UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL SECCIÓN DE POSTGRADO

ENSAYOS DE RESISTENCIA CORTANTE Dr. Jorge E. Alva Hurtado, PhD

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

σ=

N A

τ=

F A

Esquema del Aparato de Corte Directo

τ

τ

φ

φ C

σ

σ Envolvente de falla para una arena seca ensayada en corte directo

Envolvente de falla para una arcilla dura ensayada en corte directo

Detalles del Ensayo y la Caja de Corte Directo Deformimetro para medir desplazamientos verticales y observar la consolidación en ensayos “consolidados”

Juego de tornillos para fijar en posición la cabeza de carga Pasadores de alineación asegurarse de removerlos antes de aplicar la carga horizontal

Deformimetro para medir el desplazamiento lateral

Pυ

Piston de carga

Muestra de Suelo 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

Ensayo de corte Directo: ASTM D3080

CARGA NORMAL: Se aplica por un mecanismo de suspensión y palanca Tornillos separadores

Tornillos que mantienen unidas las dos mitades de la caja de corte

Muestra de

CARGA CORTANTE: Se mide con un anillo de carga o celda de carga

Suelo CAJA CORTANTE: Se aplica con un gato de tornillo

Placas acanaladas para ayudar a una mejor distribución del esfuerzo cortante (perforadas en las pruebas drenadas

Piedras porosas (en pruebas drenadas)

CAJA DE CORTE DIRECTO

Equipo de Corte Directo para Suelos Granulares

Equipo mecánico. Se usa en suelos granulares

Equipo de Corte Directo Residual

Totalmente electrónico. Permite mayores deformaciones. Se usa en suelos finos

Resistencia Residual : Anillo de Corte Directo

σn

Muestra para prueba rápida de corte

Bishop et al, 1964 Bromhead , 1979

Resistencia máxima

Esfuerzo tangencial (kg/cm2)

6

4

2 Resistencia residual

0 0

2

4

6

Deformación tangencial (%)

Prueba de corte directo con drenaje de la lutita de Cucaracha (Margen del Canal de Panamá, 1947)

Máximo s.c. Esfuerzo tangencial

Máximo s.c. σ = constante

Máximo n.c. Residual Residual

Máximo n.c. c

Humedad

0

Desplazamiento

φ fin 0

σ Esfuerzo efectivo sobre el plano de corte

n.c.

s.c. Desplazamiento

Relación entre las resistencias máxima y residual

φµ

40° Arenas Cuarzo 30°

(orientación aleatoria)

Selset Wiener Tegel

φfim

Cuarzo Jackfield

20°

Jari Arcilla de Londres Arcilla Walton’s de Oxford Wood Pequeño Weser-Elba Belt

10°

0

20

40 60 Fracción arcillosa ( < 2 µ) (%)

80

Clorita Talco Biotita

100

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

τff

b)

PRESA DE TIERRA GRANDE CONSTRUÍDA RÁPIDAMENTE SIN CAMBIO EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD DEL NÚCLEO DE ARCILLA

τff τff = Su del núcleo de arcilla compactada

c)

ZAPATA CONTÍNUA COLOCADA RÁPIDAMENTE EN DEPÓSITO DE ARCILLA qu qu = 5.7 Su + γt D de la fórmula de capacidad de carga de Terzaghi con φ = 0

D B

EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CD (CONSOLIDADO - DRENADO)

a) TERRAPLÉN CONSTRUÍDO MUY LENTAMENTE POR CAPAS SOBRE UN DEPÓSITO DE ARCILLA BLANDA

τff = Sd resistencia cortante drenada insitu

τff

b) PRESA DE TIERRA CON ESTADO DE INFILTRACIÓN CONSTANTE τff = Sd del núcleo de arcilla τff

c) ZAPATA CONTÍNUA EN DEPÓSITO DE ARCILLA A LARGO PLAZO DESPUÉS DE LA CONSTRUCCIÓN

qu

1 qu = c Nc + γ BNγ + γ DNq 2 donde Nc, Nγ y Nq son función de φ

D B

EJEMPLOS DE ANÁLISIS TIPO CU (CONSOLIDADO - NO DRENADO)

a) TERRAPLÉN ELEVADO DESPUÉS DE CONSOLIDARSE BAJO ALTURA INICIAL 2 1

τff = Su insitu después de consolidación bajo capa 1 τff

b) DESEMBALSE RÁPIDO AGUAS ARRIBA. SIN DRENAJE DEL NÚCLEO τff

=

Su del núcleo correspondiente a consolidación bajo infiltración constante antes del desembalse

τff

c) CONSTRUCCIÓN RÁPIDA DE TERRAPLÉN EN TALUD NATURAL

τff = Su insitu de arcilla en el talud natural antes de construcción

τff

ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA

b

P, P

ARCILLA SOBRECONSOLIDADA

b

P, P

RESISTENCIA CORTANTE DRENADA Y NO DRENADA

ENSAYO TRIAXIAL Objetivo: Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos en diferentes condiciones de carga y drenaje. σ3

σd

σ3

+

σ1

σ1 = σ1 − u σ3

= σ3

1° ETAPA

2° ETAPA

σ1 = σ3 + σd σd = σ1 − σ3

u

σ3 = σ3 − u

Tipos de Ensayos Triaxiales - Ensayo No Consolidado - No drenado (UU) Construcción rápida en arcillas blandas Análisis al final de la construcción de presas de tierra - 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.

Resistencia Cortante Piston

Porous stone

Lucite chamber

Ruber membrane

Chamber fluid

Soil specimen

Shear Stress

Porous stone

Base plate

Valve To drainage and/or Pore water pressure device Schematic diagram of triaxial test equipment (a)

φ

c σ3

σ3

σ1

σ1

Consolidated – Drained test (b)

Normal Stress

Shear Stress Total Failure envelope

φcu

ccu σ3

σ3 σ1

Shear Stress

Normal Stress σ

σ1

Shear stress

Total stress Failure envelope (φ=0)

Effective stress Failure envelope φ

c σ3

σ3

σ1

σ1

Consolidated – Undrained test (c)

S=CCU

Normal Stress σ

σ3

σ3

σ1

σ1

Normal Stress

Unconsolidated – Undrained test (d)

Sen φ = tg α a c= cos φ

q

α

Q = a + b tgα

a P

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 12 11 10 9

CARGA (Kg/cm2)

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

ASENTAMIENTO (mm)

7

8

9

10

PARAMETROS DE RESISTENCIA

SUELO GRANULAR

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

Tìpos de ángulo de fricción a utilizar en diversos problemas prácticos

50

Angulo de fricción φ (grados)

45

40

35

30

25 25

30

35

40

45

Porosidad inicial (%)

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Relación de vacíos inicial

Relación entre el ángulo de fricción y la porosidad inicial para diversos suelos granulares

Muy suelta

Muy compacta

Suelta Media

Compacta

0

Penetración estándar (golpes/30 cm)

10 20 30 40 50 60 70 80 28

32

36

40

44

φ (grados)

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

Clasificación Limo (no plástico)

Arena uniforme fina a media Arena bien graduada

Arena y grava

i(°)

Talud (vert. a hor.)

26 a 30

1:2

26 a 30

1:2

30 a 34

1:1.75

32 a 36

1:1.60

1:1.75

1:1.75

1:1.50

1:1.40

Para la resistencia residual

Compacidad Media

Compacta

φcν(°)

tg φcν

φ(°)

tg φ

φ(°)

tg φ

26 a 30

0.488

28 a 32

0.532

30 a 34

0.577

26 a 30

0.488

30 a 34

0.577

32 a 36

0.675

30 a 34

0.577

34 a 40

0.675

38 a 46

0.839

32 a 36

0.625

36 a 42

0.726

40 a 48

0.900

0.577

0.577

0.675

0.726

0.625

0.675

0.839

0.900

0.675

0.726

1.030

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

SUELO COHESIVO DRENADO 1.0 Suelo inalterado

0.9

Suelo remoldeado Actividad > 0.75 Actividad < 0.75

0.8 0.7

sen φ

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

0.1 0

5

6

8

10

15

20

30

40

50

60

80

100

150

Indice de plasticidad (%)

Relación entre sen φ y el índice de plasticidad para suelos normalmente consolidados (según Kenney, 1959)

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

Cociente de la resistencia al corte sin drenaje y la presión de consolidación, su/σv

0.7

0.6

0.5 Relación aproximada para las arcillas especiales

0.4

0.3 Arcillas marinas

0.2

0.1

0 0

40

80

120

160

200

250

300

350

Indice de plasticidad

Variación de la relación su/σ10 con el índice de plasticidad (según Osterman, 1959)

Magnitud relativa de las resistencias al corte con o sin drenaje

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.

Elección del método de cálculo de estabilidad en esfuerzos totales o efectivos

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

Nivel freático original Presión intersticial inicial Nivel freático final

Presión intersticial final

Presión intersticial al final de la excavación A = 1

P Presión intersticial al final de la excavación A = 0

u, presión intersticial en P

Línea equipotencial

Nivel freático original

A=1

Nivel freático final

A=0

Tiempo

0

F, factor de seguridad

Aplicable el método φ = 0 en esta fase

A=0 Factor de seguridad (método c, φ)

A=1

Tiempo 0 Excavación Redistribución de presiones intersticiales rápida

Equilibrio de presiones intersticiales

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)

Nivel de agua máximo

hr

Superficie de deslizamiento de aguas abajo Línea equipotencial correspondiente al punto P antes del vaciado

Relleno de roca

hc P

Esfuerzo tangencial medio en una superficie de deslizamiento pasando por P

Superficie de deslizamiento de aguas arriba

h'

hw

Aguas abajo

Aguas arriba

Tiempo Construcción Disipación de presiones intersticiales

Embalse lleno Llenado

Embalse vacío

Flujo

Vaciado rápido

Presión intersticial media en una superficie de la falla pasando por P

establecido

Suponiendo que no hay disipación

Aguas arriba Aguas abajo u2

u1

u3

Tiempo

u0

F, factor de seguridad

Aguas arriba

Aguas abajo

Tiempo

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

Tiempo

0

Presión intersticial en P Correspondiente al nivel freático u

Tiempo

0

Método φ = 0 aplicable en este caso F, Factor de seguridad

Factor de seguridad frente a un deslizamiento en la cimentación (Método c, φ)

Tiempo Construcción

Distribución de presiones intersticiales

Equilibrio de presiones intersticiales

rápida

Variación de los esfuerzos tangenciales, presiones intersticiales y el factor de seguridad y después de la construcción de terraplén (Según Bishop y Bjerrum, 1960)

Elementos necesarios para el cálculo en esfuerzos totales o efectivos

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

Común a ambos métodos

Pruebas para determinar la relación entre resistencia y esfuerzo efectivo

Puede realizarse con considerable precisión ya que esta relación no es muy sensible a las condiciones de la prueba; las pruebas requieren bastante tiempo

Determinación de las variaciones de presión intersticial debidas a variaciones en las cargas exteriores

La precisión es siempre dudosa debido a los múltiples factores que influyen sobre la magnitud de las variaciones de la presión intersticial

Comparación entre los métodos de cálculo en esfuerzos totales y efectivos

Criterio

Esfuerzo total

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

Esfuerzo efectivo

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

{