Corte Directo (Consolidado Drenado)
direct shear (consolidated drained)
David Alexander Cepeda Rodríguez Código: 3021021186
Francisco Andrés Parra Cardona Código: 3021221258
Yeison Fernando González Ortiz Código: 3021321776
Resumen- Este informe se refiere al método para determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo de forma consolidada-drenada, éste método está comprendido en la norma INV E 154. En el laboratorio lo que se da a lugar es una simulación de las fatigas y deformaciones que experimenta este tipo de suelo al someterse a cargas, esta experimentación en el espécimen permitirá hallar la cohesión y el ángulo de fricción que son parámetros obligados en el momento de hacer un análisis y diseño geotécnico de cualquier naturaleza.
Palabras Clave-- Cohesión, ángulo de fricción, resistencia al corte, muestra consolidada-drenada, envolvente de falla.
Abstract- This report refers to the method for determining the parameters of shear strength of the soil on a consolidated-drained, such method comprises the norm INV E 154. In the laboratory what gives place is a simulation of fatigue and deformations experienced by this type of soil when subjected to loads, this experimentation in the specimen allow to find the cohesion and the friction angle, parameters that are required at the time to analyze and geotechnical design of any nature.
Keywords-- Cohesion, friction angle, shear strength, consolidated-drained sample failure envelope.
INTRODUCCIÓN
En el presente informe se muestra la metodología y los procedimientos necesarios para realizar el ensayo de corte directo el cual se desarrolla con el fin de determinar la resistencia de una muestra de suelo, el ensayo se efectúa mediante una caja de sección circular dividida horizontalmente en dos mitades a la cual se aplica una carga vertical de confinamiento y posteriormente una carga horizontal progresiva la cual genera desplazamiento de la mitad móvil de la caja lo cual origina el corte de la muestra de suelo. El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos, por una lado un esfuerzo normal aplicado externamente debido a la carga vertical y por otra parte un esfuerzo cortante debido a la aplicación de la carga horizontal. De acuerdo a los resultados de las deformaciones obtenidas se determinarán los parámetros y resistencia al corte del espécimen.
2. OBJETIVOS
Objetivo General
Determinar la resistencia al corte de un espécimen de suelo mediante el ensayo de corte directo (CD) consolidado drenado comprendido en la norma INV E-154.
Objetivos Específicos
Determinar a través de la gráfica esfuerzo secante vs % deformación, los esfuerzos pico de los tres puntos de ensayo.
Determinar el ángulo de fricción y la cohesión (parámetros resistentes al corte) del espécimen de suelo a partir de la gráfica de esfuerzo efectivo de corte vs esfuerzo efectivo normal.
Clasificar el espécimen de suelo de acuerdo a los parámetros obtenidos de la recta intrínseca de falla determinada mediante la regresión de la gráfica de esfuerzo efectivo de corte vs esfuerzo efectivo normal.
3. DATOS
Los datos son suministrados para el laboratorio, para los tres esfuerzos normales de 0.5, 1 y 1.5 Kg/cm2 fueron:
Tabla 1: Datos en los Diales para el σn=0.5 Kg/cm2
Fuente: I.C Martín Riascos
Tabla 2: Datos en los Diales para el σn=1 Kg/cm2
Fuente: I.C Martín Riascos
Tabla 3Datos en los Diales para el σn=1.5 Kg/cm2
Fuente: I.C Martín Riascos
4. CÁLCULOS
Con los datos obtenidos en el laboratorio se procede a realizar los debidos cálculos con el fin de graficar y realizar los respectivos análisis para el espécimen de suelo.
Diámetro inicial= 4 * Area Inicial3.1416
Diámetro inicial= 4 * 36.203.1416 = 6.79 cm
Carga Normal Inicial= Esfuerzo Normal Inicial * Área inicial
Carga Normal Inicial= 0.5 kg/cm2 * 36.2 cm2 = 18.1 kg
% Ɛ hz= L/Lo
L=((Lectura del dial*0.001)/Lo)*2.54*100
Lo= Diámetro inicial
% Ɛ hz= (((0.04*0.001)/6.79)*2.54*100) / 6.79 = 0.15 %
Área Corregida= Área inicial ((Lo - (% Ɛ hz/100)) / Lo)
Área Corregida= 36.2 ((6.79 - (0.15/100)) / 6.79) = 36.19 cm2
Fuerza Cortante= k * Dial de carga
Fuerza Cortante= 0.206149 * 7 = 1.4430 kg
Esfuerzo Cortante= Fuerza cortante / Área Corregida
Esfuerzo Cortante= 1.4430 / 36.19 = 0.040 kg/cm2
Desplazamiento vertical= (Lectura Dial Vertical 1- Lectura Dial Vertical 2)*0.001*2.54
Desplazamiento vertical= (76.2 - 75.3)*0.001*2.54= 0.002 cm
Desplazamiento Horizontal= (Lectura Dial Hz 1- Lectura Dial Hz 2)*0.001*2.54
Desplazamiento Horizontal= (4 - 1)*0.001*2.54= 0.008 cm
Esfuerzo Normal=Fuerza Normal / Área Corregida
Esfuerzo Normal= 18.1/ 36.19 = 0.50011 kg/cm2
Estas fórmulas se utilizan para realizar los respectivos cálculos de cada uno de los datos tomados durante cada ensayo. Los datos utilizados en el ejemplo son los que se encuentran en la fila 3 de la tabla de datos Nro 1, datos en diales del esfuerzo normal inicial de 0.5 kg/cm2.
Tabla de cálculo 1: Esfuerzo normal 0.5 kg/cm2
Tabla de cálculo 2: Esfuerzo normal 1.0 kg/cm2
Tabla de cálculo 3: Esfuerzo normal 1.5 kg/cm2
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Gráfico 1: Diagrama de esfuerzos y deformaciones
Fuente: propia
Se identifican las resistencias pico en para los tres diferentes puntos de ensayo de acuerdo al esfuerzo normal, las resistencias pico es el punto más alto de la curva esfuerzo deformación, el esfuerzo pico se asume en toda la superficie de falla, esto sumado a que en el ensayo de corte directo la superficie de falla es forzada comprende una mayor incertidumbre, las resistencias pico en ejercicio de laboratorio a analizar se encuentran en:
Después del punto de esfuerzo pico debería mostrarse si el suelo fuera preconsolidado, un esfuerzo residual, la teoría de Skempton (1964) dicta que la resistencia pico en los suelos residuales tiene a ser muy similar a la resistencia residual, como se ve en la gráfica se determina que el esfuerzo pico y residual tienden a la similitud, por ende se podría deducir que se trata de un suelo preconsolidado y residual, este esfuerzo máximo corresponde al instante en que las partículas en este suelo se sueltan, disminuyendo el roce interno entre ellas, y a su vez disminuye la resistencia al corte hasta alcanzar la falla con el respectivo valor de esfuerzo de corte que se ve en la tabla anterior.
Gráfico 2: Esfuerzo normal vs Esfuerzos corte pico-Envolvente de falla , regresión y ecuación de la función.
Fuente: propia
Gráfico 3: Envolvente de falla con determinación de los parámetros de resistencia del suelo
Con base en esos esfuerzos pico se toma este dato en los tres momentos del ensayo para un σn de 0.5,1,1.5 Kg/cm2 y se traza una recta con regresión que permite determinar la ecuación de tendencia de la función que conlleva el ejercicio de laboratorio, como se ve en la recta el R2 tiende a 1 así que la así que la estimación tiene un alto porcentaje de confiabilidad en cuanto a que hay una asociación positiva lineal casi perfecta, por otra parte la función se denota como:
Y= 0.5568X+0.05
Donde la cohesión (C´) corresponde a 0.05 Kg/cm2, la pendiente es de 0.5568, se tiene entonces que tan-1(0.5568)= 29.11° que es el dato del ángulo de fricción.
la relación de la resistencia al corte teóricamente por el postulado de Coulomb y la corrección de Terzaghi para los esfuerzos efectivos es:
La relación de la resistencia al corte del ejercicio de laboratorio es:
Fuente: propia
Se puede indicar que el área bajo la curva representa los valores en que el suelo no falla, la recta, llamada también intrínseca de falla representan las diferentes parejas de esfuerzos normales y cortantes que producen falla en el suelo, y el área que está por encima de la recta corresponden a los esfuerzos que nunca podrán alcanzarse en el suelo debido a que el suelo falla antes de llegar a dichos esfuerzos.
De acuerdo a la teoría, se pueden establecer los siguientes valores típicos para los diferentes tipos de suelos:
Tabla: Parámetros de resistencia de diferentes tipos de suelos
Fuente:http://www.monografias.com/trabajos100/explotación-eficiente-maquinarias-construccion/explotacion-eficiente-maquinarias-construccion2.shtml
De acuerdo a esto se puede determinar que se trata de una arcilla arenosa firme con una alta fricción debido a que las arcillas podrían tener un ángulo de fricción de hasta unos 25°, esto teóricamente hablando, ahora para el suelo ensayado se obtuvo un ángulo de fricción alto de unos 29.10° más sin embargo no está muy lejos de los datos en la tabla por ello se podría hablar de que se trata de un suelo con esa descripción, algo importante es que se establece que es un suelo preconsolidado debido a que el cruce de la recta intrínseca de falla con el origen no existe.
tabla: parámetros de ángulo de fricción según tipo y consistencia de material
De acuerdo a la tabla anteriormente presentada se podría evidenciar que la arcilla ensayada en laboratorio es de baja o media plasticidad, más tendiente a ser de baja plasticidad y de una consistencia semidura.
Gráfico 4: Esfuerzo cortante Vs desplazamiento horizontal
Fuente: propia
Como se observa en la gráfica el esfuerzo tangencial aplicado aumenta con el desplazamiento horizontal hasta alcanzar un valor máximo que corresponde a una deformación en cm para las tres diferentes fallas, lo que se puede identificar también es que alcanzando el punto de esfuerzo de corte máximo el suelo resiste menos debido a que ha acabado toda la ductilidad que por sus características poseía.
Gráfico 5 Cambio de volumen Vs Desplazamiento vertical
Fuente: propia
Se puede observar que el suelo tiende a reducir su volumen, se puede hablar que es un suelo contractante, también se puede identificar que llega un momento en que se llega a un punto de desplazamiento horizontal, aproximadamente en 0.05 donde no se observan cambios apreciables de volumen.
6. CONCLUSIONES
Se establece que los esfuerzos pico corresponden al instante de esfuerzo donde las partículas de suelo se sueltan, a dichos esfuerzos le corresponden unas deformaciones como se ven en la siguiente tabla.
Con los esfuerzos pico se establece la recta intrínseca de falla cuya regresión dio la función
Se calcularon los parámetros de resistencia del suelo: ángulo de fricción y cohesión cuyos resultados fueron:
Se determina que el suelo se trata de una arcilla arenosa firme de baja plasticidad, de consistencia semidura y que se encuentra en condición de preconsolidación debido a que la recta no cruza por el origen.
Se identifica el suelo como contractante donde a partir de un desplazamiento de 0.05 cms no se identifica un cambio significativo de volumen.
7. BIBLIOGRAFÍA
Norma INV E-154 ensayo de corte directo consolidado drenado
http://es.slideshare.net/chjosue/3-esfuerzo-yresistenciaalcortante1
http://www.monografias.com/trabajos100/explotacion-eficiente-maquinarias-construccion/explotacion-eficiente-maquinarias-construccion2.shtml
ORTIZ, Juan.Implementación del equipo de corte directo en algunos suelos típicos de punta arenas.Universidad de Magallanes. Tesis de Pregrado en ingeniería.
