Universidad Privada Antenor Orrego Facultad de ingeniería civil

LAB. MECANICA DE SUELOS II – ING. CIVIL - UPAOPágina 2

Ensayo de Corte Directo



Universidad Privada Antenor Orrego
Facultad de ingeniería civil
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
Ensayo de Corte Directo
DOCENTE :
Ing.

ALUMNOS :


CICLO :
V
TURNO:
TARDE : 4:10pm – 5:55 pm
TRUJILLO – PERÚ
2014 – 10




Ensayo de Corte Directo
1) Generalidades:
Cuando una estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo de fundación. Estos esfuerzos producen deformaciones en el suelo que pueden ocurrir de tres maneras:
a) Por deformación elástica de las partículas. En este caso es despreciable para la mayoría de los suelos, y también en los niveles de esfuerzo que ocurren en la práctica.
b) Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los huecos entre las partículas. En este caso corresponde al fenómeno de la consolidación.
c) Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran masa de suelo. En este caso corresponde a fallas del tipo catastróficos y para evitarla se debe hacer un análisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la resistencia al corte de suelo.
El análisis debe asegurar, que los esfuerzos de corte solicitantes son menores que la resistencia al corte, con un margen adecuado de modo que la obra siendo segura, sea económicamente factible de llevar a cabo. Vemos que es absolutamente imposible independizar el comportamiento de la estructura y el del suelo.
Por tanto el problema de la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos puede decirse que constituye uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de Suelos. En efecto, una valoración correcta de este concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, con esperanza de éxito cualquier aplicación de la Mecánica de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras civiles.
El procedimiento para efectuar la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante tal como se presenta en este informe, se aplica solamente al más sencillo de los casos que pueden presentarse en la práctica: aquel en que se prueba el material en estado seco.
2) Corte Directo:
El ensayo de corte directo permite encontrar los parámetros de resistencia de un suelo (cohesión y ángulo de fricción). Este ensayo está guidado bajo la norma ASTM D3080 y la Norma Técnica Peruana (NTP 339.171).
El ensayo puede ser conducido en corte simple o corte doble.
La prueba de corte directo es adecuada para un ensayo consolidado drenado porque las trayectorias de drenaje a través del espécimen de ensayo son cortas, permitiendo por esto que los excesos de las presiones de poro sean disipados bastante rápidamente. El ensayo puede ser hecho sobre todo tipo de suelos y sobre muestras inalteradas o remoldadas.
Los resultados del ensayo son aplicables a situaciones de campo donde la consolidación completa ha ocurrido bajo la sobrecarga existente, y la falla es alcanzada lentamente de modo tal que los excesos de presiones de poro son disipados. El ensayo también es útil para determinar la resistencia al corte a lo largo de planos débiles reconocibles dentro del material de suelo.
3) Calicata:
La elaboración de la calicata lo cual la muestra se va a utilizar en el ensayo de corte directo presenta los siguientes parámetros o medidas: largo (1.50 m), ancho (1m) y profundidad (3m).
Donde lo cual la calicata será escalonada cada metro de profundidad y cada 0.50 m de largo.
La ubicación de la calicata es en la Urbanización de Ingeniería I – Trujillo, La libertad. Presentando un tipo de suelo fino (arcilla y limo).

4) Objetivos:
4.1) Objetivo General:
Determinar la deformación y el ángulo de fricción interno para una muestra de arcilla con presencia de limo.
4.2) Objetivos Específicos:
Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación, para unas determinadas cargas aplicadas a dicha muestra.
Encontrar los valores máximos de los esfuerzos cortantes para las diferentes cargas aplicadas.
Obtener la gráfica de esfuerzo normal contra cortantes máximos.
5) Equipo de Corte Directo:
5.1) Aparato de Corte Directo:
El aparato de corte proporcionará medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras de la muestra, permitiendo el drenado del agua a través de las placas porosas en los límites superior e inferior de la muestra de suelo, y para muestras sumergidas en agua. La máquina debe ser capaz de aplicar una fuerza cortante a la muestra a lo largo de un plano de corte predeterminado paralelo a las caras de la muestra.
Los marcos que sostendrán la muestra deben ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el proceso de corte. Varias partes de la máquina de corte deben de estar hechas de material anticorrosivo resistentes a la humedad o sustancias presentes en el suelo, por ejemplo, acero inoxidable, bronce, aluminio, etc. Metales distintos a los nombrados pueden causar oxidación.

5.2) Caja de Corte:
Una caja de corte, cuadrada, hecha de acero inoxidable, con aditamentos que permiten el drenado a través de la parte superior e inferior. La caja está dividida verticalmente por un plano horizontal en dos mitades con el mismo espesor unido con unos tornillos de seguridad. La caja de corte es ajustada con los tornillos de seguridad, que controlan el espacio entre la parte superior e inferior de las dos mitades de la caja de corte.

5.3) Aditamentos de Carga:
Aditamento para aplicar la fuerza normal: La fuerza normal es aplicada por un marco que tiene un contrapeso para eliminar el peso del mismo y sólo toma en cuenta el peso que se coloque en éste.
Aditamento para cortar la muestra: El aditamento debe ser capaz de cortar el espécimen a una velocidad uniforme de desplazamiento, con menos de 26 Ensayos de Corte Directo ±5% de desviación, debe permitir el ajuste de la velocidad de desplazamiento. La velocidad debe ser aplicada dependiendo de la sobre-consolidación característica de los suelos. La velocidad es usualmente mantenida con un motor eléctrico y un arreglo en la caja de engranes y la fuerza cortante es determinada por un indicador de carga tal como un anillo de prueba o una celda de carga.
Aditamento para la medición de la fuerza: cortante Un anillo de carga o celda de carga con precisión de 1% de la fuerza de corte en condiciones de ruptura. Para las pruebas realizadas se utilizó una Celda de carga con una capacidad de 10kN.

El peso de la parte superior de la caja de corte debe ser menor del uno por ciento de la fuerza normal aplicada: Esto puede requerir que la parte superior de la caja de corte sea modifica y soportada por una fuerza de corte predeterminada por un instrumento indicador de carga como la celda o un anillo de carga.
Tazón para la caja de corte: Una caja metálica que soporte la caja de corte y suministre a una reacción contra la que se apoye la mitad de la caja de corte, o una base sólida que permita la alineación de la mitad de la caja de corte, que permanezca libre para moverse en la dirección de la fuerza de corte aplicada en un plano horizontal.
Indicador de desplazamiento horizontal: Transductores de desplazamientos capaces de medir el cambio de espesor de la muestra. Para las pruebas que se realizaron se utilizaron 3 distintos:


LVDT: con una precisión de 0.002 mm
Micrómetro analógico: con una precisión de 0.01 mm
Micrómetro electrónico: con precisión de 0.0001 mm

5.4) Equipo para compactación de especímenes: Pizón de 5x5 cm, pizón de 9.5x9.5 cm.
5.5) Tallador: Lado 6 cm, área de corte 36 cm2, altura 2 cm, volumen 72 cm3.
5.6) Otros equipos: cápsulas de porcelana, cronómetro, balanzas de una precisión de ±1 un gramo, cucharón.


6) Preparación de la Muestra:
_ Se corta la muestra un poco mayor al tamaño del tallador.
_ Se coloca el tallador en la parte superior y se va cortando poco a poco los bordes, como también se va tallando los bordes del tallador, hasta que poco a poco se introduce la muestra en el tallador.
_ Se disgrega el material en seco para después Pasarlo por la malla No. 100, con el objeto de tener un suelo homogéneo y obtener el tamaño de partícula que se describe de acuerdo a la norma.
_ Posteriormente se determina la cantidad en peso que se utilizará para preparar la muestra en la caja de corte. Se dividirá en 3 o 4 porciones de acuerdo a la cantidad que se utilizará.
_ Se ajusta adecuadamente la caja de corte, verificando que tanto la parte superior como la inferior estén alineadas la una con la otra, y asegurándolas con los tornillos para que no se pueda mover ninguna de estas dos partes; se coloca la tapa inferior, percatándose que las ranuras estén perpendiculares a la dirección del corte.
_Al obtener las porciones, la primera porción se introduce en la caja de corte y con una espátula se distribuye por toda la superficie de la caja, tratando de formar una capa uniforme.
_ Con el pisón de 5*5cm se compacta la capa (Figura a), colocando el pisón en cada una de las esquinas de la caja y dando pisonadas cuidadosas para que el material no vuele, tanto en las esquinas como a la mitad de cada uno de lados, haciendo esto dos veces y recomendando que sean efectuadas en sentido de las manecillas del reloj.
_ Al terminar de dar las dos vueltas, se procede a realizar una última apisonada con el pisón de 9.5*9.5cm (Figura b), para que el material se distribuya uniformemente y se tenga la seguridad de que fue bien compactada.

_Después de compactar la capa se escarifica la parte superior haciendo 7 líneas verticales y 7 horizontales, separadas aproximadamente 8mm.
_Al terminar con la primera capa se procede a vaciar la siguiente porción de material y se realiza el mismo procedimiento hasta obtener las 3 o 4 capas de las porciones de muestra.
_Al tener las 3 o 4 capas compactadas y escarificadas, se coloca la tapa superior observando que las ranuras sean perpendiculares al movimiento de corte.
7) Preparación del Equipo:
Este equipo aplica la presión normal por carga muerta a través de un brazo de palanca que amplifica la carga de las pesas por diez. Para continuar con el ensayo se debe seguir el siguiente procedimiento:
a) Colocar el brazo en posición horizontal con ayuda del nivel de burbuja. Para que no se incline al colocar las pesas, ajustar la manivela al tope, cuidando siempre mantener la horizontalidad del brazo.
b) Una vez seguro poner las pesas que generarán la presión normal del ensayo, que generalmente es 0,5 Kg/cm2, 1,0 Kg/cm2 o 1,5 Kg/cm2. Para este modelo de equipo la carga que se coloca en el extremo equivale la décima parte de la fuerza aplicada sobre el área (36 cm2) de la celda de corte.


Lugar donde se ha de colocar la caja de corte.

Celda o caja de corte ya colocado en el equipo.

8) Procedimiento:
_ Muestra inalterada: coloque los bloques porosos húmedos sobre los extremos expuestos del espécimen en la caja de corte coloque la caja de corte con el espécimen inalterado y los bloques porosos en el soporte de la caja de corte y fíjela al soporte.
_Especímenes compactados: coloque la caja de corte que contiene el espécimen o la muestra compactada y los bloques porosos en el soporte y fíjela.
_ Conecte y ajuste el sistema de carga de corte de modo que no transmita fuerzas sobre el instrumento de medición de carga.
_ Conecte y ajuste adecuadamente el instrumento de medición de desplazamiento horizontal utilizado para medir los desplazamientos de corte. Haga una lectura inicial o coloque el instrumento de medición para indicar el desplazamiento cero.
_ Coloque un bloque poroso húmedo y la placa de transferencia de carga en la parte superior del espécimen o muestra compactada en la caja de corte.
_ Coloque el marco de carga de fuerza horizontal en posición y ajústelo de modo que la barra de carga quede horizontal. Si se utiliza un sistema de carga por palancas, nivele la palanca. En los sistemas de carga neumática ajuste el marco de carga hasta que asiente suavemente en la depresión de la placa de transferencia de carga, o coloque una esfera metálica sobre la placa de transferencia y ajuste el marco hasta que haga un contacto suave.
_ Aplique una pequeña carga normal al espécimen o muestra compactada. Verifique que todos los componentes del sistema de carga estén ajustados y alineados de tal manera que no quede restringido el movimiento de la placa de transferencia de carga en la caja de corte. Registre la carga vertical y la carga horizontal aplicadas en el sistema.
_ Fije y ajuste los instrumentos de medición y desplazamiento lateral y vertical. Obtenga las lecturas iniciales o coloque en cero los instrumentos de medición de desplazamiento vertical y horizontal.
_ Si se requiere, llene la caja de corte con agua y manténgala llena durante la ejecución del ensayo.
_ Calcule y registre la fuerza normal requerida para obtener el esfuerzo normal deseado o el incremento subsiguiente. Aplique el esfuerzo normal deseado agregando las masas apropiadas en el extremo de la palanca o incrementando la presión neumática.
_ Aplique la carga normal deseada o los incrementos sucesivos al espécimen o muestra compactada y comience a registrar las lecturas de la deformación normal vs. el tiempo transcurrido. Para todos los incrementos de carga verifique que la consolidación primaria ha tenido lugar completamente antes de continuar. Grafique el desplazamiento normal contra el logaritmo del tiempo o contra la raíz cuadrada del tiempo (en minutos).
_ Después de que ha tenido lugar la consolidación primaria, remueva los tornillos de alineamiento o los pines de la caja de corte. Abra el espaciamiento entre las mitades de la caja de corte hasta 0.6 mm utilizando los tornillos de separación. Retire los tornillos de separación.
_ Aplique la carga de corte al espécimen o muestra compactada.
_ Seleccione una velocidad de desplazamiento apropiada. Cizalle el espécimen o muestra compactada a una velocidad relativamente baja de modo que haya exceso de presión en los poros en el momento de la ruptura.
La siguiente ecuación puede ser utilizada como una guía para determinar el tiempo mínimo requerido desde el principio del ensayo hasta la ruptura.


Dónde:
: Tiempo total estimado hasta la ruptura, minutos.
: Tiempo requerido para que el espécimen o muestra compactada alcance el 50% de la consolidación bajo el esfuerzo normal especificado.
Determine el desplazamiento apropiado a partir de la siguiente ecuación:


Dónde:
: Velocidad de desplazamiento
: Desplazamiento horizontal estimado en el momento de la ruptura (mm).
: Tiempo total estimado hasta la ruptura (min).
_ Seleccione y fije la velocidad de desplazamiento. Para algunos tipos de aparatos la velocidad de desplazamiento se logra utilizando combinaciones de piñones y posiciones de palancas. En otros tipos la velocidad de desplazamiento se consigue ajustando la velocidad del motor.
_ Registre el tiempo inicial, los desplazamientos vertical y horizontal y las fuerzas normal y de corte. Ponga en funcionamiento el aparato e inicie la corte.
_ Haga la lectura de los datos de tiempo, desplazamiento vertical y horizontal y la fuerza de corte a intervalos definidos de desplazamiento. Las lecturas de datos deben tomarse a intervalos de desplazamientos iguales al 2% del diámetro del espécimen, o de su anchura, para definir con precisión una curva de esfuerzo-desplazamiento.
_ Detenga el aparato una vez ocurra la falla de la muestra. El desplazamiento correspondiente a la condición de falla puede encontrarse entre el 15 y el 20% del diámetro o longitud del espécimen o muestra compactada.
_ Quite la fuerza normal del espécimen o muestra compactada, retirando la masa de la palanca.
_ Cuando se trate de especímenes cohesivos separe las mitades de la caja de corte con un movimiento deslizante a lo largo del plano de ruptura. No separe las mitades de la caja de corte perpendicularmente a la superficie de falla puesto que puede dañar el espécimen. Fotografíe, dibuje, o describa por escrito la superficie de falla. Este procedimiento no es aplicable a los especímenes no cohesivos.
_ Retire el espécimen o muestra compactada de la caja de corte y determine su contenido de humedad.
_ Calcule y grafique el esfuerzo de corte nominal vs el desplazamiento lateral relativo.
9) Cálculos:
Los datos presentados fueron realizados en la universidad nacional de ingenieros (UNI):
9.1) Datos obtenidos del ensayo:

9.2) Fórmulas:
El esfuerzo de corte para cada punto se calcula con la siguiente relación:

Dónde:
E = esfuerzo de corte.
K = constante del anillo de carga (0.315) para el equipo de corte residual.
ld = lectura de la columna dial de carga.
A = área del molde.
Ejemplo para la fila Nº 5 (carga 1.50 kg/cm2):

Ejemplo para la fila Nº 3 (carga 1.00 kg/cm2):

Ejemplo para la fila Nº 7 (carga 0.50 kg/cm2):



La deformación tangencial para cada punto se calcula con la siguiente relación:

Donde:
Def = Deformación tangencial (cm).
LecDef = Lectura del dial de deformación tangencial.
_Ejemplo para la fila Nº 1 (carga 0.50 kg/cm2):

_ Ejemplo para la fila Nº 3 (carga 1.00 kg/cm2):

_ Ejemplo para la fila Nº 5 (carga 1.50 kg/cm2):

El esfuerzo Normal se calcula con la siguiente fórmula:
Donde:
= Esfuerzo normal (Kpa).
= Fuerza vertical nominal sobre el espécimen (N, kg).
En este caso los esfuerzos normales serían: 0.5 kg, 1kg y 1.5 kg.
9.3) Resultados:
a) Tabla de Resultados:





b) Gráficos:
Deformación Tangencial vs. Esfuerzo de Corte

Esfuerzo Normal vs. Esfuerzo de Corte Máximo
cc
c
c
9.4) Otro ensayo realizado de la UNI:








10) Conclusiones y Recomendaciones:
Conclusiones: En ambos ensallos nos indican que la deformación al corte ( curva) es de falla gradual o progresiva, teniendo una resistencia media al corte.
Recomendaciones: Los equipos de laboratorio tienen que estar en obtimas condiciones para su uso.
Se pueden necesitar seis muestras si el suelo está inalterado.
Mantener las muestras en ambiente de humedad controlada mientras se hace el moldeo, la preparación de la máquina de corte y los demás tipos de ensayo. La manivela de la máquina de corte directo debe manejarse a una velocidad constante todo el tiempo que dure el ensayo.
11) Bibliografía:
ASTM Standard D3080-90: Method for Direct Shear Test of Soil Under Consolidated Drained Conditions.
ASTM Standard D422-63: Method for Particle-Size Analysis of Soils.
ASTM Standard D1587-83: Practice for Thin-Walled Tube Sampling of Soils.
ASTM Standard D2488-93: Practice for Description and Identification of Soils (Visual-Manual Procedure)
ASTM Standard D4220-89: Practices for Preserving and Transporting Soil Samples
 Norma ASTM D 3080 y AASHTO T 236 S. N., ENSAYO DE CORTE DIRECTO, disponibleen:http://icc.ucv.cl:8080/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_ laboratorio/cortedirecto.pdf Tecnotest.




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