Pruebas de campo para determinar la resistencia al corte PDF

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Prof. Rafael González Gutiérrez Alumno: Martínez Guzmán Erick Número de control: 18211294 Trabajo: Pruebas de campo para determinar la resistencia al corte in situ Materia: mecánica de suelos Fecha: 1 de julio de 2020

Ensayo de Corte Directo in situ Es un ensayo muy poco utilizado por su costo relativamente alto, pero muy utilizado en el diseño de presas de tierra. 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 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. La prueba de corte directo se lleva a cabo aislando de la masa rocosa un espécimen prismático de roca, limitado en su cara inferior por la discontinuidad. Sobre la cara superior de la muestra se ejerce una fuerza constante normal al plano potencial de falla, mientras simultáneamente se aplica, en incrementos, un esfuerzo tangencial que induce la falla del bloque. Esta prueba, muy sencilla en su concepto, presenta problemas en su realización: como orientación de las fuerzas aplicadas, velocidad de carga, condiciones de saturación de la muestra, etc. En el esquema de montaje (fig ), la dirección de aplicación de la fuerza lateral no es horizontal. Este dispositivo elimina la formación de grietas de tensión en la cercanía de la zona de aplicación de la carga lateral. Empero, al utilizar este dispositivo, es necesario corregir la magnitud de la carga normal N directamente aplicada a la muestra a fin de compensar en todo momento el componente normal de la carga lateral variable T. En la siguiente figura se muestra el esquema del montaje.

En

todo caso, el valor mínimo de la fuerza normal total aplicada a la muestra es N min = T tan a, designando por a, el ángulo de inclinación de la carga lateral con respecto a la horizontal. Implica que no puede determinarse con este dispositivo la envolvente de falla en el intervalo de esfuerzos normales nulos. Para obviar esta limitación, en muchos casos se ha recomendado que la dirección de aplicación de la carga lateral sea horizontal. Es también recomendable elegir una velocidad de carga lateral de modo que las presiones de poro generadas durante el proceso de falla sean reducidas. Finalmente, el sentido y dirección del desplazamiento inducido durante la prueba puede ser importante; por ejemplo, en los planos de contacto entre formaciones sedimentarias es común la presencia de micropliegues (ripple marks). En dicho caso, según sea la dirección del desplazamiento inducido 1, 2 o 3, se obtienen los valores S1, S2 y S3 de la resistencia al corte.

Corte directo in situ por torsión En la figura anterior, se presenta un aparato de corte directo que opera por torsión (Marsal et al, 1965). Este dispositivo fue diseñado para ensayar in situ, los materiales de la cimentación del dique 2 de Malpaso, Chis, (fig 7.12a, cap 7) en la que cruza una falla. El relleno de la falla es un complejo de materiales arcillosos de composición errática, y las formaciones contiguas a esta se encuentran intensamente fisuradas. Para proyectar el dique era necesario determinar la resistencia al corte de estos materiales y, por tratarse de rocas fisuradas, debía trabajarse con especímenes de gran tamaño, a fin de lograr resultados representativos.

El disco, con 72 cajas de 7 x 10 x 1.5 cm, se hinca en el terreno previamente nivelado; el área total de prueba es de 0.5 m2. Mediante un gato hidráulico que se apoya en una plataforma lastrada y lleva en su base un balero axial, pueden desarrollarse presiones normales hasta de 10 kg/cm2. Dos gatos hidráulicos fijos al marco exterior trasmiten con cables el par torsor al disco; el dispositivo tiene capacidad para 2 kg/cm2 de corte. El marco exterior reacciona contra el terreno, soportado por zapatas de concreto reforzado (fig 11.32). Se realizaron pruebas con los dos tipos de lutitas descubiertos en la cimentación; en cada sitio los ensayes fueron repetidos a tres niveles distantes entre si 10 cm. Cada prueba consistió en la aplicación de una primera carga normal de 0.5 kg/cm2 y, al terminar el proceso de consolidación, se ejercía el par torsor en forma progresiva hasta alcanzar la falla. A partir de ella, se continuaba el ensayo provocando rotaciones adicionales a velocidad constante y midiendo la variación en el esfuerzo tangencial. Terminada esta etapa, se incrementaba la carga normal volviendo a repetir el proceso anterior. Se usaron presiones normales de 0.5, 1, 2, 4 y 6 kg/cm2. Las pruebas fueron realizadas con tres velocidades de carga, correspondientes a tiempos de aplicación de los incrementos de esfuerzos de 5, 60 y 360 min.

Ensayo de penetración estándar 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 corregido para una energía del 60%, 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 ángulo de fricción´ (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 siguiente figura 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. En el siguiente esquema se muestra el procedimiento del ensayo

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 = KQ/h2 Donde: h2 = Altura del cono elevado al cuadrado K = Constante que depende de Ø y de Q. Con el valor de la resistencia a la penetración del cono, se puede obtener el ángulo de fricción Ø 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: Su = (qc-σv)/Nk Donde: Su = resistencia no-drenada al cortante σv = presión geostática a la profundidad de ensayo * Nk = 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.

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. 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. La resistencia al cortante de una veleta de relación diámetro altura 1:2 está dada por la expresión: = 6/7*(M/(3.1416*D3) Donde: M = Torque D3 = Diámetro del veleta elevado al cubo 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.

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 correlación entre el presurómetro y los ensayos triaxiales no consolidados no drenados.

Prueba con dilatómetro Fue desarrollada por Marchetti y de ahí el nombre de dilatómetro de Marchetti. Consiste en la hinca de una paleta plana de acero inoxidable provista de una membrana circular expandible horizontalmente mediante gas a presión, PRUEBA DMT. La hinca en el terreno se puede realizar con equipos de penetración estático o dinámica, utilizándose esencialmente el estático. Para poder utilizar un equipo de penetración dinámica o una sonda deben estar adaptadas. El ámbito de aplicación del ensayo es tanto en suelos granulares de flojos a densos como cohesivos de blandos a muy duros. El equipo DMT consta de los siguientes componentes: - Paleta dilatométrica. - Conector electro-neumático (cable) - Unidad de control en superficie (centralita) - Unidad de presión (bombona de nitrógeno) - Sistema de empuje con varillaje (penetrometro o la sonda) Antes de iniciar una prueba es necesario el calibrado de las membranas.

Las lecturas de campo A y B deben ser corregidas por los efectos de la rigidez propia de la membrana para determinar Po y P1. Los valores de ∆A y ∆B (correcciones) se leen en campo aplicando a la paleta una presión negativa mediante vacío y una presión positiva respectivamente. ∆A es presión exterior que debe ser aplicada a la membrana al aire libre para que se mantenga en reposo sobre su apoyo ∆B es la presión interna necesaria para desplazar la membrana 1,1 mm. Los valores obtenidos A y B hay que aplicarles la corrección ∆A y ∆B para obtener Po y P1. Po = -1,05 (A-Zm-∆A) – 0,05(B-Zm-∆B) Zm es la eventual diferencia del cero en la lectura manométrica debida a la presión atmosférica. Normalmente Zm=0 P1 = B – Zm – ∆B Con los valores Po y P1 junto a la cota del nivel freático se obtienen los tres parámetros intermedios característicos de la prueba dilatométrica. Los tres parámetros básicos que se obtienen con este ensayo son: Id: Material Index, relacionado con el tipo de suelo. Kd: Horizontal Stress Index, relacionado con la razón de sobreconsolidación del suelo (OCR) Ed: Dilatometer Modulus, determinado a partir de la teoría de la elasticidad El ensayo dilatométrico es el único ensayo geotécnico in situ, que permite obtener este parámetro de forma directa. Además se pueden inferir mediante correlaciones empíricas otros parámetros como ángulo de rozamiento interno en arenas, cohesión sin drenaje para arcillas, etc....