2015
PLANET [Nombre de la compañía] 1-1-2015
Tecnológico nacional de México México INSTITUTO
Tecnológico
DE
TLAXIACO
CLAVE: 20DIT0004L
MOMBRE:
CARRERA:
GRUPO:
ASIGNATURA:
CATEDRATICO:
Trabajo:
Ciclo escolar: febrero-julio 2015
Tlaxiaco, Oaxaca a 10 de junio
del 2015.
INTRODUCCIÓN El problema de la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos constituye uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de suelos. La modelación o representación matemática del fenómeno de falla al cortante en un deslizamiento se realiza utilizando las teorías de la resistencia de materiales. Se dice que un medio continuo está sometido a un estado de esfuerzos plano continuo cuando puede determinarse un plano al que resulten paralelos los segmentos dirigidos representativos representati vos de los esfuerzos en todos los puntos de dicho medio. Es decir, los l os esfuerzos normales y tangenciales paralelos a la normal a ese plano determinado son nulos en todos los puntos del medio. Se dice que un medio continuo está sometido a un estado continuo de deformación plana cuando, para todos los puntos del medio puede determinarse un plano en el cual las deformaciones normales asociadas a él sean nulas y cuando, simultáneamente, existen otros dos planos normales al primero y entre sí, en los que las deformaciones angulares asociadas sean también nulas. Es común enfrentar el problema de importantes asentamientos en estructuras o terraplenes de obras viales o industriales que se fundan sobre suelos cohesivos blandos y muy blandos (arcillas y limos saturados). En dichos casos, el proceso el proceso de asentamiento puede durar años, lo cual naturalmente complica o impide la terminación completa de las obras asociadas en plazos razonables. Antiguamente Antiguamente se utilizaban como como soluciones soluciones a esta problemática geotécnica básicamente dos alternativas: el cambio el cambio de suelos o los drenes (o pilotes) de arena. Mientras la primera solución está limitada por la magnitud del volumen a cambiar, la segunda constituye un método costoso y lento en grandes áreas.
Í n d i c e INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ Unidad
2
VI .............................................................................................................................. 4
Resistencia al Esfuerzo Cortante ....................................................................................... 4
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE .......................................................................... 5 Conceptos Fundamentales .................................................................................................
5
ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES DEFORMACIONES PLANAS ................................................ 8 APLICACIÓN DE LA TEORÍA DEL POLO EN EL CÍRCULO DE Mohr ............................ 10 Círculo de Mohr ...................................................................................................................
10
RELACIÓN DE LOS ESFUERZOS E SFUERZOS PRINCIPALES PRINCIPALES ........................ ......................... ............. 14 PRUEBA DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE ............................................................................................................................... 15 ENSAYOS DE LABORATORIO .......................................................................................... 16 PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE IN SITU ................................................................................................................
25
TEORÍA DE PRESIÓN DE PORO O PRESIÓN P RESIÓN NEUTRA ................................................... 27 Unidad VII ............................................................................................................................ 29 ............................................................................. 29
MEJORAMIENTO MECÁNICO MECÁNICO DE LOS SUELOS ............................................................... 30 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN ................... 30 ENERGÍA DE COMPACTACIÓN ........................................................................................ 30 MÉTODO DE COMPACTACIÓN COMPACTACIÓN ........................................................................................ 31 CANTIDAD DE FRACCIÓN GRUESO ............................................................................... 31 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA....................................................................................
32
PRUEBAS DE COMPACTACIÓN EN EL LABORATORIO .................................................
32
PRUEBA PROCTOR MODIFICADO .................................................................................. 33 DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE PESOS PE SOS ESPECÍFICOS SECOS EN EL CAMPO .......................... 34 CONCLUSIÓN ..........................................................................................................................
38
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................
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RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
Conceptos Fundamentales Los suelos, como cualquier material, bajo ciertas solicitaciones, se comportarán como materiales elásticos, pero en muchas veces tendrá deformaciones mayores de las normales, por lo que será un factor predominante el considerar la plasticidad del suelo. El suelo puede presentar diversos tipos de fallas tales como: disgregamiento, deslizamiento en líneas de rotura o fluencia plástica. La resistencia al esfuerzo cortante está representada por la ecuación de Coulomb. τ=c+σ0tanϕ
En la que: τ= Resistencia al corte del suelo. c= Cohesión del suelo. σ0= Esfuerzo normal intergranular. φ= Ángulo de fricción interna del suelo, el cual se supone que es constante. La cohesión puede ser definida como la adherencia entre las partículas del suelo debida a la atracción entre ellas, producidas por sus fuerzas intergranulares. El ángulo de fricción interna es función de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y la forma de los granos y de la presión normal. La utilización de la ecuación de Coulomb no condujo siempre a diseños satisfactorios de estructuras de suelo. La razón para ello no se hizo evidente hasta que Terzaghi publicó el principio de esfuerzos efectivos σ=σ´+u. Pudo apreciarse entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes sustanciales, la resistencia al corte de un suelo debe ser resultado únicamente de la resistencia a la fricción que se produce en los puntos de contacto entre partículas; la magnitud de ésta depende sólo de la magnitud de esfuerzos efectivos que soporta el esqueleto de suelo. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte de dicho plano. Entonces si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos, se tiene:
τf=c´+σ´tanϕ ´ En la cual los parámetros c´ y φ´ son propiedades del esqueleto del suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente. Puesto que la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos del suelo, los análisis de estabilidad se harán entonces en términos de esfuerzos efectivos. Sin embargo, en ciertas circunstancias el análisis puede hacerse en términos de esfuerzos totales y por lo tanto, en general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo
en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales. Es decir, los valores de c´, φ´ y c, φ. Estos se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo representativas mediante ensayo de corte directo (ASTM D-3080-72) o el ensayo de compresión triaxial (ASTM D-2850-70). “Caracterización de la resistencia de un material de banco para su uso como relleno compactado” Desde el punto de vista de la relación esfuerzo-deformación, debemos tener en cuenta dos tipos de resistencia.
Resistencia máxima o resistencia pico. Es la resistencia al corte máxima que posee el material que no ha sido fallado previamente, la cual corresponde al punto más alto de la curva esfuerzo-deformación. La utilización de la resistencia pico en el análisis de estabilidad asume que la resistencia pico se obtiene simultáneamente a lo largo de toda la superficie de falla. Sin embargo, algunos puntos en la superficie de falla han alcanzado deformaciones mayores que en otros, en un fenómeno de falla progresiva y asumir que la resistencia pico actúa simultáneamente en toda la superficie de falla puede producir errores en el análisis.
Resistencia residual Es la resistencia al corte que posee el material después de haber ocurrido la falla. Skempton (1964) observó que en las arcillas sobre consolidadas, la resistencia calculada del análisis de deslizamientos después de ocurridos, correspondía al valor de resistencia residual y recomendó utilizar para el cálculo de factores de seguridad, los valores de los parámetros obtenidos para la resistencia residual φr y cr . Sin embargo, en los suelos residuales la resistencia pico tiende a ser generalmente, muy similar a la resistencia residual. Otro factor que determinan las diferencias entre la resistencia pico y la residual es la sensibilidad, la cual está relacionada con la perdida de resistencia por remoldeo o la reorientación de las partículas de arcilla.
Grafica esfuerzo-deformación y presión cortante-presión normal
En arenas, gravas y limos no plásticos que se denominan como suelos granulares, la cohesión es muy baja y puede en muchos casos considerarse de valor cero y el ángulo de fricción depende de la angulosidad y tamaño de las partículas, su constitución mineralógica y su densidad. Generalmente el ángulo de de fricción en suelos granulares varía de 27° a 42°, dependiendo del tipo de ensayo que se realice. Por ejemplo, en un ensayo triaxial drenado el ángulo de fricción es 4° a 5° medido en un ensayo de corte directo. En arcillas normalmente consolidadas y limos arcillosos se puede considerar la fricción igual a cero y la cohesión como el valor total del esfuerzo de resistencia obtenida. En suelos residuales generalmente, predominan las mezclas de partículas granulares y arcillosas y el ángulo de fricción depende de la proporción grava-arena-limo y arcilla y de las características de cada tipo de partícula presente.
Parámetros de presión de poros. El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poro en el campo. Estas presiones de poro pueden ser estimadas si los cambios de esfuerzo dentro del suelo se puede determinar. Para esta estimación se pueden utilizar los parámetros de presión de poros A y B propuestos por Skempton (1954) para calcular las presiones de poro en exceso. Δu=B Δσ3+A Δσ1−Δσ3 Donde Δu: Exceso de presión de poros B: Parámetros de presión de poros B A: Parámetros de presión de poros A Δσ1: Cambio de esfuerzo principal mayor Δσ3: Cambio de esfuerzo principal menor Los parámetros A y B deben ser determinados de ensayos de laboratorio o seleccionados por experiencia. Para suelos saturados B se acerca a 1.0 pero su valor disminuye drásticamente con la disminución en el grado de saturación. Los valores del parámetro A dependen de las deformaciones y generalmente, alcanzan valores máximos en el momento de la falla. Suelos normalmente consolidados tienden a agregar excesos de presión de poro positivos durante el corte, en contraste los suelos sobreconsolidados pueden esperarse que generen presiones de poro negativas. El valor de A está muy influido por el nivel al cual el suelo ha sido previamente deformado, el esfuerzo inicial del suelo, la historia de esfuerzos y la trayectoria de esfuerzos, tales como carga y descarga (Lambe y Whitman, 1969)
ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES PLANAS Se dice que un medio continuo está sometido a un estado de esfuerzos plano continuo cuando puede determinarse un plano al que resulten paralelos los segmentos dirigidos representativos de los esfuerzos en todos los puntos de dicho medio. Es decir, los esfuerzos normales y tangenciales paralelos a la normal a ese plano determinado son nulos en todos los puntos del medio Además, los esfuerzos no nulos son independientes de la coordenada x. Se dice que un medio continuo está sometido a un estado continuo de deformación plana cuando, para todos los puntos del medio puede determinarse un plano en el cual las deformaciones normales asociadas a él sean nulas y cuando, simultáneamente, existen otros dos planos normales al primero y entre sí, en los que las deformaciones angulares asociadas sean también nulas.
Según la Teoría de la Elasticidad el estado de esfuerzos plano en un punto está definido cuando se conocen los esfuerzos en ese punto, asociados a dos planos cualesquiera paralelos al eje X y mutuamente perpendiculares. En efecto, considérense conocidos los esfuerzos en P, ligados a los planos XY y XZ, cuyas trazas con el plano YZ son los ejes Y y Z, respectivamente.
Del equilibrio del prisma triangular en la Fig. XI-2 se deduce:
Las fuerzas Y y Z son las componentes de las fuerzas de masa en las direcciones de los ejes Y y Z, respectivamente. Si ahora h 0, con lo que δ→δ' se tiene:
Las componentes normales (Ϭn ) y tangencial (Tn) del esfuerzo total Sn, asociado al plano AB, definido por el versor ñ (cos a, sen a), pueden obtenerse sencillamente también con los productos escalares:
En Teoría de la Elasticidad se demuestra que existen planos ortogonales entre sí, llamados principales de esfuerzo, en los que los esfuerzos tangenciales son nulos, existiendo únicamente esfuerzos normales, denominados principales; se demuestra también que en un estado de esfuerzos plano, hay dos planos principales, con su correspondiente esfuerzo principal ligado; uno de éstos es el mayor de todos los esfuerzos normales actuantes en el punto considerado, mientras el otro es el menor.
Llevando estos valores a las ecuaciones generales (11-1), se obtiene:
De donde puede seguirse:
APLICACIÓN DE LA TEORÍA DEL POLO EN EL CÍRCULO DE Mohr
Círculo de Mohr En un análisis de dos dimensiones, los esfuerzos en un punto pueden ser representados por un elemento infinitamente pequeño sometido a los esfuerzos σx, σy y τxy. Si estos esfuerzos se dibujan en unas coordenadas σ -τ, se puede trazar el círculo de esfuerzos de Mohr. En este círculo se definen los valores de σ máximo (σ1) y σ mínimo (σ3), conocidos como esfuerzos principales.
Teoría de Mohr-Coulomb
Gráfica que representa las tensiones tangenciales en el eje de ordenadas y las tensiones normales en el eje de coordenadas. La rotura se producirá en la línea marcada. La teoría de Mohr-Coulomb es un modelo matemático (ver Superficie de fluencia ) que describe la respuesta de materiales quebradizos, tales como hormigón, o agregados de partículas como el suelo,1 a esfuerzo cortante, así como tensión normal. La mayoría de los materiales en ingeniería clásica se comportan siguiendo esta teoría al menos en una parte del corte. En general, la teoría se aplica a los materiales para los que la resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la tracción, caso de los materiales cerámicos. La teoría explica que el corte de un material se produce para una combinación entre tensión normal y tensión tangencial, y que cuanto mayor sea la tensión normal, mayor será la tensión tangencial necesaria para cortar el material.2
Aplicaciones En Ingeniería geotécnica se utiliza para definir resistencia al corte de suelos y rocas en diferentes casos de tensión efectiva. En la ingeniería estructural se utiliza para determinar la carga de rotura, así como el ángulo de la rotura de una fractura de desplazamiento en materiales cerámicos y similares (como el hormigón). La hipótesis de Coulomb se emplea para determinar la combinación de esfuerzo cortante y normal que causa una fractura del material. El círculo de Mohr se utiliza para determinar los ángulos donde esas tensiones sean máximas. Generalmente la rotura se producirá para el caso de tensión principal máxima.
Modelo
Círculos que representan un ensayo triaxial. En el ensayo triaxial las presiones aumentan de forma igualitaria en todas direcciones. Criterio de fallo de Mohr-Coulomb El criterio de fallo de Mohr-Coulomb3 se representa por la envolvente lineal de los círculos de Mohr que se producen en la rotura. La relación de esa envolvente se expresa como
Donde: Es el esfuerzo cortante. Es la tensión de normal. Es la intersección de la línea de fallo con el eje de , llamada cohesión. Es la pendiente del ángulo de la envolvente, también llamado el ángulo de rozamiento interno. La compresión se asume positiva para el esfuerzo de compresión, aunque también se puede estudiar el caso con la tensión negativa cambiando el signo de Si , el criterio de Mohr-Coulomb se reduce al criterio de Tresca. Si el modelo de Mohr-Coulomb es equivalente al modelo de Rankine. Valores más altos de no están permitidos. De los círculos de Mohr tenemos:
Donde
y
es la tensión máxima principal y
es la tensión mínima principal.
De esta forma el criterio de Mohr-Coulomb puede expresarse también como:
Esta es la forma del criterio de Mohr-Coulomb aplicable al fallo en un plano paralelo a la dirección .
Criterio de fallo de Mohr-Coulomb en tres dimensiones El criterio de Mohr-Coulomb se expresa en las tres dimensiones como:
La superficie de fallo quedaría como un cono de sección hexagonal. Las expresiones para y puede ser generalizada para tres dimensiones mediante el desarrollo de expresiones para la tensión normal y la tensión cortante en un plano de orientación arbitraria respecto a un eje de coordenadas. Si el vector unitario normal al plano es
donde para
son los tres vectores ortonormales, y las tensiones principales están alineadas con los vectores de la base , entonces la expresiones son
El criterio de Mohr Coulomb se puede usar en su expresión generalizada
Para los seis planos con tensión máxima de corte tangencial. Una mejora común de este modelo es la combinación de hipótesis de fricción de Coulomb con la hipótesis de tensión principal de Rankine para describir una fractura de separación.
El círculo de Mohr Como se ha visto en el apartado anterior las expresiones que nos permiten calcular las parejas de valores de tensión normal y tangencial que aparecen en un punto en función de la orientación a estudiar representan la ecuación paramétrica de una circunferencia, definida por:
Así el estado tensional de un punto, trabajando en estados de tensiones bidimensionales, queda representado por una circunferencia en el plano - , en la que cada uno de sus puntos corresponde a las tensiones según una orientación, esta construcción geométrica recibe el nombre de círculo de Mohr (figura 3.15).
El criterio de signos utilizado en Mecánica de Suelos para trabajar con los círculos de Mohr es el siguiente (figura 3.16):
Tensiones normales positivas si son de compresión. Tensiones tangenciales positivas si definen un giro antihorario respecto al plano, o giro horario respecto a un punto exterior al medio. Ángulos positivos antihorarios.
En el apartado anterior se explicaba que un estado tensional bidimensional queda definido por las tensiones en un par de planos perpendiculares, en la figura 3.17 se ve cómo construir un círculo de Mohr a través de esta información. Para ello es muy útil la propiedad que establece que las tensiones en planos perpendiculares corresponden a puntos diametralmente opuestos del círculo.
De las muchas propiedades del círculo de Mohr quizá la más importante es la existencia en él de un punto denominado polo, que se caracteriza por que si por él trazamos una paralela al plano sobre el que actúan las tensiones, corta al círculo en un punto cuyas coordenadas son las tensiones que actúan sobre el plano. La figura 3.18 muestra cómo obtenerlo:
Figura 3.18 Obtención del polo a partir del estado tensional e inclinación del plano sobre el que actúan las tensiones
Se puede observar como en ambos casos el modo de obtención del polo es el mismo: 1.- Se representan los puntos de coordenadas ( σA, τA) y (σB, τB). 2.- Se dibuja el círculo, utilizando estos puntos para definir el diámetro. 3.- Se traza una línea por el punto ( σA, τA), paralela al plano sobre el cual actúa el esfuerzo (σA, τA). 4.- La intersección de la línea trazada con el círculo de Mohr es el polo. (Nótese que la obtención del polo es análoga en procedimiento y localización a que la intersección se obtenga con la paralela al plano donde actúan el otro par de valores ( σB, τB), es decir, la intersección de ambas paralelas resulta en un mismo punto P). RELACIÓN DE LOS ESFUERZOS PRINCIPALES Resulta de utilidad para estudios que se detallan en lo que sigue, principalmente referentes a estabilidad de masas de tierra, establecer la relación entre los esfuerzos principales actuantes en un punto de la masa, supuesta en estado de falla incipiente. Dentro de las teorías de falla más importantes en el estado actual de la Mecánica de Suelos, figura una, según la cual el material falla cuando el esfuerzo cortante en cualquier sección adquiere un valor S, que depende del esfuerzo normal actuante en dicha sección.
La inclinación del plano en que actúan dichos esfuerzos respecto al plano en que actúa vi, el esfuerzo principal mayor, queda medida por el ángulo θ, que ahora vale, según se desprende de la geometría de la misma Fig. XI-9. Por lo tanto en definitiva queda:
PRUEBA DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE La prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamente la única usada para la determinación de la resistencia de los suelos; hoy, aun cuando conserva interés práctico debido a su simplicidad, ha sido sustituida en buena parte por las pruebas de compresión triaxial. En ésta, como en todas las pruebas de resistencia de suelos, caben dos posibilidades de realización: el método de esfuerzo controlado y el de deformación controlada. En el primero la prueba se lleva a efecto aplicando valores fijos de la fuerza tangencial al aparato de modo que el esfuerzo aplicado tiene en todo momento un valor prefijado; en el segundo tipo, la máquina actúa con una velocidad de deformación constante y la fuerza actuante sobre el espécimen se lee en la báscula de la máquina que la aplica.
Es sabido que cuando un material falla en una prueba de resistencia su curva esfuerzodeformación será semejante a alguno de los dos arquetipos que aparecen en la Fig. XII-5.
La curva llena, de (a) es representativa de materiales llamados de "falla frágil" y se caracteriza porque después de llegar el esfuerzo a un máximo bien definido (resistencia) desciende rápidamente, al aumentar la deformación. La curva (b) corresponde a materiales de "falla plástica" en los que la falla se produce a un esfuerzo que se sostiene aunque la deformación aumente; la falla no está bien definida, habiendo en realidad lo que suele denominarse un flujo del material, bajo esfuerzo constante.
ENSAYOS DE LABORATORIO Para obtener los parámetros de resistencia al cortante se pueden realizar ensayos de resistencia de laboratorio o de campo o se pueden utilizar correlaciones empíricas a partir de ensayos indirectos u otras propiedades de los suelos. Los ensayos de laboratorio más comunes son los ensayos de Compresión triaxial y de Corte Directo.
Ensayo Triaxial El equipo de ensayo Triaxial es muy versátil y permite realizar ensayos en una variedad de procedimientos para determinar la resistencia al cortante, la rigidez y características de deformación de las muestras. Adicionalmente, el ensayo puede realizarse para medir características de consolidación y permeabilidad. Se ensayan muestras cilíndricas dentro de una membrana delgada de caucho, colocándolas dentro de una celda triaxial con dos tapas rígidas y pistones arriba y debajo de la muestra. La celda se llena de un fluido especial, se aplica una presión determinada sobre el fluido, la cual se transmite por éste a la muestra. Los esfuerzos de cortante se aplican mediante fuerzas de compresión verticales accionadas por los pistones (Figura 3.6). La Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 95 presión de poros dentro de la muestra puede medirse a través de un pequeño tubo o bureta en contacto con la muestra. Para cada presión de confinamiento se obtiene el esfuerzo desviador ( ) que se requiere para hacer fallar la muestra. El drenaje de la muestra se realiza a través de las piedras porosas y el cambio de volumen de agua puede medirse. Alternativamente, si no se permite drenaje, se puede medir la presión de poros. Realizando varias pruebas se puede obtener la envolvente de Mohr para un suelo determinado. El comportamiento Esfuerzo –deformación es determinado por la presión de confinamiento, la historia de esfuerzos y otros factores. El ensayo también puede realizarse incrementando los esfuerzos radiales mientras se mantiene constante la fuerza axial (Figura 3.7). Una descripción detallada del procedimiento de ensayo y medición de presión de poros se presenta en manuales de laboratorio y textos de mecánica de suelos (Bowles –1986). En algunos países del mundo el ensayo Triaxial es el más utilizado especialmente, por la posibilidad de modelar las condiciones de drenaje y la medición de presión de poros en suelos saturados.
Pre-saturación de la muestra Es muy importante en los ensayos triaxiales y en general en los ensayos de resistencia al cortante el garantizar que la muestra se encuentre saturada durante la totalidad del ensayo. Puede tomar entre 2 horas a un día el proceso completo de saturación dependiendo del tipo de suelo. Se debe asegurar que el aire no se acumule entre la muestra y la membrana de caucho. Durante la saturación se pueden requerir presiones de confinamiento para ayudar en el proceso, pero estas presiones se deben mantener a un nivel bajo para evitar preconsolidar la muestra.
Tipos de ensayo Triaxial Generalmente existen cuatro formas de realizar el ensayo Triaxial así:
a. Ensayo inconfinado no-drenado La muestra se coloca dentro de la cámara para ensayo triaxial sin membrana de caucho. No se coloca presión de confinamiento, pero la muestra debe encontrarse saturada. La rata de deformación generalmente se trabaja al 2% de la longitud axial de la muestra por minuto. Este ensayo solo es posible realizarlo para suelos arcillosos y se obtiene la resistencia al cortante no drenada inmediata (S u). No es posible realizar el ensayo en arcillas fisuradas o con cohesión muy baja.
b. Ensayo No consolidado - No drenado o ensayo rápido No se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de confinamiento y el esfuerzo desviador. Este ensayo se le utiliza para modelar, el caso de un terraplén o una carga colocada muy rápidamente sobre un manto de arcilla saturada, de muy baja permeabilidad. Este ensayo se realiza a una rata de deformación relativamente rápida. Generalmente se utiliza una presión de confinamiento igual a la presión geostática que actúa sobre el suelo en el campo. Este ensayo se le conoce como ensayo rápido.
c. Ensayo Consolidado no drenado, con medición de presión de poros Se permite el drenaje durante la aplicación del esfuerzo de confinamiento colocándolo lentamente, pero se impide durante la aplicación del esfuerzo desviador. Los ensayos no drenados deben realizarse a una rata que no exceda una deformación unitaria del 2% por hora, con el objeto de lograr una ecualización completa de la presión de poros a través de la muestra. Las lecturas se toman cada medio porcentaje de deformación o en forma continua. Este ensayo se le conoce como ensayo R. Se le emplea para simular el caso de desembalse rápido de una represa o la colocación rápida de un terraplén sobre un talud.
d. Ensayo Consolidado drenado El ensayo se realiza lentamente para permitir el drenaje del agua dentro de la muestra e impedir que se puedan generar presiones de poros. Los ensayos drenados son generalmente, preferidos para ensayos rutinarios (Geotechnical Engineering Office, 1979), debido a la facilidad de su ejecución y son los más utilizados para el análisis de laderas y taludes. La velocidad de ensayo debe ser tal, que las fluctuaciones en la presión de poros sean despreciables y en cualquier caso no superiores al 5% de la presión efectiva de confinamiento. Este ensayo se le conoce como ensayo S o ensayo lento. De acuerdo al tipo de ensayo se obtiene un valor diferente de ángulo de fricción. En general, el ensayo consolidado drenado presenta ángulos de fricción mayores, mientras el ensayo No consolidado - No drenado da los valores mínimos de . (Winterkorn y Fang – 1991). En la interpretación de resultados de ensayos Triaxiales debe tenerse en cuenta las siguientes fuentes de error:
a. Las muestras tienden a deformarse como un barril, lo cual conduce a sobreestimación de la resistencia al cortante. b. En el proceso de saturación, la muestra tiende a alterarse por cambio de volumen, lo cual puede determinar una pérdida de resistencia. Las condiciones de resistencia no drenada prevalecen inmediatamente después del cargue o descargue de arcillas blandas con muy baja permeabilidad. Por lo tanto, las arcillas poco consolidadas se comportan como si tuvieran un valor de φ = 0, lo cual equivale a que la envolvente Mohr-Coulomb es horizontal. Este concepto de resistencia no drenada debe ser utilizado para el análisis de estabilidad de problemas en suelos normalmente consolidados o poco sobreconsolidados. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 97 Sin embargo, si la relación de sobreconsolidación es mayor de 4 el suelo tiende a incrementar su volumen durante el corte con una disminución en la presión de poros, por lo tanto en este caso no se cumple la condición de resistencia no drenada y se recomienda utilizar la resistencia consolidada drenada.
Variables del ensayo Triaxial Los resultados que pueden ser obtenidos del ensayo Triaxial dependen del tipo de ensayo y del equipo disponible y se pueden obtener los siguientes resultados: a. La envolvente de falla con el ángulo de fricción y la cohesión pico. b. La respuesta de presión de poros al corte (Ensayos no drenado). c. La respuesta de cambio de volumen al corte (ensayo drenado). d. Módulos tangente y secante inicial o los correspondientes de descarga y recarga. e. Las características de consolidación. f. La permeabilidad a diferentes presiones de confinamiento.
Tamaño de la muestra Para ensayar suelos residuales, el diámetro de la muestra no debe ser menor de 76 mm., debido a que diámetros menores no se consideran representativos para tener en cuenta los efectos de escala, relacionados con las fisuras y juntas en el suelo. Adicionalmente, el diámetro no debe ser menor de 8 veces el tamaño máximo de la partícula. La relación largo – diámetro no debe ser menor de 2 – 1.
Consolidación antes del Corte La muestra es consolidada o no consolidada, de acuerdo al tipo de ensayo que se realice. En suelos saturados (arcillas y limos) para una serie de ensayos a la misma profundidad, la resistencia a la compresión para ensayos no consolidados no drenados se encontró que es independiente de la presión de la celda, con excepción de las arcillas fisuradas.
a. Ensayo a un nivel muy alto de esfuerzos La envolvente del círculo de Mohr tiene una forma curva y si se trabaja con niveles altos de esfuerzos se puede sobreestimar la resistencia para el caso real de esfuerzos menores; por ejemplo, para esfuerzos de confinamiento entre 100 y 400 kPa, las resistencias se pueden sobreestimar hasta en un 300 %. Por lo tanto, es importante que el ensayo Triaxial se reali ce al nivel de esfuerzos de confinamiento reales en el talud analizado.
b. Saturación incompleta Comúnmente, las muestras inalteradas no son ensayadas con saturación total debido a que por gravedad es difícil obtener la saturación. El resultado es un aumento en el valor de la resistencia de laboratorio, comparativamente con la resistencia real en campo, para el caso saturado.
c. Ensayo a una rata muy alta de deformación Las ratas altas de deformación no permiten disipar la presión de poros en el ensayo consolidado drenado. El ensayo cíclico se ejecuta en una celda similar a la del ensayo tria xial con excepción de que la parte alta de la celda tiene un pistón más largo que puede transmitir cargas cíclicas sobre la parte superior de la muestra a ensayar. El equipo tiene que aplicar una carga uniforme sinusoidal a una frecuencia entre 0.1 y 2 ciclos por segundo (Hz) (figura 3A-22). La frecuencia más común utilizada es de un ciclo por segundo. Las mediciones de carga axial se realizan mediante una celda electrónica y las presiones de poro se monitorean con un equipo de alta precisión capaz de medir variaciones de + 0.25 psi. El objetivo principal de un programa de ensayo de triaxial cíclico es el determinar el potencial de licuación de los suelos. Después de realizar los ensayos cíclicos se realiza un ensayo triaxial convencional no-drenado.
Ensayo de superficie ancha plana En deslizamientos en común que el ancho del deslizamiento sea mayor que su profundidad. En estos casos la falla ocurre por cortante en una superficie plana de deformaciones. Por esta razón, algunos autores (Cornforth, 2005) recomiendan realizar ensayos en superficies anchas planas. Aunque no existen equipos comercialmente disponibles para estos ensayos, algunos laboratorios en EEUU e Inglaterra disponen de estos equipos el cual fue desarrollado inicialmente por Bishop (figura 3A- 24) .
Ensayo de Corte Directo en caja En el ensayo de corte directo en caja se coloca una muestra dentro de una caja partida en dos mitades de forma rectangular, cuadrada o circular. Para realizar el ensayo una de las dos mitades se mueve con respecto a la otra mitad y el suelo se rompe a lo largo del plano entre los dos elementos de la caja. Este ensayo es el más común para obtener la resistencia de los suelos en los estudios de deslizamientos. Este ensayo es simple y económico de realizar pero presenta los inconvenientes del poco control que se tiene sobre las condiciones de drenaje, la dificultad para medir presiones de poro y algunos problemas inherentes a los mecanismos de las máquinas que realizan los ensayos.
Las ventajas de los ensayos de Corte Directo son su facilidad de ejecución, la cual permite la realización de una cantidad grande de pruebas en poco tiempo y la posibilidad de realizar ensayos sobre superficies de discontinuidad. En este ensayo la resistencia al cortante puede medirse en un plano predeterminado, cortando la muestra con una determinada orientación. La superficie de falla es predefinida y no depende de las propiedades del suelo, y por esta razón los valores de resistencia obtenidos tienden a ser mayores que en los ensayos triaxiales. La muestra se coloca en una caja compuesta por dos anillos (Figura 3.9 ), uno superior y otro inferior, los cuales pueden desplazarse horizontalmente el uno con respecto al otro al aplicarse una fuerza de cortante. Las muestras no pueden saturarse completamente pero un grado de saturación relativamente alto se puede obtener sumergiendo la muestra en agua por un periodo largo de tiempo, antes del ensayo. Sin embargo, debe tenerse Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 99 mucho cuidado con los efectos de saturación sobre algunos materiales, especialmente los suelos expansivos.
Ensayos con deformación controlada o con esfuerzo controlado El esfuerzo de corte puede ser aplicado incrementando los esfuerzos en forma gradual y midiendo la deformación producida (Esfuerzo controlado) o moviendo las partes del equipo a un desplazamiento dado y midiendo el esfuerzo resultante (deformación controlada). Los ensayos de Esfuerzo controlado no son comúnes; sin embargo son convenientes en el caso de que se requiera una rata de desplazamiento muy baja y cuando se desea conocer el comportamiento de los suelos a la reptación. Este tipo de ensayo no puede determinar el esfuerzo pico y la resistencia residual en forma precisa. El ensayo de deformación controlada es más fácil de efectuar y permite obtener la resistencia última y la resistencia residual.
Rata de Corte La rata de corte depende de las condiciones de drenaje a las cuales se requiere realizar el ensayo y por lo tanto a la permeabilidad de la muestra. La naturaleza del ensayo de Corte directo generalmente, no permite obtener una condición completamente drenada o completamente no drenada en un ensayo a una rata constante de corte. Sin embargo, en la práctica es posible seleccionar una rata de deformación tal, que la desviación con las condiciones reales no es significativa. Head (1982) recomienda un tiempo de falla para un ensayo de Corte drenado: tf = 12.7 t100 Donde t100 es el tiempo correspondiente al 100% de la Consolidación primaria. La Normas ASTM D 3080 recomienda tf = 50 t50 Donde t50 corresponde al 50% de la Consolidación primaria.
Una vez determinado el t f , la rata de corte puede ser estimada conociendo aproximadamente el desplazamiento horizontal para la resistencia pico. Para suelos residuales de granito Cheung (1988) encontró que no había diferencias en los parámetros de resistencia obtenidos para ratas de deformación entre 0.007 y 0.6 mm por minuto. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 100 Una velocidad máxima de 0.08 mm/minuto se considera apropiada para ensayos drenados de suelos residuales.
Cargas normales Las cargas normales que se deben utilizar en el ensayo deben incl uir los esfuerzos máximos que se suponen ocurren en el terreno. Al menos, deben realizarse ensayos con cuatro cargas diferentes para definir una envolvente de falla. En suelos no cohesivos la envolvente de falla generalmente, pasa por el origen pero con suelos relativamente cementados debe haber un intercepto de cohesión. Si esta componente cohesiva es de importancia en la aplicación de ingeniería a analizar, debe realizarse ensayos con cargas normales muy pequeñas sobre muestras inalteradas, manejadas con mucho cuidado para evitar alteraciones.
Densidad de la muestra Cuando se realicen ensayos para analizar taludes de rellenos compactados, se debe definir lo más preciso posible la densidad a la cual se debe ensayar la muestra, de acuerdo a la densidad del relleno.
Desplazamiento máximo En ensayos con deformación controlada generalmente, se requiere conocer la resistencia residual. En ese caso, una forma es realizar un ensayo devolviendo la muestra después de pasar por la resistencia pico. Si no se requiere obtener la resistenciar residual, el ensayo puede detenerse después de pasar la resistencia pico pero en ningún momento menos de 10 mm. Si el suelo no muestra resistencia pico por tratarse de un material muy blando, un desplazamiento de 15 mm. es suficiente.
Tamaño de la muestra Las cajas para corte son comúnmente cuadradas pero las hay también circulares. En las cajas cuadradas es más fácil tener en cuenta la reducción de área durante el ensayo. Las dimensiones típicas para la caja cuadrada son 60 mm o 100 mm y en algunos casos hasta 300 mm o más. En las cajas circulares los tamaños comunes son 50 y 75 mm. El tamaño máximo de la partícula de suelo determina el espesor de la muestra (Cheung, 1988). De acuerdo a la Norma ASTM D3080 se deben tener en cuenta las siguientes indicaciones: a. El espesor de la muestra debe ser al menos seis veces el tamaño máximo de los granos de suelo y no menos de 12.5 mm.
b. El diámetro de la muestra (o ancho) debe ser al menos dos veces el espesor. La especificación China para ensayos geotécnicos recomienda un espesor de 4 a 8 veces el tamaño de grano y un diámetro 8 a 12 veces el tamaño máximo de grano.
Ensayo de corte directo en anillo Este ensayo consiste en la colocación de un esfuerzo de cortante hasta la falla de una muestra de suelo en forma de anillo. La fuerza que se aplica consiste en un torque y el desplazamiento es circular. (Figura 3A-21). La mayor ventaja de este ensayo comparada con el ensayo tradicional de corte directo en caja es que el movimiento de cortante es continuo hasta llegar a la condición residual. Este equipo no se encuentra disponible comercialmente.
Ensayo de Compresión simple El ensayo de Compresión simple es un ensayo de compresión de una muestra cilíndrica con una relación diámetro longitud 1: 2. La muestra es comprimida axialmente hasta que ocurre la falla. La resistencia al cortante se asume que es igual a la mitad de la resistencia a la compresión. Debe tenerse en cuenta que los resultados son expresados en términos de esfuerzos totales, debido a que no se mide ningún tipo de presión de poros y los ensayos en limos o arenas o materiales _igurados no tienen ninguna validez. El ensayo es solo aplicable a suelos cohesivos que no permiten la salida de agua durante el proceso de carga. Generalmente, el valor de la resistencia no drenada se supone igual a la mitad del valor de la resistencia inconfinada. Su = ½ qu En todos los casos, debido a las incertidumbres asociadas con el ensayo, el muestreo y su preparación, esta prueba de laboratorio solamente puede utilizarse como un estimado aproximado de la resistencia en el sitio.
Ensayos de Veleta El ensayo de veleta se utiliza para medir la resistencia al cortante no drenada en arcillas muy blandas o blandas. Este ensayo se puede realizar en el laboratorio o en el campo. (figura 3A-25). En el ensayo de veleta se introduce una veleta en el suelo, se aplica un torque para producir la falla a lo largo de una superficie cilíndrica. La resistencia al cortante se obtiene igualando el torque al momento producido por los esfuerzos de cortante sobre la superficie cilíndrica.
Dónde: Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 102 M = Torque D = Diámetro de la veleta
Por ejemplo, una veleta de altura de 100 mm., diámetro de 50 mm., puede ser utilizada para resistencias de 50 a 70 kPa. De acuerdo a Andresen(1981), este es el menor tamaño posible para determinar la resistencia al cortante de arcillas blandas. Sin embargo, Blight(1970) ha utilizado una veleta de altura de 38 mm. para obtener la resistencia de suelos residuales duros. Generalmente, la aplicación de estos ensayos es limitada a suelos saturados cohesivos en condiciones no drenadas, lo suficientemente blandos para permitir el hincado y rotación de la veleta. Sin embargo, se han realizado ensayos de veleta en suelos con resistencia pico hasta de 300 kPa (Blight 1969). Los ensayos de veleta pueden realizarse en el fondo de excavaciones pre-perforadas o empujando la veleta en el suelo desde la superficie hasta la profundidad requerida. Este último procedimiento es muy difícil de realizar en suelos residuales. Los ensayos de veleta son muy imprecisos y aunque existen fórmulas de corrección sus resultados deben analizarse con prudencia. Sin embargo, en el ensayo de veleta utilizado conjuntamente con otros ensayos puede ser una herramienta útil para diseño.
Ensayo de penetrómetro de bolsillo El penetrómetro manual o penetrómetro de bolsillo es un pistón cargado por un resorte de ¼” de diámetro el cual se entierra ¼” dentro de la superficie de una arcilla. Como la arcilla de acuerdo a su resistencia resiste la penetración del pistón, se registra la resistencia al cortante no drenada del suelo. Algunos penetrómetros están calibrados para la resistencia de la compresión inconfinada equivalente a dos veces la resistencia al cortante C. La penetración tiene que darse suavemente y es más confiable en arcillas medianamente duras. En arcillas muy duras o frágiles la penetración rompe el suelo y el resultado no es confiable. En arcillas blandas no hay suficiente resistencia para que se registre en el medidor del penetrómetro. Los penetrómetros de bolsillo pueden utilizarse tanto en el campo como en el laboratorio y se obtiene una medida rel ativamente “cruda” de la resistencia, dependiendo en buena parte de la forma como el operador realice el ensayo. Los datos de penetrómetro de cono no es recomendable utilizarlos para cálculos de estabilidad sino solamente para describir los materiales.
Ensayo de “Torvane” El torvane es una cabeza de forma circular con una serie de veletas organizadas radialmente alrededor de la circunferencia (figura 3A-23). Las veletas del torvane se penetran dentro del suelo y se aplica un torque a través de un resorte calibrado hasta que la arcilla falla. La lectura muestra la resistencia al cortante nodrenada. El torque debe aplicarse muy lentamente. El torvane generalmente tiene dos cabezas diferentes, una para arcillas duras y otra para arcillas blandas. El torvane es más confiable para arcillas blandas que para arcillas duras debido a que al penetrar las veletas se puede romper la arcilla localmente. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 103
PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE IN SITU La utilización de ensayos in situ permite determinar la resistencia al cortante directamente en el campo, utilizando ensayos sencillos o complejos. Los ensayos de campo son muy útiles para determinar la resistencia al cortante en suelos residuales por las siguientes razones: a. Se elimina la alteración por muestreo, transporte y almacenamiento. b. El tamaño de la muestra es mayor y más representativo de la masa de suelo. Hay una gran variedad de ensayos disponibles para medir la resistencia al cortante in situ, bien sea en forma directa o indirecta, a través de correlaciones empíricas o semiempíricas. Cuando se planea un programa de investigación que requiere la determinación de los parámetros de resistencia al cortante, se deben analizar los diversos equipos y sistemas disponibles y las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos, teniendo en cuenta las necesidades del diseño y cómo la confiabilidad de esos parámetros van a influenciar el comportamiento de los diseños. Los tipos de ensayo más utilizados se indican en la tabla. Ensayos de resistencia in situ Ensayo Observaciones y limitaciones Corte directo en el campo
Se realiza generalmente en apiques poco profundos, consume mucho tiempo y es costoso.
Veleta
Recomendable para suelos finos solamente.
Corte en sondeo
El área de contacto es limitada y solo se recomienda para profundidades bajas.
Penetración estandar
Utilizado principalmente para suelos granulares y arcillas secas, duras.
Penetración de cono
Para suelos blandos o sueltos a densidad mediana, predominantemente suelos finos.
Presurómetro
Utilizado para todo tipo de suelos. Requiere de una excelente calidad del perímetro del sondeo. Es difícil de utilizar en suelos rocosos.
Ensayo de Corte Directo in situ Es un ensayo muy poco utilizado por su costo relativamente alto. La mayoría de los casos reportados en la literatura se refieren a ensayos en roca, debido a que no es posible determinar la resistencia de estos materiales heterogéneos o estratificados mediante ensayos de laboratorio. El ensayo de Corte directo de campo es particularmente útil para
simular la condición de esfuerzos que existe sobre una superficie plana, potencial de deslizamiento en una ladera. También permite el corte con cargas normales bajas, como es el caso de fallas poco profundas. El principal propósito de este ensayo es determinar los valores de las resistencias pico y residual tanto en material intacto como en discontinuidades, incluyendo las discontinuidades heredadas. El ensayo generalmente, se realiza en apiques. La mayoría de los ensayos Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 104 se organizan en tal forma que el plano es horizontal e idealmente, el plano de corte debe ser paralelo a un grupo mayor de discontinuidades o coincidir lo más preciso posible con una discontinuidad mayor. El tamaño de las muestras debe ser al menos 10 veces el tamaño máximo de partícula. Tamaños típicos son 300 x 300 mm y 500 x 500 mm para suelos o roca meteorizada. La excavación del apique y del pedestal (muestra a ensayar) debe hacerse con un cuidado muy especial para evitar alterar las discontinuidades en la muestra. Una vez se excava el pedestal debe protegerse de la exposición para evitar cambios de humedad. Si se desea realizar el ensayo a lo largo de una discontinuidad, la orientación espacial de la discontinuidad (Rumbo y buzamiento) deben identificarse muy claramente, antes de iniciar el tallado de la muestra. El equipo para realizar el ensayo de corte directo en campo consiste de pesos, apoyos y gatos hidráulicos. Durante el ensayo el alineamiento de la carga vertical debe mantenerse a medida que avanza el desplazamiento de corte.
Ensayo de penetración estandar En el ensayo de penetración estándar se entierra un tubo partido, aplicando golpes con un martillo de 63 Kg. que cae de una altura de 750 mm. El número de golpes requerido para enterrar el tubo 300 mm. se denomina N de penetración estándar. Con el número de golpes se puede estimar el valor del ángulo de fricción interna ´ para arenas (Peck, 1974). También se puede obtener la densidad relativa y con esa densidad relativa obtener el valor de ´ (Schmertmann, 1975). El ensayo de penetración estándar se desarrolló inicialmente para determinar la resistencia de suelos no cohesivos y la mayoría de las correlaciones que existen en la literatura son útiles solamente para gravas y arenas. Stroud (1974) desarrolló una correlación muy útil del valor de N para arcillas duras y rocas blandas, en el Reino Unido. La relación de Stroud es la siguiente: cu = 5N kPa. Esta correlación es utilizada para obtener la resistencia de suelos residuales arcillosos, cuando las profundidades del perfil de suelo no son mayores de 5 metros. Las resistencias no-drenadas de las arcillas pueden ser estimadas en forma general con base en los resultados de los ensayos de penetración estándar. En la figura 3A-16 se muestra la variación entre la resistencia no-drenada, el N de penetración estándar y el índice plástico (Terzaghi y otros, 1996).Esta relación no es muy precisa y debe utilizarse con cuidado. El ensayo de penetración estándar no es confiable para el análisis de la resistencia en arcillas saturadas.
Ensayo de penetración de cono En el ensayo de cono se introduce un cono con un ángulo, utilizando una fuerza Q. La resistencia al cortante es obtenida por la relación: qc = 2h K Q Donde: h = Altura del cono K = Constante que depende de y de Q Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 105
Con el valor de la resistencia a la penetración del cono, se puede obtener el ángulo de fricción ´ o la cohesión, para lo cual existen diferentes correlaciones. La relación entre la resistencia no-drenada y la resistencia de cono puede darse mediante la siguiente expresión:
Donde: Su = resistencia no-drenada al cortante σv = presión geostática a la profundidad de ensayo *kN = factor de cono (típicamente igual a 14 + 5 para la mayoría de las arcillas) La utilización del ensayo de cono en suelos residuales es muy limitada, debido a la dificultad de penetración. Un desarrollo relativamente reciente es el piezocono, el cual mide la presión de poros, además de la resistencia no drenada (Figura 3.13).
Presurómetro El ensayo de Presurómetro también se le utiliza con algunas modificaciones para obtener la resistencia al cortante y las relaciones Esfuerzo – Deformación (Wroth, 1984). Pavlakis (1983), presentó resultados de muy buena co-relación entre el presurómetro y los ensayos triaxiales no consolidados no drenados. Adicionalmente, existen ensayos de cortante realizados directamente en los sondeos, en la forma como se indica en el capítulo 2. TEORÍA DE PRESIÓN DE PORO O PRESIÓN NEUTRA La presión de poros está definida como la presión que ejerce un fluido en los espacios porosos de la roca. También es llamada presión de formación o presión poral, está en función de los fluidos de formación y de las cargas que están soportando. La presión de poros está clasificada por dos categorías:
Presión normal: es la presión hidrostática de una columna de fluido de la formación que se extiende desde la superficie hasta una profundidad dada.
Presión anormal: es definida como la presión mayor o menor a la presión de poros hidrostática, las causas de estas presiones anormales están relacionadas a diferentes eventos geológicos, geoquímicos, geotérmicos y mecánicos. El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poro en el campo. Estas presiones de poro pueden ser estimadas si los cambios de Esfuerzo dentro del suelo se pueden determinar. Para esta estimación se pueden utilizar los parámetros de presión de poros A y B propuestos por Skempton (1954) para calcular las presione s de poro en exceso.
MEJORAMIENTO MECÁNICO DE LOS SUELOS Todos los métodos aquí mencionados se enfoca básicamente en un término muy importante la cual es la compactación, esta definición es muy importante y beneficioso en mecánica de suelos ya que este propicia a que aumenta la capacidad para soportar cargas, es decir, los vacíos se reducen y la incapacidad para soportar cargas pesadas queda nula, otro beneficio es que impide el hundimiento del suelo y por consiguiente el de la estructura o edificación. En los laboratorios determinar el contenido de agua optimo es de vital importancia ya que dé él depende que el estrato mantenga su estabilidad, es decir, que no sea muy plástico ni muy seco ya que cada extremo presenta desventajas.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN Como se ha visto en la teoría, la influencia de la humedad del suelo en el proceso de compactación es importante, por lo que parece obvio que debería controlarse el contenido de humedad de la capa granular objeto de la compactación. Si esto no se realizase, las variaciones de humedad que se produzcan después de la construcción, al provocar cambios de volumen con determinados tipos de suelos, pueden producir deformaciones. Un problema es cuando el material que va a formar la capa granular, llega a la obra con poca humedad, se debe estudiar cual es la humedad que tenía antes en el terreno o en el acopio, ya que puede suceder que durante las fases de extracción, transporte y extensión el suelo pierda demasiada humedad. Si esto es así un reestudio de estas operaciones puede reducir o eliminar el problema. Pasando ahora al caso de que la humedad es excesiva, se debe estudiar como en el caso anterior todo el proceso que sufre el material y corregir si se observase algún defecto. También es importante resolver el problema de la variación de humedad al trabajar con lluvia. En el caso de que el estudio del proceso no diera resultado, se debe proceder al oreo del material que forma la capa, hasta que este alcance la humedad adecuada, o incluso a la adición de cal. ENERGÍA DE COMPACTACIÓN Al compactar varias muestras del mismo suelo con la misma energía de compactación pero con diferente porcentaje de humedad, nos encontramos como la densidad seca de la capa compactada se va incrementando al aumentar la humedad, hasta que se alcanza un valor máximo, a partir del cual el aumento de la humedad lleva a valores decrecientes de la
densidad seca, por el efecto del agua en la compactación que se ha expresado anteriormente. Cuando la compactación se realiza con una humedad inferior a la óptima, se dice que la compactación se realiza del lado seco, mientras que cuando se realiza con una humedad superior a la óptima se dice que se compacta del lado húmedo. Al aumentar la energía de compactación para un mismo suelo, la humedad óptima se va reduciendo, al tiempo que aumenta la densidad seca máxima que se obtiene en el proceso. En el laboratorio se estudia la humedad óptima del proceso y la densidad seca máxima esperable mediante el ensayo Proctor. En este ensayo se compacta una muestra del suelo con una cierta energía y mediante aportaciones diferentes de agua se obtiene la curva densidad seca versus humedad. De ella se deducen los valores de la humedad óptima y de la densidad seca máxima. MÉTODO DE COMPACTACIÓN La compactación es el procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios vacíos, aumentando así su densidad y en consecuencia, su capacidad de soporte y estabilidad entre otras propiedades. Su objetivo es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo. Se emplean cuatro métodos principales de compactación: Ø Compactación estática o por presión: La compactación se logra utilizando una máquina pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo, sin necesidad de movimiento vibratorio. Por ejemplo: rodillo estático o rodillo liso. Ø Compactación por impacto. La compactación es producida por una placa apisonadora que golpea y se separa del suelo a alta velocidad. Por ejemplo: un apisonador Ø Compactación por vibración: La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia. Ideales para suelos granulares por ejemplo: placa o rodillos vibratorios. Ø compactación por amasado: La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones distribuidas en áreas más pequeñas que los rodillos lisos. Ideales para suelos cohesivos Por ejemplo: Un rodillo “Pata de Cabra”. CANTIDAD DE FRACCIÓN GRUESO La forma de las partículas gruesas de un suelo influye en la compacidad y estabilidad del depósito del mismo. Cuando se examinan las partículas más gruesas del suelo a simple vista o con una lupa pequeña, se debe tratar de estimar el grado de meteorización. La presencia de materiales débiles, como latitas y mica, deberá también tenerse en cuenta, ya que estos materiales pueden influir en la durabilidad o compresibilidad del depósito.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Los dos factores que más influyen son el reúso y el logro de una homogénea distribución del contenido de agua. En muchos laboratorios es práctica común usar la misma muestra para la obtención de puntos sucesivos de las pruebas de compactación; ello implica la continuada re compactación del mismo suelo. Se ha visto que esta práctica es inconveniente en lo absoluto, toda vez que la experimentación ha demostrado, sin género de duda, que si se trabaja con suelos re compactados lo pesos volumétricos que se obtiene son mayores que los que se logran con muestras vírgenes en igualdad de circunstancias, de modo que con suelos re compactados la prueba puede llegar a dejar de ser representativa. Una explicación sencilla de este efecto radica en la deformación volumétrica de tipo plástico que causan sucesivas compactaciones. Una muestra con una distribución homogénea del contenido de humedad servirá para realizar pruebas correctas de compactación.
PRUEBAS DE COMPACTACIÓN EN EL LABORATORIO
Prueba proctor estándar Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en el laboratorio unas condiciones dadas de compactación de campo. Históricamente, el primer método, en el sentido de la técnica actual, es el debido a R. R. Proctor, y es conocida hoy en día como "Prueba Proctor Estándar". La prueba consiste en compactar el suelo en cuestión en tres capas dentro de un molde de dimensiones y forma determinadas por medio de golpes de un pisón, que se deja caer libremente desde una altura especificada. Con este procedimiento de compactación Proctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial del agua en el suelo, encontrando que tal valor era de vital importancia en la compactación lograda. En efecto observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones del suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que la pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones. Proctor puso de manifiesto que, para un suelo dado y usando el procedimiento des crito, existe una humedad inicial llamada "óptima", que produce el máximo peso específico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación. EQUIPO EMPLEADO: El objetivo de la práctica es obtener el peso específico seco máximo de laboratorio y la humedad óptima de compactación. El material y equipo utilizado fue el siguiente:
Molde de acero de 4" de diámetro y aprox. 12 cm de altura Martillo de compactación con guía Base y extensión para el molde W del martillo ( prueba estándar): W=
W del martillo ( prueba modificada): W= Malla del No. 4 Cucharón Enrazador Probeta de 100ml 5 cápsulas de aluminio Desarmador plano Charola cuadrada Balanza con aproximación de un gramo Balanza electrónica Vernier o flexo metro
Después de recibir el material y equipo, se comenzó por medir el diámetro y la altura del molde y a pesarlo; mientras otros compañeros calculaban el número de golpes a aplicar para cada capa. ҉
҉ Al mismo tiempo otros compañeros cribaban el material por la malla #4. Después se le comenzó a agregar agua hasta que al apretarlo con la mano formó un grumo que no se deshacía fácilmente. ҉ Se colocó el molde con la base y la extensión en la base para compactar, se le adicionó material suelto y se precedió a compactar, se escarifico para agregar la segunda capa y se compacto, lo mismo se hizo para la tercera capa. Se rasco el perímetro del molde para evitar que se viniera la tercera capa con la extensión y se enrazó el material excedente; se pesó el cilindro sin la base pero con el material compactado y por diferencia de pesos se obtuvo el peso del suelo húmedo. ҉ Hecho lo anterior se procede a extraer el material del cilindro ayudados por un gato hidráulico y se extrajo una muestra representativa de aproximadamente 100gr. para obtener el contenido de humedad del material. ҉ Se repite el procedimiento descrito anteriormente hasta que el peso del material húmedo disminuya en dos ocasiones consecutivas. PRUEBA PROCTOR MODIFICADO Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. El más empleado, actualmente, es el denominado prueba Proctor modificado en el que se aplica mayor energía de compactación que el estándar siendo el que está mas de acuerdo con las solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. También para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Proctor de 15 golpes. La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente fórmula:
Ee = N * n * W * h V
Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir, que existe una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el máximo peso específico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por consiguiente, la mejor compactación del suelo. Los resultados de las pruebas de compactación se grafican en curvas que relacionan el peso específico seco versus el contenido de agua, lo que se puede apreciar en la Figura 5.17, para diferentes suelos. PRUEBA PORTER Este método de prueba sirve para determinar el peso volumétrico seco máximo y la humedad óptima en suelos con partículas gruesas que se emplean en la construcción de terracerías; también se puede emplear en arenas y en materiales finos cuyo índice plástico sea menor que 6. El método consiste en preparar especímenes con material que pasa la malla de una pulgada, a los que se le agregan diferentes cantidades de agua y se compactan con carga estática. Objetivo: En esta práctica se determinara la compactación por carga estática ya que es igual que la prueba. Proctor se calculara el peso específico seco máximo y contenido de humedad.
DETERMINACIÓN DE PESOS ESPECÍFICOS SECOS EN EL CAMPO
Cono de arena La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro conocido como grado de compactación, el cual representa un cierto porcentaje. Su evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad óptima correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método de conocer el grado de compactación es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico seco de campo a partir del material extraído de una cala, la cual se realiza sobre la capa de material ya compactada. Se mide el diámetro y altura del cilindro y se calcula el volumen del cilindro; después se pesa el cilindro con la base, se cierra la válvula del cono, se coloca éste sobre las mariposas del cilindro evitando que se mueva, se abre la válvula y se llena el molde con arena hasta que ésta se derrame; se cierra la válvula una vez que ha cesado el movimiento al interior del frasco y se enraza el cilindro ayudado por un cordell para evitar ejercer pr esión, se limpia la base con la brocha y se pesa; por diferencia de pesos se obtiene el peso de la arena que
dividida entre el volumen del cilindro nos proporcionará el peso volumétrico. Se repite el proceso anterior de 3 a 5 veces dependiendo las variaciones en el peso de la arena. Para obtener el peso de la arena que llena el cono y la base se proc ede a hacer lo siguiente: se pesa el equipo con arena, se coloca la base sobre una superficie plana (en este caso la charola), se cierra la válvula y se coloca el cono sobre la placa permitiendo que fluya la arena dentro del cono, cuando se detenga el movimiento de la arena dentro del frasco se cierra la válvula y, se pesa el equipo con la arena sobrante. BALON DE DENSIDAD Método del balón de caucho. A través de este método, se obtiene directamente el volumen del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho que impide la absorción del agua en el terreno. Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado . EMPLEANDO ACEITE Consiste en medir el volumen del orificio mediante la introducción en. El de un volumen conocido de aceite, el cual debe retirarse al concluir el ensayo. Este método no se recomienda en el caso de suelos arenosos. UTILIZANDO EL MATRAZ LE CHATELIER – Material: balanza (0,1 g), matraz Le Chatelier, embudo, pincel y mineral con granulometría de 100 % -12# ASTM. – Se puede utilizar agua o parafina, si el material es soluble se utilizará parafina. – El agua o parafina introducida dentro del matraz Le Chatelier limpio y seco. – Se enrasa a cero o a cualquier volumen (1era lectura de volumen). – Cualquier gota adherida en una sección del vástago es removida con papel toalla. – Se tara la balanza y se agrega el mineral al matraz por medio de un embudo cuidadosamente. – Cualquier partícula de mineral adherida a la parte del vástago del matraz, es cuidadosamente escobillada dentro del matraz con un pincel.
– El matraz es entonces tapado y es agitado con la mano hasta que todas las burbujas son removidas y el mineral es mojado homogéneamente. Se mide el volumen (2da lectura de volumen). – Luego se pone en la balanza, para saber el peso de mineral agregado:
2.- utilizando el picnómetro – Material: balanza (0,0001 g), Picnómetro, embudo, pincel y mineral con granulometría menor que 1 mm. – Se puede utilizar agua destilada, parafina o alcohol. – Limpiar bien el Picnómetro, su limpieza se puede efectuar con Amoniaco o algún disolvente de grasa, enseguida se enjuaga con agua destilada y se seca en estufa. – La muestra de ensayo puede estar con su humedad natural o seca en la estufa (a 80ºC hasta obtener masa constante). – Pesar el Picnómetro seco, vacío y tapado, se anota su peso W1. – Se retira de la balanza se agrega el mineral problema dentro del Picnómetro y se pesa nuevamente W2. – Se le agrega algo de líquido cuidadosamente evitando la formación de burbujas, hasta alcanzar aproximadamente ¾ de la capacidad del Picnómetro. – Remover el aire atrapado por uno de los siguientes procedimientos: 1.- someter el contenido a un vacío parcial (menor de 100 mmHg, para evitar burbujeo excesivo, se aplica en forma gradual hasta llegar al máximo, el cual deberá mantenerse durante 10 a 15 minutos para conseguir un desaireado completo. El Picnómetro debe agitarse suavemente para ayudar a la remoción del aire. 2.- Calentar o hervir por lo menos 10 minutos haciendo girar ocasionalmente el Picnómetro para ayudar a la remoción del aire. En este caso debe esperarse que el Picnómetro alcance nuevamente la temperatura ambiente para conseguir la prueba. – Agregar agua destilada hasta llenar el Picnómetro. Limpiar y secar el exterior con papel toalla y pesar nuevamente W3. – Finalmente se vacía todo el contenido y se lava bien el Picnómetro, se vuelve a llenar completamente con el líquido, se seca exteriormente y se pesa W4.
Donde: W1-W2 = peso del mineral W4-W1-W3+W2 = volumen del mineral. Considerando la densidad del líquido ocupado L.
3.- Utilizando la Balanza Marcy La balanza Marcy está constituida principalmente por una balanza graduada provista de un recipiente metálico capaz de contener un volumen fijo de 1000 cm3. La balanza debe ser colgada de manera tal que quede suspendida libremente en el espacio.
Calibración: Llene el recipiente con 1000 cm3 de agua pura y cuélguelo del gancho de la balanza. La aguja de la balanza deberá marcar 1.000 g en el anillo exterior del dial, quedando en posición vertical. Si fuese necesario gire la perilla de ajuste ubicada en la parte inferior, hasta obtener los 1000 g en ese momento la balanza estará calibrada. Determinación de gravedad específica, % sólidos y densidad de pulpa: Preparar una muestra de material representativa, seca entre -10 #ty y +100 #ty, cuelgue el recipiente vacío v seco de la balanza y empiece a llenarlo hasta que la aguja indique 1000 gr. en el anillo exterior del dial. Vacíe la muestra en algún receptáculo. Llene un tercio del volumen del recipiente asegurándose que cada partícula se moje completamente y se eliminen las burbujas de aire. Cuelgue el recipiente de la balanza y complete el volumen con agua hasta las perforaciones de rebalse. Lea la gravedad específica del sólido directamente en el anillo interior del dial. Al determinar la gravedad específica del sólido, le permitirá medir % de sólidos y densidad de pulpa.
CONCLUSIÓN El esfuerzo cortante se puede clasificar en diversas formas pero la características que lo describe es el esfuerzo cortante que se desarrolla a lo largo de un elemento estructural que es sometido a cargas, que es igual al esfuerzo en ese mismo punto. El igual en este tema se vio lo relacionado con el circulo de mohr que es un método grafico para determinar algunas de las características geométricas de un cuerpo, tales como momentos de inercia y productos de inercia; tales que se utilizan para determinar la resistencia de una pieza a los esfuerzos Las técnicas de mejoramiento de suelo son usadas a nivel mundial, pues posibilitan lograr convertir un suelo de propiedades mecánicas no idóneas, para ser usados como material base de un vial u otra obra de cimentación, en un excelente material; con alta resistencia al corte, se logra disminuir su deformación o acelerar está en un período de tiempo corto. En obras situadas en zonas donde los suelos no sean los especificados por proyectos, estas técnicas permiten evitar la excavación de los mismos y así disminuir los volúmenes de movimientos de tierra y por consiguiente el costo de la obra.
