31 de julio de 2013
ENSAYO DE VELETA O MOLINETE
31 de julio de 2013
UNIVERSIDAD NACIONAL SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TÍTULO: ENSAYO DE CORTE CON VELETA
ASIGNATURA
: GEOTECNIA (IC-448)
DOCENTE
: Ing° Ángel Hugo VILCHEZ PEÑA.
ALUMNA
: DÍAZ VIVANCO, Víctor Hugo. MONDRAGON HUAMANTINCO, Rodrigo. TOVAR SICHA ANDREI
CICLO ACADÉMICO ACADÉMICO : 2012 – II FECHA DE ENTREGA : 31 - 07 – 13
AYACUCHO – PERÚ 2013 1 GEOTECNIA
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1. OBJETIVOS
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2. DEFINICIÓN DEL ENSAYO
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3. ASTM D-2573 NORMAS
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4. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO
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5. APLICACIONES Y LIMITACIONES DEL ENSAYO DE VELETA
16
6. RESULTADOS
17
7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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9. BIBLIOGRAFIA
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10. ANEXO
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TÍTULO: ENSAYO DE MOLINETE O VELETA
1. OBJETIVOS:
Conocer la definición y el procedimiento del ensayo de veleta en el terreno, en suelos cohesivos blandos y saturados. Conocer la metodología detallada y la aplicación del equipo, para finalmente interpretar los resultados obtenidos. Conocer la naturaleza del suelo en el cual se ha de efectuar cada ensayo, para asegurarse de su aplicación e interpretación. Determinar la resistencia a corte sin drenaje (Su o Cu) y la sensitividad (St) en suelos cohesivos saturados. Conocer la norma ASTM D-2573. Saber cuáles son las ventajas y desventajas de este ensayo. Para finalmente dar recomendaciones y conclusiones.
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2. DEFINICIÓN DEL ENSAYO (REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS) Ref. N° 1: (Mecánica de suelos - Juárez Badillo, Págs. 381-382) La prueba presenta una ventaja considerable: la de realizarse directamente sobre suelos “in situ”, es decir, no sobre muestras extraídas con mayor o menor grado de alterabilidad, sino sobre los materiales en el lugar en que se depositaron en la naturaleza. La prueba guarda cierta similitud, desde un punto de vista interpretativo de sus resultados, con la prueba directa ya mencionada y está afectada por algunas de sus limitaciones.
Llamamos “s a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo, el momento máximo soportado por este será medido por los momentos resistentes generados, tanto en las bases del cilindro, como en su área latera. El momento resistente que se desarrolla en el área lateral será: ”
y, desperdiciando el efecto del vástago, el momento generado en cada base valdrá:
Nótese que en la base, se toma el brazo de palanca de la fuerza resistente como equivale a elementos resistentes en forma de sector circular.
⁄ ⁄
, lo que
Ref. N° 2: (Principio de Ingeniería de Cimentaciones – Braja Das, Págs. 111-115) La prueba de corte con veleta (ASTM D-2537). Este aparato consta de cuatro paletas en el extremo de una varilla, como la figura 2.24. La altura H de la veleta es 2 veces su diámetro D. Puede ser rectangular o trapezoidal. Observe la tabla 2.6 para ver las dimensiones típicas de las veletas usadas en el campo. Las paletas son empujadas en el suelo al fondo sin alterar apreciablemente al suelo. Se aplica un par de torsión en la parte superior de la varilla para hacer girar las paletas a una 4 GEOTECNIA
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velocidad de 0.1°/s, esta rotación inducirá falla en el suelo de forma cilíndrica que rodea las paletas. Se mide el par de torsión máximo T, aplicado que cause falla. Se nota:
)
o
Donde T esta en N.m y c u esta en kN/m2 y K es una constante de magnitud que depende de la dimensión y forma de la paleta.
( )
Donde: D: diámetro de la paleta en cm H: altura de la veleta en cm Si
, la ecuación anterior da
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Las pruebas de corte con veleta en campo son moderadamente rápidas y económicas y se usan ampliamente en programas de exploración de suelos en campo. Las causas significativas de errores en la prueba de corte con veleta en campo son una mala calibración del par de torsión aplicado y paletas dañadas. Otros errores se cometen si la velocidad de rotación de las paletas no es debidamente controlada. Para fines de diseño, los valores de la resistencia cortante no drenada obtenidos de pruebas de corte con veleta en campo son muy altos y se recomienda que sean corregidos,
Donde
[]
Varias correlaciones han sido previamente dadas para el factor de corrección en la tabla 2.7.
, y algunas se dan
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Ref. N° 3: (Suelos Fundaciones y Muros – María Graciela Fratelli, Pág. 82) La prueba de veleta es útil para determinar en el lugar la resistencia a corte de arcillas blandas, depósitos de limo o suelos de granos muy finos no drenados y libres de partículas de arena o grava, sin necesidad de tomar muestras disturbas. La figura 3.11 muestra algunas veletas de ensayo. a) corresponde a una típica, con altura L=2D, siendo el ancho total de las aspas. La veleta se introduce en el suelo forzándola, en el fondo de un pozo previamente cavado en el lugar a una profundidad entre 2D y 5D, y luego se aplica un momento torsor a la barra de soporte. La magnitud de las fuerzas que se deben aplicar para producir la falla del suelo al girar la veleta, permite calcular la resistencia de agotamiento del suelo a corte
Al girar la veleta, el suelo resulta cortado según un cilindro circular de diámetro D. La resistencia a corte diseño se acepta
para
de los suelos cohesivos depende fundamentalmente de la cohesion. Para
según al tipo de suelo.
La experiencia ha demostrado que cuando la veleta se orienta paralela al plano de consolidación de los estratos, los resultados de son menores que cuando se la orienta perpendicularmente.
Algunos investigadores han relacionado el valor de con , pudiendo aceptarse en forma aproximada.
siendo
obtenido mediante el ensayo de la veleta,
el esfuerzo de agotamiento del suelo en compresión.
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Ref. N° 4: (Manual de mecánica del suelo y cimentaciones – Ángel Muelas Rodríguez, Págs. 30-33) El ensayo de molinete o veleta consiste en hincar en el terreno el molinete constituido por cuatro capas de acero ortogonales (ver figura) y medir el par de torsión T al girar el dispositivo hasta la rotura. Como el cizallamiento es relativamente rápido, el agua no tiene tiempo a ser evacuada y se trata entonces de un ensayo no consolidado y no drenado.
El par de torsión T aplicado está equilibrado por el momento de las reacciones de cizallamiento del suelo sobre la superficie circunscrita al molinete. Se hace crecer T hasta lograr la ruptura del suelo (valor pico), que se manifiesta por una disminución brusca de la fuerza aplicada. A continuación sucede una estabilización del momento, inferior al valor máximo pero no nulo (valor residual). El ensayo de molinete, realizado en el fondo de sondeos o mediante hinca directa, está especialmente indicado para investigar la resistencia al corte sin drenaje de suelos arcillosos blandos. Para la interpretación del ensayo se admite que la tensión de cizallamiento máxima (pico), igual a la cohesión no drenada, está uniformemente repartida sobre la superficie circunscrita al molinete. Cálculos teóricos muestran que esta hipótesis no es estrictamente así. En el caso de un molinete rectangular, por ejemplo, el suelo sobre la superficie cilíndrica entrará en plasticidad, mientras que sobre los discos extremos estará aún en elasticidad (Casan, 1982). En la práctica, no obstante, las desviaciones debidas a la hipótesis simplificadora resultan despreciables, menos del 4%. La distribución de tensiones de corte de un molinete rectangular puede observarse en la figura siguiente: 8 GEOTECNIA
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Para calcular la resistencia al corte no drenado “Su”, se utiliza el máximo momento torsor T corregido para deducir los rozamientos parásitos:
siendo:
T: torsión máxima aplicada K: constante dependiente de la geometría de la paleta.
Resumiendo, la expresión general para paletas rectangulares de altura H y diámetro D, es:
Para paletas trapezoidales se tiene:
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Estudios de deslizamientos en terraplenes construidos sobre arcillas plásticas (Bjerrum, 1972, 1973) han demostrado que la cohesión movilizada en el terreno es realmente menor que la cohesión medida con este ensayo, siendo la diferencia función del Indice de Plasticidad IP. Bjerrum propone la introducción de un coeficiente corrector μ:
En la figura siguiente se presenta la relación entre μ (eje de ordenadas) y el índice de plasticidad (eje de abscisas). Se observa que “su” está más sobreestimada cuanto más plástico es el suelo. Esta corrección es importante para suelos con índice de plasticidad superior a 30 (IP>30).
Los parámetros de resistencia que se obtienen en este ensayo están igualmente indicados para la determinación de cargas de hundimiento de cimentaciones superficiales o profundas en condiciones no drenadas así como para el estudio de estabilidad de taludes de dragado o relleno, también en condiciones no drenadas.
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3. ASTM D-2573 (ENSAYO DE CORTE CON VELETA) La prueba de corte con veleta se usa durante la operación de barrenado para determinar in situ la resistencia cortante no drenada (Cu) de suelos arcillosos, particularmente de arcillas blandas. El aparato de corte con veleta consta de cuatro paletas en el extremo de una varilla. La altura H, de la veleta es cuatro veces su radio R. Puede ser rectangular o trapezoidal (Ver la figura 1).
Figura 1.
Las paletas del aparato son empujadas en el suelo al fondo de un barreno sin alterar apreciablemente el suelo. Se aplica un torque en la parte superior de la varilla para hacer girar las paletas a una velocidad de O.1º/s. Esta rotación inducirá la falla en el suelo de forma cilíndrica que rodea a las paletas. Se mide el par de torsión máximo T, aplicando que causa la falla. Note que:
⁄ Donde:
K es una constante cuya magnitud depende de la dimensión y forma de la paleta.
( ) Donde: D = diámetro de la veleta en cm H = altura medida de la veleta en cm Si H/D =2, La ecuación 3) da.
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Las pruebas de corte con veleta en campo son moderadamente rápidas y económicas y se usan ampliamente en programas de exploración de suelos en campo. Da buenos resultados en arcillas blandas y medio compactas y es también una excelente prueba para determinar las propiedades de arcillas sensitivas.
Causas de errores significativos en la prueba de corte con veleta en campo son una mala calibración del par de torsión aplicado y paletas dañadas. Otros errores se cometen si la velocidad de rotación de las paletas no es debidamente controlada.
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4. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO El puntero va siendo hincado utilizando un sistema doble de varillas. El objetivo de este procedimiento es eliminar cualquier fricción de la varilla del molinete de test con el suelo, y eliminar interferencias en las medidas de resistencia. Una vez colocado en posición, se aplica torque al puntero por medio de una unidad de medición, con una velocidad de 0,1 a 0,2 grados por segundo. El torque máximo permite obtener el valor de resistencia no drenada del terreno, en condiciones de un suelo natural que no haya sufrido deformaciones. Posteriormente, para obtener la resistencia no drenada, representativa de una condición no-drenada amalgamada de la arcilla, se gira rápidamente el molinete durante 10 vueltas consecutivas, permitiendo evaluar la sensibilidad de la estructura de formación natural del depósito arcilloso.
PROCEDIMIENTO: 1. Penétrese 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. 2. Cuando se emplee revestimiento para la veleta, aváncese este hasta una profundidad no menor de cinco diámetros del revestimiento por encima de la profundidad deseada para la punta de la veleta. Cuando no se utilice revestimiento, suspéndase el hueco a una profundidad tal que el extremo de la veleta pueda penetrar dentro del suelo inalterado, 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. 3. Con la veleta en posición, aplíquese el giro a una rata que no exceda de 0.1°/seg. Generalmente se requiere para la falla, entre 2 y 5 minutos, excepto en arcillas muy blandas en las cuales el tiempo de falla puede elevarse a 10 ó 15 minutos. En materiales más duros, que alcanzan la falla con una deformación pequeña, se puede reducir la rata del desplazamiento angular de tal manera que pueda obtenerse un valor razonable de las propiedades esfuerzo-deformación. Durante la rotación de la veleta, manténgase ésta a una altura fija. Anótese el momento máximo. Con aparatos de transmisión, se deben anotar valores intermedios del momento, a intervalos de 15 seg. o menores, si las condiciones lo exigen.
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4. Después de determinar el máximo momento, rótese rápidamente la veleta un mínimo de 10 revoluciones; inmediatamente después se determinará la resistencia moldeada, en todos los casos dentro del minuto siguiente al remoldeo. 5. En los casos en los cuales el suelo esté en contacto con la varilla de giro, determínese 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. Efectúese el ensayo de frcción de la varilla por lo menos una vez en cada sitio. 6. En aparatos en los cuales la varilla de giro esté completamente aislada del suelo, verifíquese un ensayo de fricción con una varilla lisa al menos una vez en cada sitio, para determinar la magnitud de la fricción de los cojinetes o guías. En dispositivos de veleta que funcionen adecuadamente, esta fricción deberá ser despreciable. 7. Efectúense 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 período de ensayo, como en arenas o limos, o en suelos en los cuales la veleta encuentre piedras o conchas que puedan influir en los resultados. En algunos casos no es necesario remover la veleta para el ensayo de fricción. 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.
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5. APLICACIONES Y LIMITACIONES DEL ENSAYO DE VELETA
Aplicación Recomendada Norma aplicable
Técnica de Investigación
Tipo de Suelo
Parámetro a obtener (2)
339.155 (ASTM D2573)
Perforación/Calicata
CL, ML, CH, MH
Su , St
(1) Solo para suelos finos saturados, sin gravas ni arenas (2) Su = Cohesión en condiciones no drenadas St = Sensitividad
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6. RESULTADOS
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A través de los ensayos de molinete (Vane Test), se pueden obtener los siguientes resultados:
Gráfico del factor de corrección (Chandler, 1988). Resistencia no drenada en condiciones naturales (Su). Resistencia no drenada en condiciones remoldeada (Suv). Sensibilidad de la estructura de la arcilla (St).
CÁLCULOS: Tenemos: T=40 N-m D=63.5 mm H=127 mm Según: Ref. N° 1: (Mecánica de suelos - Juárez Badillo, Págs. 381-382) MRL=T=40 N-m
Ref. N° 2: (Principio de Ingeniería de Cimentaciones – Braja Das, Págs. 111-115)
) (
Ref. N° 3: (Suelos Fundaciones y Muros – María Graciela Fratelli, Pág. 82) Resistencia de agotamiento del suelo a corte :
Ref. N° 4: (Manual de mecánica del suelo y cimentaciones – Ángel Muelas Rodríguez, Págs. 30-33)
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7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS AKI TOBY PONER ESO!!, EN BASE A ESTO PON CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES!!!...
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Contraste entre Referencias Bibliográficas y Resultados:
En los fórmulas propuestas en los libros de Fratelli y Badillo el valor de la resistencia al corte no drenada es similar, de igual forma los valores entre Muelas y Braja Das.
Se observa una gran diferencia entre Badillo y Braja Das.
En todas las referencias exceptuando el de Juarez Badillo, se observa que proponen un factor de corrección que disminuya el valor del esfuerzo al corte.
Tal como lo expusieron todas las bibliografías, la veleta cumple con la relación H=2D, es un ensayo instantáneo, insitu, con los valores que da: Torsor y Diámetro y Altura de la veleta, se puede hacer fácilmente el cálculo con cualquiera de las fórmulas antes expuestas.
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9. BIBLIOGRAFÍA
Mecánica de suelos - Juárez Badillo, Págs. 381-382 Principio de Ingeniería de Cimentaciones – Braja Das, Págs. 111-115 Suelos Fundaciones y Muros – María Graciela Fratelli, Pág. 82 Manual de mecánica del suelo y cimentaciones – Ángel Muelas Rodríguez, Pág. 30-33 http://www.ingenieriaciviltips.com/2011/05/tabla-26-dimensiones-recomendadas-de.html http://ocw.uis.edu.co/ingenieria-civil/estabilidad-de-taludes/clase 3/ENSAYOS_DE_SUELOS_INSITU.pdf
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Anexo: Fotografías sobre el ensayo de veleta en campo.
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