Ensayos de Mecánica de Suelos
Ensayo de la veleta de corte o de “Vane Test” 1. Introducción El ensayo de la veleta de corte, "Vane Test", proporciona una medida directa in situ, de la resistencia al corte. El ensayo normalizado (ASTM D2573) consiste en introducir el extremo de la varilla un sistema de aspas, de dimensiones establecidas (Fig. 1), que girando en el suelo con una velocidad regular de 0.1°/seg corta el suelo. Se mide el momento torsor de rotura, M, y se correlaciona con el valor de la cohesión. O sea, es útil para determinar la resistencia sin drenaje al esfuerzo cortante y la sensibilidad de las arcillas.
Este método establece el procedimiento del ensayo de veleta en el terreno, en suelos cohesivos blandos y saturados.
Fig. 1 Veleta de corte o molinete
2. Descripción del ensayo Los ensayos de corte con veleta normal (ASTM D 2573) o miniatura (ASTM D 4648) son aplicables únicamente cuando se trata de suelos cohesivos saturados desprovistos de arena, grava y como complemento de la información obtenida mediante calicatas o perforaciones.
Tabla 1. Aplicaciones de los ensayos de veleta de corte Aplicación Recomendable Normas Aplicables Parámetros a Ensayos in situ Técnicas de Tipos de N° ser obtenidos Investigación Suelo (1) (2) Resistencia al Corte por ASTM CL, ML, medio de la veleta Perforación Cu, St D 2573 CH, MH Norma (3) Resistencia al Corte por medio de la veleta ASTM CL, ML, Perforación Cu, St Miniatura (Long. max. de D 4648 CH, MH barra 3m) (3) (1) Según clasificación SUCS los ensayos son aplicados a suelos (2) Leyenda: Cu = Cohesión en condiciones no drenadas St = Sensitividad (3) Solo para suelos finos saturados sin arena ni gravas Las veletas son esencialmente dos paletas en cruz montadas sobre una varilla que se introducen con fuerza en el suelo, luego se rotan y se mide el torque necesario para romperlo. La resistencia al corte se correlaciona con el tamaño de la veleta y el torque. 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.
Fig.2 Detalle de un ensayo de veleta
3. Equipo a. Veleta Se muestran los dos tipos de veletas normalizadas por este ensayo. Cada una tendrá cuatro hojas perpendiculares entre sí, y en algunos casos su altura será el doble del diámetro. Las dimensiones de la veleta deberán ser las especificadas en la Tabla 1. Se podrá emplear dimensiones diferentes a las especificadas, únicamente con autorización previa. Los bordes de las hojas de la veleta que penetran se deberán afilar, cuidando que no se altere el ángulo de 90° comprendido entre ellas.
Fig.3 Veletas. Fuentes: J. Salas J. y De Justo A, Vol. 2 (1981)
Fig.4 Tipos de veletas
Tabla 2. Dimensiones aconsejables para aplicación del método
b. Varillas de extensión La veleta deberá operarse desde la superficie conectándola con varillas de torsión, de acero. Estas varillas deberán ser de un diámetro tal, que no sea excedido su límite elástico cuando la veleta sea sometida a su capacidad plena y deberán acoplarse muy bien, para evitar cualquier posibilidad de que el ajuste del acople, ocurra cuando se aplique la rotación, al ejecutar el ensayo. Si se emplea revestimiento para la veleta, las varillas de torsión deberán equiparse con cojinetes bien lubricados en los sitios donde ellas pasen a través del mismo. Estos cojinetes deberán estar previstos de sellos que eviten la entrada de suelo en ellos. Las varillas de giro deberán guiarse de tal manera, que se evite el desarrollo de fricción entre ellas y las paredes del revestimiento o de la perforación. La fuerza de giro deberá aplicarse a las varillas quienes la trasmiten a la veleta. La precisión de la lectura del giro deberá ser tal, que no produzca una variación mayor de ± 1.2 kPa (25 lb/pie2) en la resistencia al corte. Es preferible aplicar la torsión a la veleta mediante un engranaje de transmisión. En ausencia de este, puede aplicarse directamente el giro mediante una llave de torsión o algo equivalente, con su correspondiente dispositivo de medición. Nota: Si es necesario determinar curvas de Momento vs. Rotación, es esencial calibrar las varillas de rotación antes de emplearlas. La magnitud del giro de la varilla (si lo hubiera) deberá establecerse en grados/pie/unidad de momento. Esta corrección se hace progresivamente más importante a medida que aumenta la profundidad; la calibración deberá efectuarse por lo menos hasta la profundidad máxima esperada, para el ensayo.
Fig 5. Ensamblado de la veleta en campo
4. Procedimiento Se introduce la veleta desde el fondo del agujero o de su revestimiento, mediante un simple empuje hasta la profundidad a la cual se va a efectuar el ensayo, cuidando que no se aplique torsión durante dicho empuje. Cuando se emplee revestimiento para la veleta, se deberá avanzar con ella hasta una profundidad no menor de cinco veces el diámetro del revestimiento por encima de la profundidad deseada para la punta de la veleta. Cuando no se utilice revestimiento, se deberá suspender la perforación a una profundidad tal que el extremo de la veleta pueda penetrar dentro del suelo inalterado, una profundidad de por lo menos cinco veces el diámetro de la perforación. Con la veleta en posición, se deberá aplicar el giro que no exceda de 0.1°/seg. Generalmente se requieren para la falla, entre 2 y 5 minutos, excepto en arcillas muy blandas en las cuales el tiempo de falla puede elevarse a 10 o 15 minutos. En materiales más duros, que alcanzan la falla con una deformación pequeña, se puede reducir el rango del desplazamiento angular de tal manera puede obtenerse un valor razonable de las propiedades esfuerzo-deformación. Durante la rotación de la veleta, se deberá mantener ésta a una altura fija. Se deberá registrar el momento máximo. Con aparatos de transmisión, es aconsejable anotar los valores intermedios del momento obtenidos en ese instante, a intervalos de 15 seg o menores, si las condiciones lo exigen. Después de determinar el máximo momento, se rota rápidamente la veleta un mínimo de 10 revoluciones; inmediatamente después se determinará la resistencia remoldeada, en todos los casos dentro del minuto siguiente al remoldeo.
En los casos en los cuales el suelo este en contacto con la varilla de giro, se determina la fricción entre la varilla y el suelo por medio de ensayos de giro efectuados con varillas similares a profundidades equivalentes, sin la veleta colocada. Se debe efectuar el ensayo de fricción de la varilla por lo menos una vez en cada sitio. Para determinar la magnitud de la fricción de los cojinetes o guías, en aparatos en los cuales la varilla de giro este completamente aislada del suelo, se deberá realizar un ensayo de fricción con una varilla lisa al menos una vez en cada sitio, para determinar la magnitud de la fricción de las guías. En dispositivos de veleta que funciones adecuadamente esta fricción deberá ser despreciable.
Nota: En algunos casos no es necesario remover la veleta para el ensayo de fricción de cojinetes o guías. En tanto que la veleta no se halle en contacto con el suelo, esto es, cuando se encuentre dentro de un revestimiento, no resulta afectada por las medidas de fricción.
Se deberán efectuar ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos, inalterados y remoldeados. No deben realizarse en ningún suelo que permita el drenaje o que se dilate durante el periodo de ensayo como arenas o limos, o en suelos en los cuales la veleta encuentre que puedan influir en los resultados. Se recomienda no hacer ensayos de veleta con espaciamientos menores de 0.76 m de ellos. Este espaciamiento se podrá variar cuando sea requerido con la autorización y responsabilidad del especialista a cargo. Periódicamente se deberán comprobar las dimensiones de la veleta para asegurarse que no este desgastada ni distorsionada. La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsión hasta que se corte el cilindro de suelo contenido entre el perímetro de la veleta (Carlson recomienda velocidad angular de 0,1º/seg). El valor obtenido debe corregirse ya que las investigaciones señalan que entrega valores demasiado altos. Para corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de tu se multiplica por un factor l obtenido del gráfico de la figura 3.7. y así tenemos el tu de diseño. Diversas investigaciones señalan que a cierta profundidad, dependiendo de la calidad del muestreo, existe una coincidencia aceptable entre los valores de resistencia sin drenaje dados por la fórmula y la mitad de la resistencia a la compresión simple de muestras inalteradas ensayadas en laboratorio. Para profundidades mayores la resistencia con veleta es mayor, debido a la dificultad de la toma de muestras.
Fig.6 Gráfico para corregir el valor de resistencia (Bowles J., 1982)
5. Cálculos Se calcula la resistencia al corte del suelo mediante el empleo de la siguiente expresión: (
)
Donde: T = Momento de giro en N-m (lb-pie) S = Resistencia al corte de la arcilla en kPa (lb/pie2) K = Constante que depende de las dimensiones y de la forma de la veleta m3 (pies 3) tal como se indica en las operaciones de la Tabla 3.
Tabla 3. Valor de la constante K (m3 o pies3)
Periódicamente deberán comprobarse las dimensiones de la veleta para asegurarse de que no esté desgastada ni distorsionada. Donde: D = diámetro de la veleta (mm o pulg) H = altura de la veleta (mm o pulg) d = diámetro de la varilla (mm o pulg) El ensayo se aplica en depósitos cohesivos blandos donde la perturbación es crítica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsión. La resistencia al corte sin drenar (tu) se puede calcular mediante la siguiente expresión
6. Informe Para cada ensayo de veleta se deben registrar los siguientes datos: Fecha del Ensayo. Número de la perforación. Tamaño y forma de la veleta (ahusada o rectangular). Profundidad del extremo de la veleta. Profundidad del extremo de la veleta por debajo del revestimiento o fondo del hueco. Lectura máxima del momento y, si se requieren, lecturas intermedias para el ensayo inalterado.
Tiempo del ensayo hasta la falla. Velocidad del remoldeo. Lectura máxima del momento para el ensayo remoldeado, y Notas sobre cualquier clase de desviaciones con respecto al procedimiento normal de ensayo.
Adicionalmente se deben anotar las observaciones sobre la perforación: Número del sondeo. Sitio. Condiciones del suelo en el sitio. Cota de referencia. Método de ejecución de la perforación. Descripción de la veleta, esto es, si tiene camisa o no. Descripción del método para aplicar y medir el momento. Observaciones sobre la resistencia o a la penetración. Nombres del inspector de la perforación y del ingeniero supervisor.
7. Bibliografía
Ayala C., F. J; Posse, A. F.J. (2006) Manual de ingeniería de taludes. 1era edición. Instituto Geológico y Minero de España, Madrid. González, M., (2011). El terreno. Edicions UPC
