FACULTAD DE INGENIERÍA ENSAYO DE CORTE DIRECTO CURSO: INGENIRÍA GEOTÉCNICA BLOQUE: FC-PRECIV07B1M PROFESOR : DIAZ PARDAVE, Miguel Ángel
INTEGRANTES: JULIAN BARRA, Samuel
1421059
REYES YENQUE, Jhossep Rossowill
1421227
SULCA TAIPE, Jeremías
1421249
VILLAVICENCIO QUISPE, Yordy
1421287
Lima, Perú 2017
1
INDICE CORTE DIRECTO ........................................................................................................ 3 1.1.
Resumen............................................................................................................ 3
1.1.
Objetivos ........................................................................................................... 4
1.2.
Metodología ...................................................................................................... 5 1.2.1.
Fundamento Teórico ................................................................................... 5
1.2.2.
Equipos y Materiales .................................................................................. 6
1.2.3.
Procedimiento de la Prueba ........................................................................ 8
1.3.
Datos................................................................................................................ 11
1.4.
Cálculos y Resultados .................................................................................... 12
1.5.
Discusión de resultados ................................................................................. 18
1.6.
Conclusiones ................................................................................................... 18
1.7.
Referencias Bibliográficas ............................................................................. 19
2
CORTE DIRECTO 1.1. Resumen El ensayo de corte directo permite determinar la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra, valor que, entre otras cosas será muy útil para el cálculo de la capacidad portante. La resistencia el esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos parámetros: La cohesión, aportada por la fracción del suelo y responsable a su deformación, del comportamiento plástico de este y el rozamiento interno entre las partículas granulares. Para determinar la resistencia del suelo, en el ensayo de laboratorio se utilizó el aparato de corte directo, de forma circular dividido horizontalmente en dos mitades, en el interior de la caja se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento y luego y una carga horizontal creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra. La velocidad de corte debe ser lo suficientemente lenta para permitir una disipación casi completa del exceso de presión de poro. En el presente informe se detallará el ensayo de corte directo posteriormente se dará a proceder los cálculos correspondientes.
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1.1.Objetivos
Determinar la resistencia al esfuerzo cortante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo, mediante la ecuación de la envolvente de falla.
Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs normales, para diferentes cargas aplicadas a dicha muestra.
Determinar el ángulo de fricción interna del suelo.
Determinar la cohesión del suelo.
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1.2. Metodología 1.2.1. Fundamento Teórico El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del ensayo. Es decir, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos esfuerzos: un esfuerzo normal debido a una carga vertical (Pv) aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal (Ph). Estos esfuerzos se calculan de la siguiente manera como:
=
= ℎ
Donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se corrige para tener en cuenta el cambio de área causada por el desplazamiento lateral de la muestra (Ph). La relación entre los esfuerzos de corte de falla ( esfuerzos normales (
) en suelos.
) y los
Ecuación de falla de corte de Mohr-Coulomb En 1776 Coulomb observó que, si el empuje que produce un suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. El postuló que la máxima resistencia al corte, τ en el plano de falla está dado por:
τ = c + σ.tanϕ Donde:
σ: Es el esfuerzo normal total en el plano de falla Φ: Es el ángulo de fricción de suelo C: Es la cohesión de suelo
Parámetros de la resistencia al corte De la ley de Coulomb se desprende que a resistencia al corte de suelos en términos generales tiene dos parámetros. a) Fricción
Φ que se debe a la trabazón entre partículas y al roce entre ellas
cuando están sometidas a esfuerzos normales. b) Cohesión (C) que se debe a fuerzas internas que mantienen unidas a las partículas de la masa. 5
En este método de prueba es desarrollara para la determinación de la resistencia al corte de un suelo. Esta prueba se realizó mediante la deformación de un espécimen en un rango de deformación controlada. Se realizó 3 pruebas, cada una bajo una diferencia de carga normal para determinar el efecto sobre la resistencia y desplazamiento y las propiedades resistentes. La muestra a utilizarse en el ensayo es inalterada y esta se coloca en el interior de la caja después de ser tallada. Esta también es colocada entre dos piedras porosas. Después aplicar esfuerzos vertical y horizontal hasta la falla al espécimen.
1.2.2. Equipos y Materiales
Dispositivo de corte
Su funcionamiento se basa en sujetar el espécimen firmemente entre dos piedras porosas, de modo que uno se puede aplicar un torque al espécimen. El dispositivo de corte deberá suministrar medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras del espécimen, para permitir el drenaje de agua a través de piedras porosas, y para sumergir espécimen en agua. El dispositivo deberá ser capaz de aplicar una fuerza tangencial para cortar el espécimen a lo largo de un plano de corte predeterminado paralelas a las caras del espécimen. Los pórticos que sujetan al espécimen deberán ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el corte.
Caja de corte
Una caja cizalladora, circular, hecha de acero inoxidable, bronce, con dispositivos para el drenaje a través de su parte superior e inferior. Esta es dividida verticalmente por un plano horizontal en dos mitades de espesor igual que se ajustan con tornillos de alineación. La caja de corte esta provista con tornillos de separación, que se controlan el espacio entre sus medidas superior e inferior, de diámetro 6.34 cm y con sus respectivas piedras porosas. Otros
Piedras porosas
Papel filtro
Balanza
Deformímetros o diales. 6
Recipientes para muestras de humedad.
Vernier
Horno de secado.
Equipo para el remoldeo o compactación de probetas.
Misceláneos. Incluyen: cronómetro, sierra de alambre, espátula, cuchillos, enrasadores, agua destilada y demás elementos necesarios.
Fig. N° 1: Materiales de la muestra de suelo.
Fig. N° 2: Equipo de ensayo.
Fig. N° 3: Vernier.
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1.2.3. Procedimiento de la Prueba Para la realización de este ensayo de corte directo se tomó una muestra inalterada de suelo, la cual fue arena. 1) Se monta la caja de corte en el bastidor de carga.
Fig. N° 4 . Montamiento de la caja de corte. 2) Se coloca los insertos húmedos porosos sobre las superficies expuestas de la muestra en la caja de corte, coloque la caja de corte con la muestra intacta y las inserciones porosas en el recipiente de la caja de corte y alinee la cubeta en el marco de carga(piedra porosa inferior antes de la reconstitución, entre el suelo y la piedra debe llevar un papel filtro)
Fig. N° 5 . Colocación de las piedras porosas.
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3) Reconstituye el espécimen-colocar y alinear la caja de cizalla ensamblada, el espécimen, los insertos porosos y el tazón de fuente en el marco de carga.
Fig. N° 6. Reconstitución de la muestra. 4) Se conectó y ajusto la posición de la fuerza de corte carga de manera que no se imponga fuerza sobre la carga de cizallamiento dispositivo de medición. Registre el valor cero de la carga de corte dispositivo de medición.
Fig. N° 7. Conexión y ajuste de la fuerza de corte. 5) Colocar y ajustar la medida de desplazamiento por corte. Obtener una lectura inicial o ajustar el dispositivo de medición para indicar desplazamiento cero.
9
Fig. N° 8. Ajuste de la media de desplazamiento. 6) Colocar la placa de transferencia de carga y la rotura de momento en la parte superior del inserto poroso. 7) Colocar el yugo de carga de fuerza normal en su posición y ajusté para que la barra de carga esté alineada. 8) Acople y ajuste el dispositivo de medición de desplazamiento normal. Para obtener una lectura inicial para el dispositivo de medición de desplazamiento normal junto con una lectura de la carga normal (pesos o dispositivo de medición). 9) Aplique el primer incremento de carga (normal), llene el recipiente de la caja de corte con agua de ensayo. En ausencia de especificación, el recipiente debe ser llenado con agua potable. Iniciando con la consolidación y registrando el desplazamiento normal
10
Fig. N° 9. Aplicación de carga. 10) Justo después de consolidar, recién se retira los tornillos o pasadores de alineación de la caja de corte que mantienen fijo a los anillos y se aplica una fuerza de corte a la muestra hasta llevarlo a la falla. 11) Tomar medidas de deformación tangencial del suelo, así como la fuerza cortante aplicada.
1.3. Datos Tabla N° 1: Obtención de datos en el laboratorio de la universidad san Ignacio de Loyola en Pachacamac Datos de la caja de corte Diámetro (cm)
6.34
Altura (cm)
2.54
Área (cm2)
32
Volumen (cm3)
80
Tabla N° 2: Datos de la muestra de ensayo Datos del suelo Contenido de humedad (%)
7.4
Peso del suelo (g)
136.3
Densidad húmeda para remoldeo (g/cm3)
1.70
Densidad seca para l remoldeo (g/cm3)
1.58
11
1.4. Cálculos y Resultados Tabla N° 3: Datos y resultados de la prueba de consolidación de la muestra de suelo. 0.5 kg/cm2 Tiempo^0.5 0.0000 0.2887 0.4082 0.5000 0.7071 1.0000 1.4142 2.0000 2.8284 3.8730 5.4772
Lectura del dial (mm) 0 0.1778 0.18542 0.19304 0.20066 0.20828 0.2159 0.22352 0.22606 0.2286
1.0 kg/cm2 Tiempo^0.5 0.0000 0.2887 0.4082 0.5000 0.7071 1.0000 1.4142 2.0000 2.8284 3.8730 5.4772
Lectura del dial (mm) 0 0.52832 0.5334 0.53594 0.54102 0.54864 0.55372 0.56134 0.56642 0.5715 -
2.0 kg/cm2 Tiempo^0.5 0.0000 0.2887 0.4082 0.5000 0.7071 1.0000 1.4142 2.0000 2.8284 3.8730 5.4772
Curvas de Taylor 0 0.1 0.2 ) m m0.3 ( o t n e 0.4 i m a t n e s 0.5 A
curva 1 curva 2 curva 3
0.6 0.7 0.8 0.00
1.00
2.00
3.00
Raiz cuadrada de tiempo (t^0.5)
Fig. N° 10: Grafica de curva de Taylor.
12
4.00
Lectura del dial (mm) 0 0.6223 0.62992 0.635 0.64262 0.65024 0.65532 0.65786 0.6604 0.66294 -
ξ min^0.5 Fig. N° 11: Gráfica para la determinación del Cv la muestra 1(esfuerzo normal de 0.5 kgf/cm2).
Tabla N° 4: Datos y resultados de la curva de Taylor Raíz de t90 t 90 Cv =
0.390 0.152
Tv 90 0.848
8.992
cm2/min
Altura
2.54 delta de H
Curva 2
0
ξ min^0.5 13
cm
Fig. N° 12: Gráfica para la determinación de la Cv la muestra 2(esfuerzo normal de 1 kgf/cm2).
Tabla N° 5: Datos y resultados de la curva de Taylor Raíz de t90 t 90
0.390 0.152
Tv 90 0.848
Cv =
8.992
cm2/min
2.54
cm
delta de H
Curva 3
0.3550
Altura
Raíz de t90
0.38
Tv 90
Altura
t 90
0.144min
0.848
2.54
Cv =
9.471
cm2/min
delta de H
CM
ξ min^0.5
Fig. N° 13: Gráfica para la determinación de la Cv la muestra 3 (esfuerzo normal de 2 kgf/cm2).
Tabla N° 6: Datos y resultados de la curva de Taylor Raíz de t90
0.32
t 90
0.1024 min
Cv =
13.356
Tv 90 0.848 cm2/min
14
Altura 2.54 cm delta de H
Tabla N° 7: Datos y resultados del ensayo de corte directo. Lecturas
0.5 kg/cm2
Deformación Tiempo Esfuerzo tangencial transcurrido cortante (%) (min) (kgf/cm2)
1.0 kg/cm2
2.0 kg/cm2
Deformación Vertical (mm)
Esfuerzo cortante (kgf/cm2)
Deformación Vertical (mm)
Esfuerzo cortante (kgf/cm2)
Deformación Vertical (mm)
0.000
0
0.000
0.229
0.000
0.572
0.000
0.663
0.100
0.13
0.144
0.231
0.194
0.574
0.374
0.671
0.200
0.25
0.201
0.244
0.257
0.584
0.510
0.688
0.300
0.38
0.251
0.254
0.300
0.584
0.616
0.709
0.401
0.5
0.279
0.254
0.336
0.584
0.704
0.711
0.601
0.75
0.312
0.249
0.395
0.584
0.876
0.724
0.801
1
0.332
0.246
0.440
0.584
0.993
0.737
1.002
1.25
0.342
0.229
0.470
0.584
1.103
0.742
1.202
1.5
0.351
0.216
0.491
0.579
1.187
0.749
1.402
1.75
0.355
0.206
0.507
0.572
1.243
0.752
1.603
2
0.359
0.203
0.517
0.569
1.290
0.759
1.803
2.25
0.362
0.201
0.523
0.566
1.328
0.762
2.003
2.5
0.366
0.198
0.527
0.559
1.359
0.762
3.005
3
0.374
0.157
0.533
0.546
1.464
0.775
4.006
3.75
0.391
0.152
0.537
0.559
1.542
0.800
5.008
4
0.411
0.152
0.549
0.572
1.586
0.828
6.009
4.5
0.428
0.147
0.576
0.584
1.608
0.851
7.011
5
0.437
0.147
0.611
0.599
1.641
0.889
8.013
6
0.448
0.152
0.644
0.630
1.671
0.917
9.014
7
0.460
0.155
0.674
0.660
1.664
0.940
10.016
8
0.467
0.157
0.700
0.686
1.642
0.950
Final G2-1 169.43 327.26 295.73 24.96
Inicial G2 52.34 154.7 147.7 7.34
Final G4-3 204.7 363.59 330.91 25.89
Contenido de humedad Tara N° Peso de tara (g) Peso de tara + suelo húmedo(g) Peso de tara + suelo seco (g) % de Humedad
Inicial Final Inicial G2 G2-II G3 51 169.42 52.3 172 328.58 185.4 163.55 295.41 176.4 7.51 26.33 7.25
15
Deformación vs Esfuerzo de corte 1.800 1.600 1.400 ) 2 m1.200 c / f g k ( e 1.000 t r o c e d0.800 o z r e u0.600 f s E
0.5 kg/cm2 1.0 kg/cm2 2.0 kg/cm2
0.400 0.200 0.000 0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
Deformación (%)
Fig. N° 14: Gráfica de las curvas de deformación VS esfuerzo de corte del suelo.
Esfuerzo normal vs esfuerzo de corte 1.800 1.600 ) 1.400 2 m c / f 1.200 g k ( e 1.000 t r o c e d0.800 o z r 0.600 e u f s E
Envolvente
0.400 0.200 0.000 0
0.5
1
1.5
Esfuerzo normal (kgf/cm2)
Fig. N° 15: Gráfica esfuerzo normal vs esfuerzo de corte. 16
2
2.5
Tabla N° 8: Datos para hallar la envolvente de la falla Esfuerzo normal (kgf/cm2) 0.5 1.0 2.0
Esfuerzo corte (kgf/cm2) 0.467 0.700 1.671
∅
Determinando la cohesión ( )y fricción ( ) de la muestra de suelo (arena)
1.671 = + 2∅…1 −0.467 = + 0.5∅…2 1.204 = 1.5 ∅ = 1.204 1.5 ∅ = (1.204 1.5 ) ∅ = 38.75 → ∅ = 38.8°
∅ Reemplazando en ecuación 1 para hallar la “C” (cohesión). 1.671 = + 238.8° = 1.671 − 238.8° = 0.066 = 0.07 /2
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1.5.Discusión de resultados En la etapa de la consolidación de las muestras del suelo, de la gráfica se presencia que en el primer instante de tiempo que la curva tiene un comportamiento lineal hasta una aproximación 90% del grado de consolidación (ver figuras N° 10, 11, 12 y 13). En la gráfica de las curvas de deformación VS esfuerzo de corte del suelo se identifican que las curvas son ascendentes y el punto máximo de la falla del suelo se da al final por lo que solo tiene una envolvente de falla). Los parámetros de resistencia del suelo(arena) hallados en el ensayo de laboratorio se asemejan al comportamiento real de dicho suelo ya que se sabe que las arenas presentan un ángulo de fricción considerable (ángulo de fricción de ensayo es de 38.8°) y casi no presentan cohesión (cohesión obtenida es 0.07kgf/cm2). estos parámetros fueron hallados uniendo el primer y tercer punto de la figura N° 15, ya que el segundo punto estaba muy distante de los dos anteriores al trazar la curva. En general los resultados obtenidos para las diferentes etapas se asemejan a resultados reales.
1.6.Conclusiones
El ensayo de corte directo es relativamente rápido, ya que se obtiene con facilidad la resistencia al esfuerzo de corte de un determinado suelo.
Se logró obtener la envolvente de falla satisfactoriamente donde los resultados de ángulo de fricción y cohesión se muestra en los resultados.
La norma MTC E 123 - 2000 (corte directo CD) indica que la deformación lateral tiene que ser por lo menos el 10% de su diámetro, sabiendo eso podemos concluir que en ensayo realizado si le logro llegar a la deformación indicada.
Este tipo de ensayos, brinda información muy cercana a las propiedades del suelo in situ, pero estos resultados son forzando el suelo a tener una falla horizontal y se sabe que realmente los suelos pueden fallar por corte de diferentes maneras).
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1.7. Referencias Bibliográficas
Lambe T. y Whitman R.V. (1984),
“Mecánica de Suelos ”.
Editorial Limusa
S.A. México.
Brajas M Das, (2013). “ Fundamentos de Ingeniería Geotécnica ”. 2009 (4ra. Ed) Cengage Learning,).
Norma MTC E 123 - 2000 https://www.academia.edu/24569076/INFORME_DEL_ENSAYO_DE_CO RTE_DIRECTO_NORMAS_ASTM_D3080-90_INVE_154-07.
ASTM D3080: Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions.
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