mayor claridad, los crculos de Mohr no se

trazan, slo se traza el diagrama de trayectoria deesfuerzos (Figura 3.15). en estas trayectorias deesfuerzos se puede ver el comportamiento tpicode los elementos del suelo.

Figura 3.14 Envolventes de falla para arcillaparcialmente saturada (Duncan y Wright, 2005).

Figura 3.12 Envolventes de resistencia drenada y no-drenada para esfuerzos efectivos y totales en una arcillasaturada (Duncan y Wright, 2005).

Figura 3.13 Envolventes de resistencia al cortantepara esfuerzos efectivos en arcillas (Duncan y Wright,

2005).

Al aumentar el esfuerzo normal, la resistenciatambin aumenta, debido a que los cambios deesfuerzo total no causan incrementos iguales enla presin de poros. Esto ocurre debido a que elaire presente en los poros se comprime durante laaplicacin de la carga. La carga que no se convierteen presin de poros, es soportada por el esqueletodel suelo, lo cual da como resultado un aumento dela presin efectiva.

Generalmente, se considera que en un suelo conuna saturacin de menos del 70%, no se generapresin de poros en la aplicacin de una carga yla totalidad del aumento de carga, se convierte enesfuerzo efectivo.

Esfuerzos efectivos o totales ' o

Esfuerzodecortante

Uf < 0 Uf > 0

Esfue

rzose

fectiv

os(Dren

ados

ynod

renados

)

'

Esfuerzos totales (No drenados)

S =C, =0

C'

uu

Esfuerzos efectivos '

Esfuerzodecortante

C '

C'

'NCAlta presin de

preconsolidacin

Baja presin

de pre-consolidacin

oc'

oc'

Para presiones mayores a la

presin de preconsolidacin la

envolvente pasa por el

origen C=0

1

2

Para presiones menores a la

presin de preconsolidacin la

envolvente no pasa por el

origen.

Uf < 0 Uf > 0

c'

Esfuerzo total(No drenado)

Esfuerzo efectivo

(Drenado y no-

drenado)

Esfuerzos efectivos o totales ' o

Esfuerzodecortante


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Se pueden trazar tres tipos de trayectoriasdiferentes de la siguiente manera (Lee, 1996):

Trayectoria de esfuerzos efectivos. Lacual pretende presentar el verdaderocomportamiento de la muestra de suelo.

Esfuerzos totales menos presin de porosesttica. Esta trayectoria muestra el estadode esfuerzos en el suelo con un margen parala presin de poros en el agua, debida al nivelesttico de las aguas subterrneas.

Si el nivel de agua no cambia, la diferencia

entre la trayectoria de esfuerzos efectivos yla de esfuerzos totales menos la presin deporos esttica, es la presin de poros en excesogenerada a medida que el suelo experimentadeformaciones.

Esfuerzos totales. La cual muestra latrayectoria de las coordenadas de los esfuerzostotales solamente.

La gura 3.16 muestra las trayectorias de esfuerzos

en un ensayo de corte directo para condicionesdrenadas y no-drenadas. En la condicin drenadala trayectoria de esfuerzos es vertical y correspondea un incremento en el esfuerzo de cortante y unaconstante del esfuerzo normal efectivo sobre elplano horizontal. La trayectoria de esfuerzos no-drenados, se dirige hacia la izquierda, debido aque el incremento en el esfuerzo de cortante estacompaado de una disminucin en el esfuerzonormal efectivo por causa del incremento en lapresin de poros.

REQUERIMIENTOS BSICOS DERESISTENCIA

Anlisis en Condiciones DrenadasEl anlisis en condiciones drenadas se realizautilizando los siguientes parmetros:

Pesos unitarios totales.

Parmetros de c y ' para esfuerzos efectivos.

Presiones de poros determinadas por losniveles hidrostticos del agua o el anlisis delmovimiento del agua.

Anlisis en Condiciones No-drenadasEn condiciones no-drenadas, el cambio de las

cargas ocurre ms rpidamente que el ujo delagua. Las presiones de poros son controladas porel comportamiento del suelo como respuesta a loscambios de las cargas externas.

El anlisis de condiciones no drenadas serealiza utilizando los siguientes parmetros:

Pesos unitarios totales.

Parmetros c y para esfuerzos totales.

Figura 3.15 Trayectoria de esfuerzos.

Figura 3.16 Trayectoria de esfuerzos en un ensayo decorte directo para condiciones drenadas y no-drenadas(Duncan y Wright, 2005).

Crculos

Trayectoria deesfuerzos efectivos

(Presin de poros)

de Mohr

,

Trayectoria deesfuerzos totales

Esfuerzo efectivo ' (KPa)

'Envolvente de esfuerzo efectivo

Resistencia

no drenada

Trayectoria de

esfuerzos no

drenados

0 5 10 15 20 25

Resistencia

drenada

Trayectoria

de esfuerzos

drenados

Esfuerzo

inicial

0

5

10

15

Es

fuerzodecortante


12/52


Anlisis a Corto PlazoEl anlisis a corto plazo se reere a las condicionesdurante la construccin o inmediatamente despusde terminada la construccin. Por ejemplo, si seconstruye un terrapln de material arenoso sobreuna fundacin de arcilla en un tiempo de dos meses,

el anlisis a corto plazo se reere a estos dos meses.Durante este tiempo es razonable asumir que noocurre drenaje en la fundacin de arcilla pero sse presenta drenaje en el terrapln de materialarenoso. En estas condiciones, se debera utilizarel anlisis drenado para el terrapln y no-drenadopara la cimentacin de arcillas saturadas. No esproblema alguno hacer el anlisis conjunto, debidoa que en el terrapln se trabaja con los parmetrosde esfuerzos efectivos y la fundacin con losparmetros de esfuerzos totales. En el terraplnse especican las presiones de poros pero en la

arcilla, no.

No es que no ocurran las presiones de poros perocomo la resistencia de la arcilla est relacionadacon los esfuerzos totales, es innecesario especicarlas presiones de poros (Duncan y Wright, 2005).Como los programas de computador restan laspresiones de poros, sera un error especicarlos.

La estabilidad de taludes durante o al nal delproceso de construccin, se realiza analizando lascondiciones drenadas o no-drenadas de acuerdo

con la permeabilidad del suelo. En los suelosarcillosos, posiblemente se requiere realizar elanlisis con resistencia no-drenada y en los suelosarenosos, con resistencia drenada.

Anlisis a Largo PlazoDespus de un periodo prolongado de tiempo, lasarcillas cargadas alcanzan una condicin drenaday el anlisis a largo plazo, puede realizarse encondiciones drenadas.

En el caso del ejemplo anterior de un terrapln

arenoso sobre una fundacin de arcilla, enambos materiales se debe realizar el anlisis entrminos de esfuerzos efectivos y presiones deporos determinadas de acuerdo con los niveleshidrostticos del agua o el anlisis de corriente deagua. Se especicaran presiones de poros paralos dos materiales.

La variacin de las cargas y de la resistenciaal cortante, con el tiempo, produce cambios en losfactores de seguridad de los taludes.

Figura 3.17 Variaciones con el tiempo del esfuerzo decortante, la presin de poros y el factor de seguridadpara un terrapln sobre una arcilla saturada (Bishop yBjerrum, 1960).

Nivel de

agua

P

0 Tiempo

Esfuerzo cortante

promedio en el

punto P

Altura del

relleno

0 Tiempo

Presin debida alnivel del agua

Presin de

poros

0 Tiempo

Relacin de presin de

poros promedio sobre

la superficie de falla

Altura del

relleno

0

Tiempo

Factor de seguridad contra

falla de la fundacin (Mtodo C,)

Se aplica mtodo

u

r

Promedio

r = u/z

Disipacin de Presin de porosFactordeseguridad

Construccin

rpida

de equilibrio

uu

u=0

presin de poros


13/52


Cuando un talud en arcilla es excavado, laspresiones de poros en la arcilla disminuyen, comorespuesta a la excavacin del material. Con eltiempo, estas presiones en exceso negativas,se disipan y la presin de poros eventualmente,puede regresar a su condicin original (Figuras

3.17 y 3.18).

Falla ProgresivaUna suposicin fundamental en el anlisisde equilibrio lmite es que la resistencia delsuelo puede movilizarse en un gran rango dedeformaciones o sea que el suelo es dctil y nofrgil. Esta suposicin se presenta porque elanlisis de equilibrio lmite, no tiene en cuentalas deformaciones. En algunos casos, la falla noocurre de esta manera, sino que se presenta unafalla progresiva.

La falla progresiva es una posibilidad muyfuerte en el caso de las excavaciones de taludesen arcillas sobreconsolidadas y en lutitas,especialmente en arcillas o lutitas suradas. Estosmateriales tienen un comportamiento frgil o fsilen el comportamiento esfuerzo - deformacin.Cuando se realiza una excavacin en una arcillasurada o en una lutita, el talud de la excavacinrebota horizontalmente como se muestra en lagura 3.19.

Estudios realizados por Duncan y Dunlop(1969) muestran que los esfuerzos de cortanteson muy altos en el pie del talud y que hay unatendencia a la ocurrencia de la falla, empezandoen el pie del talud y progresando hacia adentro.Inmediatamente despus de la excavacin deltalud, (al tiempo t1) los esfuerzos en el punto Apueden haber alcanzado la resistencia pico y losesfuerzos en los puntos B y C, no han alcanzadola resistencia pico. Con el tiempo, el taludcontinuar su rebote hacia el corte, debido a unarespuesta demorada al descargue relacionada

con la excavacin y posiblemente, a la expansinde la arcilla, al aumentar el contenido de aguarelacionado con la reduccin de esfuerzos.

Despus de un tiempo (t2), las deformaciones enlos puntos A, B, y C sern mayores. Los esfuerzosen el punto A van a disminuir al sobrepasar laresistencia pico y los esfuerzos en los puntos B yC, se acercan a la resistencia pico. Al continuar elproceso de falla progresiva (t3), el desplazamientoen el punto B ser de tal magnitud, que habr

pasado tambin, la resistencia pico y los esfuerzosen el punto C, llegaran al valor de resistenciapico. En este proceso, la supercie de falla seira desplazando de abajo hacia arriba, sin que semovilice la resistencia pico, simultneamente entodos los puntos de la supercie de falla.

La posibilidad de falla progresiva depende delndice de fragilidad (Bishop, 1967).

Donde:

Ib = ndice de fragilidad

sp = Resistencia pico

sr = Resistencia residual

Figura 3.18 Variacin, con el tiempo, de la presin deporos y del factor de seguridad durante y despus de laexcavacin de un talud en arcilla (Bishop y Bjerrum,1960).

0 Tiempo

Nivel de agua finalA=1

A=0

Nivel de agua original

Presindeporos

0 Tiempo

A=0

A=1

Factordese

guridadF

Construccin rpida

Factor de seguridad (Mtodo C,)

Redistribucin de presin de poros

Nivel de agua final

Presin de poros al final

de excavacin A=1

Nivel de agua original

Presin de poros al final

de excavacin A=0

Nivel piezomtrico

final

Nivel piezomtrico

inicial

Lnea equipotencial

Se aplica mtodou=0

Presin de porosde equilibrio

p r

b

p

S SI

S

=


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Entre mayor sea el ndice de fragilidad, laposibilidad de falla progresiva aumenta. Unavez la falla progresiva se inicia, puede continuaren forma lenta o rpida, de acuerdo con lascaractersticas del movimiento y la estructura delos materiales.

Para tener en cuenta la posibilidad deocurrencia de falla progresiva en los suelos o rocasde comportamiento frgil (no dctil), se recomiendautilizar los parmetros de resistencia residual, osea, los parmetros del suelo despus de que hapasado la resistencia pico.

Cargas SsmicasLos sismos afectan la estabilidad de los taludesen dos formas: la aceleracin producida por elmovimiento de la tierra que somete el suelo a unsistema variable de fuerzas cclicas y los esfuerzoscclicos inducidos por las cargas del sismo quepueden producir reduccin en la resistencia alcortante del suelo.

Si la resistencia del suelo se reduce en menosdel 15% por accin de la carga ssmica, se puedehacer un anlisis seudoesttico de estabilidad deltalud.

En el anlisis seudoesttico, el efecto del sismose representa simplemente aplicando una cargaesttica horizontal a la masa de falla potencial.Si la reduccin en la resistencia del suelo es msdel 15% como resultado de las cargas cclicas,se recomienda realizar un anlisis dinmicopara estimar las deformaciones y la prdida deresistencia.

Adicionalmente al estudio del comportamientode un talud en el momento de un sismo, se puederequerir el anlisis de la estabilidad del taluddespus del sismo. Las deformaciones producidas

durante el sismo, pueden generar una falla amediano o largo plazo.

Condiciones Especiales de CargaEn ocasiones, se requiere realizar el anlisis delas condiciones especiales de carga. Por ejemplo,si la fundacin de arcilla es muy dbil (cuando esincapaz de soportar las cargas impuestas por unterrapln) la estabilidad del terrapln se puedemejorar colocando solamente, una porcin delrelleno planeado.

Figura 3.19 Mecanismo de falla progresiva de untalud en corte de arcilla sobreconsolidada (Duncan yWright, 2005).

Superficie

de falla

potencial

Arcilla

sobre-consolidada

Talud excavado

Rebote

A

B C

Desplazamiento horizontal- x

A

B

C

Tiempo t

B

C A

Tiempo t

C

B

A

Tiempo t

E

sfuerzodecortante

Esfuerz

odecortante

Esfuerzodecortante



3

2

1


15/52


En este caso, se puede realizar un anlisis deconsolidacin para estimar el aumento de esfuerzosefectivos debido a la consolidacin y el aumentoen resistencia. En ocasiones, se requiere analizarla estabilidad de los taludes por la accin desobrecargas colocadas provisionalmente durante

la construccin, como depsitos de materiales ypaso de maquinaria pesada.

Dependiendo de si la carga es temporal opermanente y si el suelo drena rpidamente ono, se utilizaran en el anlisis, las resistenciasdrenadas o no-drenadas.

En las presas de tierra se puede requerirrealizar anlisis con diferentes niveles de agua yen el caso especco del descenso rpido del niveldel embalse.

MEDICIN DE LA RESISTENCIA ALCORTANTE

La determinacin precisa de las resistencias de losmateriales de un talud, es esencial para el anlisisrepresentativo de la estabilidad de sus condicionesreales; aunque es posible en algunas circunstanciasrealizar ensayos in situ, la forma ms comn deobtener los parmetros de resistencia al corte,son los ensayos de laboratorio. No obstante, losvalores de resistencia al cortante determinados enlos ensayos de laboratorio, dependen de factorestales como la calidad de las muestras, su tamao yel mtodo de ensayo.

Las envolventes de falla para suelos y rocas,generalmente no son lineales en un rangoamplio de esfuerzos; por esta razn, los ensayosdeben ser realizados en el rango de esfuerzoscorrespondientes a la situacin de diseo. Porejemplo, para los deslizamientos poco profundos,deben utilizarse esfuerzos normales (pequeos)

y para fallas profundas, esfuerzos normales(mayores).

La diferencia entre la rata de carga aplicadaen un ensayo de laboratorio y la situacin real,es sustancial. La mayora de los ensayos delaboratorio colocan la carga en unos minutosu horas pero para la mayora de los taludes, lacarga es permanente con excepcin de las cargasdinmicas, que son aplicadas en perodos muycortos de tiempo.

La resistencia al cortante depende del grado desaturacin y ste vara con el tiempo. Esta situacindiculta la realizacin de ensayos representativosen muestras no saturadas y generalmente, seacostumbra trabajar con muestras saturadas.

Seleccin de las MuestrasLa determinacin precisa de las resistencias alcortante es esencial para un anlisis de estabilidadde taludes; sin embargo, los valores obtenidos dela resistencia al cortante, dependen de muchosfactores, especialmente de la calidad de lasmuestras, su tamao y el mtodo de anlisis.

Una preocupacin muy grande es el efecto dela alteracin de la muestra sobre la resistenciaal cortante. Muestras muy buenas pueden tenerprdidas de resistencia de hasta el 50% (Ladd yLambe 1964; Clayton y Hight 1992). Adems, lasmuestras deben ser obtenidas a una profundidadcorrecta, de acuerdo con las posibles superciescrticas de falla.

Las muestras para ensayo deben ser de excelentecalidad, lo ms representativas de la situacinreal en el campo; deben ser tomadas lo mscercanamente posible, a las probables superciesde falla y lo sucientemente grandes, para eliminarefectos de borde. Es muy importante que losensayos sean realizados sobre muestras de sueloo roca preparadas con material inalterado, lo msrepresentativo posible del material in situ; porejemplo, muestras grandes en bloque de muy buenacalidad o muestras tomadas con muestreadoresdelgados, pueden estar relativamente inalteradas.

Generalmente, entre ms grande sea lamuestra, sta podra ser de mejor calidad. Eltamao de la muestra es muy importante. En lossuelos residuales, el tamao de la muestra puededeterminar el valor de la resistencia obtenida en el

ensayo como puede observarse en la Figura 3.20.La dimensin mnima de la muestra que se va aensayar, debe ser al menos seis veces el tamaomximo de la partcula contenido en ella.

Las muestras para ensayos triaxiales debentener como mnimo siete centmetros de dimetroy para ensayos de corte directo, de seis a diezcentmetros. El espesor mnimo de la muestra enun ensayo de corte directo, es de dos centmetrospero existen anillos de hasta 30 centmetros.


16/52


En el caso de los suelos con presencia de grava, lapreparacin de la muestra es difcil y puede ser norepresentativa, de la realidad de la resistencia alsuelo en el sitio y en ocasiones, se deben realizarlos ensayos con material de la matriz solamente.

De otro lado, la preparacin de muestras dematerial muy frgil es difcil y en ocasiones existela tendencia a utilizar para el ensayo, las partesms duras de la muestra, lo cual conduce a obtenerparmetros de resistencia mayores a los reales.

Toma de Muestras y Ensayo de SuelosGranularesLa toma de muestras idalteradas de arena limpiaes prcticamente imposible y rara vez se intentaen un proyecto de consultora. Como alternativa,se utilizan ensayos de muestras alteradas con

densidades relativamente iguales que las tomadasen campo o la suposicin de los ngulos de friccin,de acuerdo con tablas en las cuales se correlacionala resistencia con la densidad relativa o con elensayo de penetracin estndar SPT. Otra forma de ensayo es el clculo del ngulo de

reposo. De acuerdo con Cornforth (2005), el sistemams utilizado es la correlacin con el SPT.

ENSAYOS DE LABORATORIO

Para obtener los parmetros de resistencia alcortante, se pueden realizar ensayos de resistencia

de laboratorio o de campo o se pueden utilizarcorrelaciones empricas a partir de ensayosindirectos u otras propiedades de los suelos. Losensayos de laboratorio ms comunes para elanlisis de estabilidad de taludes, son los ensayosde compresin triaxial y de corte directo.

Ensayo TriaxialEn un ensayo triaxial se colocan cargas deconnamiento (

3) y cargas axiales (1) tratando

de simular las condiciones reales de esfuerzosen el suelo (Figura 3.21). Se ensayan muestrascilndricas dentro de una membrana delgada decaucho, colocndolas dentro de una celda triaxialcon dos tapas rgidas y pistones arriba y abajo dela muestra.

El equipo de ensayo Triaxial es muy verstily permite realizar ensayos con gran variedad deprocedimientos para determinar la resistenciaal cortante, la rigidez y las caractersticas dedeformacin de las muestras.

Figura 3.20Efecto del tamao de la muestra sobre laresistencia al cortante, de una lava basltica meteorizada(Brenner y otros 1997).

Figura 3.21 Esquema de un ensayo triaxial.

20 50 100 200 500 1000

Intacta

n = 350kPa

= 200kPan

= 50kPan

Tamao de muestra mm

Re

lacinderesistencia,

0

1

2

2

0

1

2

0

1

3

3

4 Pico

Residual

Triaxial (36O)Anillo circular (63.5O)Anillo cuadrado(100)Anillo cuadrado (500)Triaxial (100O)

max/

max(500x

500)

Intacta

Intacta

presin

Esfuerzo Axial

lateralEsfuerzo

de poros

3

3

3

3


17/52


Adicionalmente, el ensayo se puede realizarpara medir caractersticas de consolidacin ypermeabilidad.

La celda se llena de un uido especial, se leaplica una presin determinada al uido (3),

la cual se transmite por ste a la muestra. Losesfuerzos de cortante se aplican mediante fuerzasde compresin verticales accionadas por lospistones (Figuras 3.22 y 3.23). La presin de porosdentro de la muestra puede medirse a travs de unpequeo tubo o bureta en contacto con la muestra.Para cada presin de connamiento se obtiene elesfuerzo desviador () que se requiere para hacerfallar la muestra.

El drenaje de la muestra se realiza a travs delas piedras porosas para que se pueda medir elcambio de volumen de agua. Alternativamente, sino se permite el drenaje, se puede medir la presinde poros. Realizando varias pruebas se lograraobtener la envolvente de Mohr para un suelodeterminado (Figura 3.24).

El comportamiento esfuerzodeformacin esdeterminado por la presin de connamiento, lahistoria de esfuerzos y otros factores. El ensayotambin puede realizarse incrementando losesfuerzos radiales mientras se mantiene constantela fuerza axial. La descripcin detallada delprocedimiento de ensayo y medicin de presin deporos se presenta en los manuales de laboratorio yen lostextos de mecnica de suelos (Bowles, 1986).

Pre-saturacin de la muestra

Es muy importante en los ensayos triaxiales y engeneral en los ensayos de resistencia al cortante,garantizar que la muestra se encuentre saturadadurante la totalidad del ensayo. Puede tomar entre2 horas a un da, el proceso completo de saturacinque a su vez, depende del tipo de suelo.

Debe asegurarse que el aire no se acumule entrela muestra y la membrana de caucho. Durantela saturacin, se pueden requerir presiones deconnamiento que ayuden en el proceso, pero estaspresiones se deben mantener a un nivel bajo paraevitar la preconsolidacin de la muestra.

Tipos de Ensayo TriaxialGeneralmente, existen cuatro formas de realizarel ensayo Triaxial as:

Ensayo inconfnado no-drenado

La muestra se coloca dentro de la cmara sin lamembrana de caucho, para el ensayo triaxial. Nose coloca presin de connamiento pero la muestradebe encontrarse saturada (Figura 3.25). La ratade deformacin generalmente se trabaja al 2% de

la longitud axial de la muestra por minuto. Esteensayo slo es posible realizarlo en suelos arcillososy se obtiene la resistencia al cortante no-drenadainmediata (Su). No es posible realizar el ensayo enarcillas suradas o con cohesin muy baja.

Ensayo no consolidado, no-drenado o ensayo

rpido

No se permite el drenaje durante la aplicacin dela presin de connamiento y el esfuerzo desviador(Figura 3.26). Este ensayo se utiliza para modelarel caso de un terrapln o una carga colocada

rpidamente, sobre un manto de arcilla saturadade muy baja permeabilidad.

El ensayo se realiza a una rata de deformacinrelativamente rpida. Generalmente, se utilizauna presin de connamiento igual a la presingeoesttica que acta sobre el suelo en el campo.Se le conoce como ensayo rpido.

Figura 3.22Detalle de la celda para el ensayo triaxial.

Transductor de

presin de porosControl de

Pedestal

Presin

Muestra

Celda

Piedra porosa

Anillos

Cilindro

Salida Pistn

presin de poros

Al transductor depresin de poros

de aire

Membrana


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Ensayo consolidado no-drenado, con medicin

de presin de poros

Se permite el drenaje durante la aplicacin delesfuerzo de connamiento colocndolo lentamente,pero se no se permite durante la aplicacin delesfuerzo desviador (Figura 3.27).

Los ensayos no-drenados deben realizarse auna rata que no exceda una deformacin unitariadel 2% por hora, con el objeto de lograr unaecualizacin completa de la presin de poros a

travs de la muestra.Las lecturas se toman cada medio porcentaje de

deformacin o en forma continua. A este ensayo sele conoce como ensayo R.

Se emplea para simular el caso de desembalserpido de una represa o la colocacin rpida deun terrapln sobre un talud. Igualmente, parael anlisis ssmico de terraplenes sobre suelosblandos.

Ensayo consolidado drenado

El ensayo se realiza lentamente para permitir eldrenaje del agua dentro de la muestra e impedirque se puedan generar presiones de poros (Figura3.28). Los ensayos drenados generalmenteson preferidos para los ensayos rutinarios

(Geotechnical Engineering Ofce, 1979), debido ala facilidad de su ejecucin y son los ms utilizadospara el anlisis de laderas y taludes.

La velocidad de ensayo debe ser tal, quelas uctuaciones en la presin de poros seandespreciables y en cualquier caso, que no seansuperiores al 5% de la presin efectiva deconnamiento. Este ensayo se le conoce comoensayo S o ensayo lento.

En qu casos utilizar la resistencia no-drenada (UU) y la resistencia consolidada

drenada (CD)

De acuerdo con el tipo de ensayo, se obtiene unvalor diferente del ngulo de friccin. En general,el ensayo consolidado drenado presenta ngulosde friccin mayores, mientras el ensayo noconsolidado no drenado, da los valores mnimosde (Winterkorn y Fang, 1991).

Las condiciones de resistencia no-drenadaprevalecen inmediatamente despus del cargue

o descargue de arcillas blandas con muy bajapermeabilidad. Por lo tanto, las arcillas pococonsolidadas se comportan como si tuvieran unvalor de = 0, lo cual equivale a que la envolventeMohr-Coulomb es horizontal.

Figura 3.23 Diagrama del ensayo triaxial.

Figura 3.24 Crculos de Mohr y envolvente de falla deun ensayo Triaxial.

a) Equipo

b) Condiciones deesfuerzo

c) Curvas esfuerzo deformacin

Medidas decambio de volumen

Tapa

Membrana

Muestra

Piedra porosa

Celdade

presin

Transductor depresin de poros

z= 1

r=3

3

1-

3

,= 300

3,= 200

3,= 100

3

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

100

200

300

400

500

600

Esfuerzo Normal Efectivo, N' (kPa)

EsfuerzodeC

ortante,

(kPa)

3 f'

tan' = 0.675

Parametros de Mohr - Coulomb:

c' =0 ' = 34.0


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Este concepto de resistencia no-drenada debeser utilizado para el anlisis de estabilidad deproblemas en suelos normalmente consolidadoso poco sobre-consolidados. Sin embargo, si larelacin de sobreconsolidacin es mayor de 4, elsuelo tiende a incrementar su volumen durante el

corte con una disminucin en la presin de poros;por lo tanto, en este caso, no se cumple la condicinde resistencia no-drenada y se recomienda utilizarla resistencia consolidada drenada.

Variables del Ensayo TriaxialLos resultados obtenidos del ensayo Triaxialdependen del tipo de ensayo y del equipo disponible,los cuales se mencionan a continuacin:

La envolvente de falla con el ngulo de fricciny la cohesin pico.

La respuesta de presin de poros al corte(ensayo no-drenado).

La respuesta de cambio de volumen al corte(ensayo drenado).

Mdulos tangente y secante inicial o loscorrespondientes de descarga y recarga.

Las caractersticas de consolidacin.

La permeabilidad a diferentes presiones deconnamiento.

Tamao de la muestra

Para ensayar suelos residuales, el dimetro dela muestra no debe ser menor de 76 mm, debidoa que los dimetros menores no se consideranrepresentativos para tener en cuenta los efectosde escala, relacionados con las suras y juntasen el suelo. Adicionalmente, el dimetro no debeser menor de 8 veces el tamao mximo de lapartcula. La relacin largo dimetro no debe

ser menor de 2 1.

Consolidacin antes del corte

La muestra es consolidada o no consolidada, deacuerdo con el tipo de ensayo que se realice. En lossuelos saturados (arcillas y limos) para una seriede ensayos a la misma profundidad, la resistenciaa la compresin para ensayos no consolidados no-drenados, se encontr que es independiente de lapresin de la celda, con excepcin de las arcillassuradas.

Algunas Causas de Error en el EnsayoTriaxialEn la interpretacin de los resultados de ensayostriaxiales se debe tener en cuenta las siguientesfuentes de error:

Las muestras tienden a deformarse como unbarril, lo cual conduce a la sobreestimacin dela resistencia al cortante.

En el proceso de saturacin, la muestra tiendea alterarse por el cambio de volumen, lo cualpuede determinar una prdida de resistencia.

Fell y Jeffery (1987) indica una serie de errorescomunes que se cometen en el manejo del ensayoTriaxial.

Ensayo a un nivel muy alto de esfuerzosLa envolvente del crculo de Mohr tiene una formacurva y si se trabaja con niveles altos de esfuerzosse puede sobreestimar la resistencia para el casoreal de los esfuerzos menores; por ejemplo, paralos esfuerzos de connamiento entre 100 y 400kPa, las resistencias se pueden sobreestimarhasta en un 300%. Por lo tanto, es importante queel ensayo triaxial se realice al nivel de esfuerzosde connamiento reales en el talud analizado.

Saturacin incompleta

Comnmente, las muestras inalteradas no sonensayadas con saturacin total, debido a que porcausa de la gravedad, es difcil obtener la saturacin.El resultado, es un aumento en el valor de laresistencia de laboratorio (comparativamente conla resistencia real en campo) para el caso saturado.

Ensayo a una rata muy alta de deformacin

Las ratas altas de deformacin no permiten disiparla presin de poros en el ensayo consolidadodrenado.

Ensayo Triaxial Cclico o Ensayo deLicuacinEl ensayo cclico se ejecuta en una celda similar ala del ensayo triaxial a excepcin de que la partealta de la celda tiene un pistn ms largo quepuede transmitir cargas cclicas sobre la partesuperior de la muestra que se va a ensayar. Elequipo tiene que aplicar una carga uniformesinusoidal a una frecuencia entre 0.1 y 2 ciclospor segundo (Hz) (gura 3.29), para simular losesfuerzos inducidos por una onda ssmica.


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Figura 3.25 Ensayo inconnado no-drenado.

Figura 3.26 Ensayo no consolidado - no drenado- o ensayo rpido.

Esfuerzos Totales

No hay

confinamiento

a) Confinamiento de la muestra

Hay

saturacin

pero no

hay presin

de poros

Presin de poros Esfuerzos Efectivos

No hay

esfuerzos

efectivos

b) Falla de la muestra

Esfuerzos Totales


i



f

f

i

i i

i

f

f f


21/52


Figura 3.27 Ensayo consolidado no-drenado.

Figura 3.28 Ensayo consolidado drenado.

Esfuerzos Totales


=



Esfuerzos Totales


=




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La frecuencia ms comn utilizada es de un ciclopor segundo. Las mediciones de carga axial serealizan mediante una celda electrnica y laspresiones de poros se monitorean con un equipode alta precisin capaz de medir variaciones de +0.25 PSI.

El objetivo principal de un programa de ensayode triaxial cclico, es poder determinar el potencialde licuacin de los suelos. Despus de realizarlos ensayos cclicos, se realiza un ensayo triaxialconvencional no-drenado.

Ensayo de Corte DirectoEn el ensayo de corte directo en caja, se coloca unamuestra dentro de una caja de forma rectangular,cuadrada o circular, partida por la mitad. Pararealizar el ensayo, una de las dos mitades se mueve

con respecto a la otra mitad y el suelo se rompe a lolargo del plano entre los dos elementos de la caja.Es el ensayo ms comn para obtener la resistenciade los suelos en los estudios de deslizamientos.Este ensayo es simple y econmico de realizar,pero presenta los inconvenientes del poco controlque se tiene sobre las condiciones de drenaje, ladicultad para medir presiones de poros y algunosproblemas inherentes a los mecanismos de lasmquinas que realizan los ensayos.

Las ventajas de los ensayos de corte directo

son su facilidad de ejecucin, la cual permite larealizacin de una gran cantidad de pruebas enpoco tiempo y la posibilidad de realizar ensayossobre supercies de discontinuidad. El ensayo decorte directo es de uso obligatorio cuando se trabajaa niveles bajos de esfuerzos o si se desea obtenerla resistencia a lo largo de las discontinuidades.En este ensayo, la resistencia al cortante puedemedirse en un plano predeterminado, cortandola muestra con una orientacin explcita. Lasupercie de falla es predenida y no dependede las propiedades del suelo; por esta razn, los

valores de resistencia obtenidos, tienden a sermayores que en los ensayos triaxiales.

La muestra se coloca en una caja compuestapor dos anillos (Figura 3.30), uno superior yotro inferior, los cuales pueden desplazarsehorizontalmente el uno con respecto al otro alaplicarse una fuerza de cortante (Figura 3.31). Lasmuestras no pueden saturarse completamente,pero se puede obtener un grado de saturacinrelativamente alto, sumergiendo la muestra en agua

por un perodo largo de tiempo, antes del ensayo.No obstante, debe tenerse mucho cuidado con losefectos de saturacin sobre algunos materiales,especialmente los suelos expansivos.

Figura 3.29 Datos tpicos obtenidos de un ensayotriaxial cclico (Cornforth, 2005).

10

10

-60

-40

-20

0

20

40

60

0 3020

Ensayociclco

EsfuerzodesviadorKPa

0 10 20 30

0

20

40

60

80

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30

20

0

40

60

80

100

0 5 2015 25

Tiempo - Segundos

Tiempo - Segundos

Tiempo - Segundos

Deformacin Axial

(Relativa a la posicin antes de los ciclos) %

Ensayociclco

ConfinamientoefectivoKPa

Ensayociclco

Esfuerzoaxial%

Esfuerzodesviador

KPa

enlasegundapartede

lensayo

1

3


23/52


Se dibuja una curva esfuerzo-deformacin paracada ensayo, en la cual se determinan los valores dela resistencia mxima y la resistencia residual. Serealizan varias pruebas para el mismo tipo de suelocon diferentes presiones normales y se dibuja laenvolvente de falla para obtener grcamente, losvalores de cohesin y ngulo de friccin (Figura 3.32).Se recomienda un mnimo de cinco pruebas paracada tipo de suelo.

Ensayos con deformacin controlada o con

esfuerzo controlado

El esfuerzo de corte puede ser aplicadoincrementando los esfuerzos en forma gradual

y midiendo la deformacin producida (esfuerzocontrolado) o moviendo las partes del equipo conun desplazamiento dado y midiendo el esfuerzoresultante (deformacin controlada).

Los ensayos de esfuerzo controlado no soncomunes; sin embargo, son convenientes en el casode que se requiera una rata de desplazamiento muybaja y cuando se desea conocer el comportamientode los suelos en la reptacin. Este tipo deensayo no puede determinar el esfuerzo pico y laresistencia residual en forma precisa. El ensayo

de deformacin controlada es ms fcil de efectuary permite obtener la resistencia ltima y laresistencia residual.

Rata de CorteLa rata de corte depende de las condiciones dedrenaje para las cuales se requiere realizar elensayo y por lo tanto, para la permeabilidad de lamuestra. La naturaleza del ensayo de corte directo,por lo general, no permite obtener una condicincompletamente drenada o completamente

no-drenada en un ensayo a una rata constantede corte; no obstante, en la prctica es posibleseleccionar una rata de deformacin tal, quela desviacin con las condiciones reales no essignicativa.

Head (1982) recomienda un tiempo de fallapara un ensayo de corte drenado:

Donde t100 es el tiempo correspondiente al 100%de la consolidacin primaria.

La Norma ASTM D 3080 recomienda:

Donde t50 corresponde al 50% de la consolidacinprimaria.

Una vez determinado el tf, la rata de cortepuede ser estimada conociendo aproximadamenteel desplazamiento horizontal para la resistenciapico. Para los suelos residuales de granito, Cheungy otros (1988) encontraron que no haba diferenciasen los parmetros de resistencia obtenidos pararatas de deformacin entre 0.007 y 0.6 mm porminuto.

Figura 3.31 Movimiento de las dos mitades del ensayode corte directo en caja. (Cornforth, 2005).

Figura 3.30 Detalle de la caja de ensayo de cortedirecto.

PistnCargado

Suelo

Deformmetro

Carga verticalClavijas alineadas

(remover cuando se

Rodillos defriccin baja

realice el ensayo)

horizontal

cortante

Fuerza

Muestra

Muestra

Piedras porosasTapametlica

N

N

Superficie de cortante

T

10012.70ft t=

5050ft t=


24/52


Cargas NormalesLas cargas normales que se deben utilizar en elensayo deben incluir los esfuerzos mximos quese suponen ocurren en el terreno (Figura 3.33).

Al menos deben realizarse ensayos con cuatrocargas diferentes para denir una envolvente defalla. En los suelos no cohesivos, la envolventede falla generalmente pasa por el origen, pero con

suelos relativamente cementados, debe haber unintercepto de cohesin.

Si este componente cohesivo es de importanciaen la aplicacin de la ingeniera que se va aanalizar, se deben realizar ensayos con cargasnormales muy pequeas sobre muestrasinalteradas, manejadas con mucho cuidado paraevitar alteraciones. Igualmente, es recomendableensayar puntos adicionales en el rango de bajaspresiones normales.

Densidad de la MuestraCuando se realicen ensayos para analizar taludesde rellenos compactados, se debe denir lo mspreciso posible, la densidad a la cual se debe ensayarla muestra, de acuerdo con la densidad del relleno.

Desplazamiento MximoEn los ensayos con deformacin controlada,generalmente se requiere conocer la resistenciaresidual. En ese caso, una forma es la realizacinde un ensayo que devuelva la muestra despus depasar por la resistencia pico.

Si no se requiere la obtencin de la resistenciaresidual, se puede detener el ensayo despus depasar la resistencia pico, pero en ningn momento,menos de 10 mm. Si el suelo no muestra resistenciapico por tratarse de un material muy blando, es

suciente un desplazamiento de 15 mm.

Tamao de la MuestraLas cajas para corte son comnmente cuadradaspero las hay tambin circulares. En las cajascuadradas es ms fcil tener en cuenta la reduccindel rea durante el ensayo. Las dimensionestpicas para la caja cuadrada son de 60 mm o 100mm y en algunos casos, hasta 300 mm o ms. Enlas cajas circulares, los tamaos comunes son de50 y 75 mm. El tamao mximo de la partculade suelo determina el espesor de la muestra

(Cheung y otros, 1988).

De acuerdo con la Norma ASTM D3080, sedeben tener en cuenta las siguientes indicaciones:

El espesor de la muestra debe ser al menosseis veces el tamao mximo de los granos desuelo y no menos de 12.5 mm.

El dimetro de la muestra (o ancho) debe seral menos dos veces el espesor.

La especicacin china para los ensayos geotcnicosrecomienda un espesor de 4 a 8 veces el tamaodel grano y un dimetro de 8 a 12 veces el tamaomximo del grano.

Cheung y otros (1988) encontraron que unamuestra cuadrada de 100 mm y un espesor de44 mm eran adecuados para ensayar un sueloresidual de granito, donde el tamao mximo delgrano fuera de 8 mm. Al utilizar tamaos menores,las curvas esfuerzo-deformacin eran irregulares.

Figura 3.32 Esfuerzo de falla y envolvente en unensayo de corte directo.

Una velocidad mxima de 0.08 mm/minuto seconsidera apropiada para ensayos drenados desuelos residuales.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Desplazamiento (mm)

74.7

135.0

214.5

0

20

40

60

80

100

120

140

Esfuerzo normal efectivo (kPa)

Esfuerzocortante,(k

Pa)

Esfuerzocortante,

(kPa)

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250,n

Parmetros del sueloc = 0; = 26.0o

0.488 = tan

1

2

3

1

2

3


25/52


El tamao de la muestra es muy importante parael ensayo de los suelos residuales. Por ejemplo,Garga (1988) encontr que para un suelo residualde basalto denso surado, si se utilizaba una caja

de 500 mm por 500 mm y una altura de 290 mm,la resistencia era 1.5 a 3 veces menor que en unensayo Triaxial de 36 mm de dimetro, en el rangode esfuerzos entre 50 y 350 kPa.

Ensayo de Corte Directo en AnilloEste ensayo desarrollado por Bromhead, consisteen la colocacin de un esfuerzo de cortante hasta lafalla de una muestra de suelo en forma de anillo.La fuerza que se aplica consiste en un torque y eldesplazamiento es circular (Figuras 3.34 y 3.35).

Figura 3.33 Diagrama del ensayo de corte directo.

La mayor ventaja de este ensayo comparada con elensayo tradicional de corte directo en caja, es queel movimiento de cortante es continuo hasta llegara la condicin residual.

Los ensayos en el anillo de corte de Bromhead,

son recomendados porque el corte es continuo yno se requiere reversar la carga como ocurre en elensayo de corte directo convencional. Esto permiteuna orientacin ms completa de las partculas alo largo de la supercie de falla.

De esta forma se obtiene un valor ms preciso dela resistencia residual. Los valores de resistenciaresidual obtenidos en este ensayo, coinciden muybien con los obtenidos del retroanlisis de fallasreales.

Ensayo de Compresin SimpleEl ensayo de compresin simple proviene de unamuestra cilndrica con una relacin dimetrolongitud 1:2. (Figura 3.36) La muestra escomprimida axialmente hasta que ocurre la falla.La resistencia al cortante se asume que es igual ala mitad de la resistencia a la compresin.

Este ensayo es utilizado con frecuencia paraconocer la resistencia no-drenada de sueloscohesivos. Debe tenerse en cuenta que los resultadosson expresados en trminos de esfuerzos totales,debido a que no se mide ningn tipo de presin deporos y los ensayos en limos o arenas o materialessurados no tienen ninguna validez. El ensayo esslo aplicable a suelos cohesivos que no permitenla salida de agua durante el proceso de carga.

Figura 3.34 Esquema del ensayo de corte directo enanillo (Cornforth, 2005).

a a

b

a

a) Caja de corte

b) Esfuerzos punto bc) Orientacin de

d) Crculo de Mohr

z

xz

esfuerzos principales

1

3, ,

,

,x

z,

xz

z,

xy

Carga vertical W

Muestra de

suelo

Superficie

horizontal

de corte

Torque

horizontal

M

r1r2


26/52


Generalmente, el valor de la resistencia no-

drenada se supone igual a la mitad del valor de laresistencia inconnada.

En todos los casos, esta prueba de laboratoriosolamente puede utilizar como un estimadoaproximado de la resistencia en el sitio, debido a laincertidumbre asociada con el ensayo, el muestreoy su preparacin.

Ensayo de Compresin Simple conSuperfcie Ancha PlanaEn los deslizamientos es comn que el ancho seamayor que la profundidad. En estos casos, la fallaocurre por cortante en una supercie plana dedeformaciones. Por esta razn, algunos autores

(Cornforth, 2005) recomiendan realizar ensayosen supercies anchas y planas.

Aunque no existen equipos comercialmentedisponibles para estos ensayos, algunoslaboratorios de Estados Unidos e Inglaterradisponen de este equipo el cual fue desarrollado,inicialmente, por Bishop (gura 3.37).

Ensayo de ngulo de ReposoLos ensayos de ngulo de reposo consisten en la

colocacin del material seco con un embudo cnicoque deja caer el suelo desde una altura aproximadade 10 cm. El ngulo que se forma entre el materialgranular y la horizontal, es el ngulo de reposo.

La medicin se realiza despus de que el suelose ha deslizado sobre el talud del cono conformadoen la cada del material.

Este ensayo se debe realizar entre 10 y 20 vecespara poder precisar el ngulo de reposo promedio.El ensayo del ngulo de reposo tambin se puede

realizar en campo para gravas y enrocado,colocando el material en forma suave con unavolqueta y midiendo el ngulo que se forma con lahorizontal.

Figura 3.35 Resistencia residual obtenida en el ensayode corte en el anillo de Bromhead.

1

2u uq=

Figura 3.36 Ensayo de compresin simple.

'

f

Pico

Estado Crtico

Residual

r

Desplazamiento

fr

r '

c'

c' = 0

Residual

Pico

Falla envolvente

'

'r

max

Esfu

erzodecortante

Deformmetro Muestra

Medidor de

carga


27/52


Ensayos de VeletaEl ensayo de veleta se utiliza para medir laresistencia al cortante no-drenada, en arcillas muyblandas o blandas. Este ensayo se puede realizaren el laboratorio o en el campo (Figuras 3.38 y3.39). En el ensayo de veleta se introduce una

veleta en el suelo, se aplica un torque para producirla falla a lo largo de una supercie cilndrica.

La resistencia al cortante se obtiene igualandoel torque al momento producido por los esfuerzosde cortante sobre la supercie cilndrica.

La resistencia al cortante de una veleta derelacin dimetro altura 1:2, est dada por laexpresin:

Donde:

M = TorqueD = Dimetro de la veleta

Generalmente, la aplicacin de estos ensayosest limitada a los suelos saturados cohesivosen condiciones no-drenadas, lo sucientementeblandos para permitir el hincado y la rotacin dela veleta; no obstante, se han realizado ensayos

de veleta en suelos con resistencia pico hasta de300 kPa (Blight, 1969). Por ejemplo, una veletade altura de 100 mm., dimetro de 50 mm., puedeser utilizada para resistencias de 50 a 70 kPa.

De acuerdo con Andresen (1981), ste es el menortamao posible para determinar la resistencia alcortante de arcillas blandas. Sin embargo, Blighty otros (1970) han utilizado una veleta de alturade 38 mm para obtener la resistencia de suelosresiduales duros.

Los ensayos de veleta pueden realizarse enel fondo de las excavaciones pre-perforadas oempujando la veleta en el suelo desde la superciehasta la profundidad requerida. Este ltimoprocedimiento es muy difcil de realizar en lossuelos residuales. Los ensayos de veleta sonmuy imprecisos y aunque existen frmulas decorreccin, sus resultados deben analizarse conprudencia; sin embargo, el ensayo de veletautilizado conjuntamente con otros ensayos,puede ser una herramienta til para el diseo.

Ensayo de Penetrmetro de BolsilloEl penetrmetro manual o penetrmetro de bolsillo,es un pistn cargado por un resorte de dedimetro, que se entierra dentro de la superciede una arcilla. Como la arcilla de acuerdo con suresistencia, soporta la penetracin del pistn, seregistra la resistencia al cortante no-drenada delsuelo. Algunos penetrmetros estn calibradospara la resistencia a la compresin inconnadaequivalente a dos veces la resistencia al cortante.La penetracin tiene que darse suavemente y es

ms conable en las arcillas medianamente duras.En las arcillas muy duras o frgiles, la penetracinrompe el suelo y el resultado no es conable. En lasarcillas blandas no hay suciente resistencia paraque se registre en el medidor del penetrmetro.

Los penetrmetros de bolsillo pueden utilizarsetanto en el campo como en el laboratorio y seobtiene una medida relativamente cruda de laresistencia, dependiendo en buena parte de laforma como el operador realice el ensayo. Losdatos del penetrmetro no son recomendables

para clculos de estabilidad, sino solamente, paradescribir los materiales.

Ensayo de TorvaneEl torvane es una cabeza de forma circular conuna serie de veletas organizadas radialmentealrededor de la circunferencia (gura 3.40). Lasveletas del torvane se introducen dentro delsuelo y se aplica un torque a travs de un resortecalibrado hasta que la arcilla falla. La lecturamuestra la resistencia al cortante no-drenada.

Figura 3.37 Esquema del ensayo de supercie anchaplana.

3

6

7

M

D

=

Carga

Carga


28/52


El torque debe aplicarse muy lentamente.El torvane generalmente, tiene dos cabezasdiferentes, una para arcillas duras y otra paraarcillas blandas. El torvane es ms conable paraarcillas blandas que para arcillas duras, debidoa que al penetrar las veletas, se puede romper la

arcilla localmente.

ENSAYOS DE CAMPO(In Situ)La utilizacin de ensayos in situ permitedeterminar la resistencia al cortante directamenteen el campo, utilizando ensayos sencillos ocomplejos. Hay una gran variedad de ensayosdisponibles para medir la resistencia al cortantein situ, bien sea en forma directa o indirecta, atravs de correlaciones empricas o semiempricas.Cuando se planea un programa de investigacin

que requiere la determinacin de los parmetrosde resistencia al cortante, se deben analizar losdiversos equipos y sistemas disponibles y lasventajas y desventajas de cada uno de los mtodos,teniendo en cuenta las necesidades del diseo ycmo la conabilidad de esos parmetros van ainuenciar el comportamiento de los diseos.

Los ensayos de campo son muy tiles paradeterminar la resistencia al cortante en suelosresiduales, por las siguientes razones:Se elimina la alteracin por muestreo,

transporte y almacenamiento.

El tamao de la muestra de la masa de suelo esmayor y ms representativo.

Figura 3.39 Detalle de un ensayo de veleta.

Ensayo de Corte Directo In SituEs un ensayo muy poco utilizado debido a su gran

costo. La mayora de los casos reportados en laliteratura, se reeren a ensayos en roca, debido aque no es posible determinar la resistencia de estosmateriales heterogneos o estraticados medianteensayos de laboratorio. El ensayo de corte directode campo es particularmente til para simular lacondicin de los esfuerzos que existen sobre unasupercie plana, potencial de deslizamiento enuna ladera. Tambin, permite el corte con cargasnormales bajas, como es el caso de las fallas pocoprofundas.

El principal propsito de este ensayo esdeterminar los valores de las resistencias pico yresidual, tanto en los materiales intactos como en lasdiscontinuidades, incluyendo las discontinuidadesheredadas. El ensayo de corte directo in situ,generalmente se realiza en apiques. La mayorade los ensayos se organizan en tal forma que elplano es horizontal e idealmente, el plano decorte debe ser paralelo a un grupo mayor dediscontinuidades o coincidir lo ms preciso posiblecon una discontinuidad mayor.

Figura 3.38 Esquema del ensayo de veleta delaboratorio (Cornforth, 2005).

h

d

Cabeza de torquey lector

e

Muestra

Manija

Veleta

Resorte calibrado

eje

R T

4R

2R

2R

Medidor Torque


29/52


Figura 3.40 Esquema de un torvane (Cornforth,2005).

Los tipos de ensayo ms utilizados se indican en la tabla 3.2.

Tabla 3.2Ensayos de resistencia in Situ.

Ensayo Observaciones y limitaciones

Corte directo enel campo

Se realiza generalmente en apiques poco profundos,consume mucho tiempo y es costoso.

Veleta Recomendable para suelos nos solamente.

Corte en sondeo El rea de contacto es limitada y solo se recomiendapara profundidades bajas.

Penetracinestndar

Utilizado principalmente para suelos granulares yarcillas secas, duras.

Penetracin decono

Para suelos blandos o sueltos a densidad mediana,predominantemente suelos nos.

PresurmetroUtilizado para todo tipo de suelos. Requiere de unaexcelente calidad del permetro del sondeo. Es difcil deutilizar en suelos rocosos.

El tamao de las muestras debe ser al menos 10veces el tamao mximo de la partcula. Tamaostpicos son 300 x 300 y 500 x 500 mm para sueloso roca meteorizada. La excavacin del apique ydel pedestal (muestra a ensayar) debe hacersecon especial cuidado para evitar alterar lasdiscontinuidades en la muestra. Una vez se excavael pedestal, debe protegerse de la exposicin paraevitar cambios de humedad.

Si se desea realizar el ensayo a lo largo deuna discontinuidad, la orientacin espacial dela discontinuidad (Rumbo y buzamiento) debeidenticarse muy claramente antes de iniciar eltallado de la muestra.

El equipo para realizar el ensayo de corte directoen campo, consiste en pesos, apoyos y gatoshidrulicos. Durante el ensayo, el alineamientode la carga vertical debe mantenerse a medida queavanza el desplazamiento de corte.

Ensayo de Penetracin EstndarEn el ensayo de penetracin estndar, se entierraun tubo partido, aplicando golpes con un martillo

de 63 Kg que cae de una altura de 750 mm(Figura 3.41). El nmero de golpes requeridopara enterrar el tubo de 300 mm, se denominaN de penetracin estndar. Con el nmero degolpes se puede estimar el valor del ngulo defriccin interna para arenas (Peck y otros,1974). Tambin, se puede obtener la densidadrelativa y con esa densidad extraer el valor de (Schmertmann, 1975).

El ensayo de penetracin estndar se desarrollinicialmente para determinar la resistencia desuelos no cohesivos y la mayora de las correlacionesque existen en la literatura son tiles solamentepara gravas y arenas. Stroud (1974) desarrolluna correlacin muy til del valor de N paraarcillas duras y rocas blandas en el Reino Unido.

La relacin de Stroud es la siguiente: cu= 5NkPa. Esta frmula puede aplicarse en suelosresiduales de Lutitas y en depsitos de arcillas nosaturadas.

1 pulg


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Esta correlacin es utilizada para obtener laresistencia de suelos residuales arcillosos,cuando las profundidades del perl de suelono son mayores de 5 metros. El ensayo depenetracin estndar no es conable para elanlisis de la resistencia en arcillas saturadas.

Ensayo de Penetracin de ConoEn el ensayo de cono se introduce un cono con unngulo , utilizando una fuerza Q (Figuras 3.42 y3.43). La resistencia al cortante es obtenida porla relacin:

Donde:

h = Altura del conoK = Constante que depende de y de Q

Con el valor de la resistencia a la penetracindel cono, se puede obtener el ngulo de friccin o la cohesin, para lo cual existen diferentescorrelaciones.

La relacin entre la resistencia no-drenada yla resistencia de cono puede darse mediante lasiguiente expresin:

Donde:

Su = resistencia no-drenada al cortantev = presin geoesttica a la profundidad deensayo.

= factor de cono (tpicamente igual a 14 + 5para la mayora de las arcillas)

La utilizacin del ensayo de cono en los suelosresiduales es muy limitada, debido a la dicultadde penetracin. El equipo es muy vulnerablea romperse en suelos muy duros o en bloquesde roca o aluvin. Igualmente, los resultadosson en ocasiones errticos con cambios bruscosrelacionados con la presencia de bloques de roca.

Figura 3.41 Ensayo de penetracin estndar.

2cKQq

h=

kN

50mm

36mm

36mm

75mm

460mm

125m

m

30 pulgde altura

Rodillogiratorio

Polea de la corona

normalmentecuerda de manila

=1 pulg

Pesa omartillo

Tubogua

Yunque

Barraperforadora

18 pulg

seccina-a'

seccina-a'

c v

u

k

qs

N

=


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PresurmetroEl ensayo del presurmetro tambin se utiliza conalgunas modicaciones para obtener la resistenciaal cortante y las relaciones Esfuerzo Deformacin

(Wroth, 1984). El dilatmetro de cuchilla planade Marchetti utiliza un elemento delgado de acerocon un ngulo de 18 que se entierra en el suelo.

Luego se ina una membrana de acero exibleutilizando gas nitrogeno para determinar ladeformabilidad del terreno. Pavlakis (1983),present resultados de muy buena correlacinentre el presurmetro y los ensayos triaxiales noconsolidados no-drenados.

Tabla 3.3 Fuentes de deterioro de la muestra en suelos cohesivos (Jamiolkowski y otros, 1985)

Condicin Detalle Observaciones

Alivio deesfuerzos

Cambio de esfuerzos debido a

la excavacin o sondeo.

La reduccin de presin por el sondeo puedecausar deformaciones excesivas en extensin.

La sobrepresin puede causar deformaciones decompresin.

Remocin del esfuerzocortante in situ.

El resultado es el de unas deformacionesgeneralmente pequeas.

Reduccin del esfuerzo deconnamiento Expansin de gas (burbujas).

Tcnicas demuestreo

Geometra de la muestra:dimetro, longitud, relacinde reas, efecto de losaccesorios, pistones, tubos,

etc.

Estas variables afectan el radio de recuperacin,la adhesin a lo largo de las paredes de lamuestra y el espesor de la zona remoldeada a lolargo del permetro de las muestras.

Mtodo de avance. Es mejor una presin continua que el hincado agolpe.

Mtodo de extraccin.Para disminuir el efecto de succin en la partebaja de la muestra, es conveniente utilizar unrompedor de vacos.

Procedimientos

de manejo

Transporte.Utilice un sistema adecuado de empaquey transporte. Evite golpes, cambios en latemperatura, etc.

Almacenamiento

Evite reacciones qumicas, migracin deagua debida al tiempo de almacenamiento,

crecimiento de bacterias, cambios de volumen,etc.

Extruccin y talladoMinimice esfuerzos adicionales (hgalo conmucho cuidado).

DIFERENCIA ENTRE LARESISTENCIAS DE CAMPO Y DELABORATORIOHay una gran cantidad de factores que inuyen

en la razn de la diferencia de resistencia enlas muestras medidas en el laboratorio conrespecto a la resistencia en campo (Skempton yHutchinson, 1969); entre stas, se encuentra latcnica del muestreo, orientacin de la muestra,tamao de muestra, rata de corte, ablandamientodespus de remover la carga y la falla progresiva.

Adicionalmente a los factores mencionados,la resistencia al cortante de un suelo dependetambin, del grado de saturacin, que puede variarcon el tiempo en campo.


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Debido a las dicultades en el anlisis de datos deensayo de muestras no saturadas (generalmenteen el laboratorio), stas se saturan con el objeto demedir las resistencias mnimas de cortante.

Efecto de las Tcnicas de MuestreoEl mejor sistema de toma de muestras es el delos bloques de gran dimetro; sin embargo, laobtencin de este tipo de muestras es compleja ygeneralmente, las muestras se obtienen utilizandotubos Shelby o muestreadores de pared delgadacon pistn.

Incluso, en el caso de que se obtengan muestrascompletamente inalteradas, el estado de esfuerzosde la muestra no corresponde al estado real en elcampo.

Los ca

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