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MÉTODO DE ENSAYO
NORMALIZADO DE
CORTE POR VELETA EN
MINIATURA DE
LABORATORIO EN
SUELOS FINOS
ARCILLOSOS
SATURADOS
PRESENTACIÓN
En el siglo XVII en Francia e Inglaterra se comenzó a hacer estudios de suelos
para fines agrícolas y químicos, es así como se origina los primeros estudios de
suelos, en Alemania y sobre las bases proporcionadas por la Geología, aparece
una escuela para estudiar, definir e inventariar los suelos; con el transcurrir del
tiempo investigadores como: Culman, Mohr y otros estudiosos de la mecánica
de suelos comenzaron a definir los diversos tipos de ensayos, y se comenzó a
tomar mayor énfasis con el crecimiento de la construcción teniendo que
desarrollarse métodos más precisos para determinar: su clasificación, los suelos
adecuados, resistencia al corte, a la compresión, etc. Que fueron usados en
obras viales, edificaciones, obras hidráulicas en la construcción de puentes y
obras a fines.
El ensayo de corte con veleta nos sirve para determinar la resistencia cortante
no drenada del suelo y presenta una serie de ventajas tales como: en campo son
moderadamente rápidas y económicas y se usan ampliamente en programas de
exploración de suelos en campo, además de ser una excelente prueba para
determinar las propiedades de arcillas sensitivas. Lo más primordial es que la
veleta puede ser transportada al campo evitando el transporte del suelo hasta
el laboratorio lo que en muchos casos significa una inversión de tiempo y
dinero.
En la presente monografía se detalla los diversos procedimientos que deben de
aplicarse para el correcto cálculo de los resultados, cuenta además con un
problema aplicativo para su mejor comprensión, es necesario además aclarar
que este ensayo de corte con veleta tiene una serie de inconvenientes con
algunos tipos de suelos, los cuales van a ser desarrollados con otros tipos de
ensayos los que brevemente detallaremos.
1. OBJETIVOS
El presente trabajo tiene por objetivo lo siguiente:
Definir el método de corte con veleta detallando todos los
procedimientos para lograr datos correctos.
Explicar las generalidades del ensayo de corte con veleta.
Lograr el entendimiento por parte de los alumnos del ensayo de corte
con veleta, usando un problema aplicativo.
Determinar los casos en el que el método de corte con veleta no es
aplicable y se debe disponer de otro tipo de ensayo.
Establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y determinar la
aplicación de limitaciones regulatorias antes de su uso. La cual debe ser
definida por la persona encargada de llevar a cabo el ensayo de corte con
veleta.
2. DEFINICION.
La prueba de corte con veleta (ASTM D- 2573) se usa durante la operación de
barrenado para determinar “in situ” la resistencia cortante no drenada (cu) de
suelos cohesivos blandos y saturados, no es tan confiable para suelos fisurados
o secuencias de micro estratos. La veleta es un instrumento de laboratorio que
tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el
transporte una muestra de suelo El extremo inferior de la veleta consiste en
cuatro aspas montadas en el extremo de una barra de acero.
En el caso de suelos compuestos de limo y arcilla en especial los de alta
sensibilidad, el efecto de las alteraciones durante el ensayo pueden ser bastante
considerables en lo que respecta a la confiabilidad de los resultados medidos en
el laboratorio, por lo cual este instrumento proporciona información bastante
aproximada.
Causas de errores significativos en la prueba de corte con veleta en campo son
una mala calibración la par detorsión aplicada y paletas dañadas. Otros errores
se cometen si la velocidad de rotación de las paletas no es debidamente
controlada.
El ensayo de corte con veleta consiste básicamente en colocar una veleta de
cuatro hojas dentro del suelo inalterado, y en girarla desde la superficie para
determinar la fuerza detorsión necesaria para lograr que una superficie
cilíndrica sea cortada por la veleta; con esta fuerza de corte se halla, entonces,
la resistencia unitaria de dicha superficie. Es de importancia básica que la
fricción de la varilla de la veleta y la del aparato sean tenidas en cuenta porque
de otra manera, la fricción sería inadecuadamente registrada como resistencia
del suelo. Las medidas de fricción bajo condiciones que no implican carga, como
cuando se emplea un vástago liso en lugar de la veleta, o una veleta que
permita alguna rotación libre de la varilla antes de someterla a carga, son
satisfactorias únicamente cuando el giro sea aplicado mediante un momento
balanceado que no se traduzca en empuje lateral. A medida que las fuerzas de
torsión se hagan más grandes durante un ensayo, un empuje lateral en el
instrumento se traducirá en un incremento de fricción no considerado en las
lecturas iniciales sin carga.
No se recomiendan instrumentos que produzcan empuje lateral. La varilla de la
veleta debe tener suficiente rigidez para que no sufra torsión bajo condiciones
de carga plena, de lo contrario, se deberá hacer una corrección al dibujar las
curvas de Momento vs. Rotación.
El parámetro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor
del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se
tendrá la expresión:
Dónde:
cu = Parámetro de resistencia al corte no drenada.
T = Momento torsor de la veleta.
h = Altura de las aspas de la veleta.
D = Diámetro de la circunferencia que genera la veleta al girar.
3. VENTAJAS
Tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual
evita el transporte una muestra de suelo.
Permite medir la sensitividad in situ.
Equipos y ensayos muy sencillos
4. DESVENTAJAS
Su uso se limita a arcillas y limos con y limos con suv < 200 kPa.
Es lento y se Es lento y se gasta mucho tiempo.
Requiere de correlaciones empíricas.
5. IMPORTANCIA Y USO.
Este método da una indicación de la resistencia al corte en el lugar en condición
no drenada. El ensayo es aplicable a suelos con resistencias inferiores a 200 kPa,
en condición no drenada.
Este ensayo se emplea para hacer análisis de esfuerzos de arcillas y limos
saturados. No se puede realizar en arenas, gravas u otros suelos de alta
permeabilidad.
6. 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
Ensayos in situ Normas Aplicables
N°
Aplicación Recomendable
Técnicas de Investigación
Tipos de Suelo (1)
Parámetros a ser obtenidos
(2)
Resistencia al Corte por medio de la veleta
Norma (3)
ASTM D 2573
Perforación CL, ML, CH, MH
Cu, St
Resistencia al Corte por medio de la veleta
Miniatura (Long. max. de barra 3m) (3)
ASTM D 4648
Perforación CL, ML, CH, MH
Cu, St
(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
7. EQUIPO:
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
Varillas de extensión
La veleta se deberá operar 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. 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) se deberá establecer en
grados por metros por unidad de momento. Esta corrección se hace
progresivamente más importante a medida que aumenta la profundidad;
la calibración se deberá efectuar por lo menos hasta la profundidad
máxima esperada, para el ensayo.
Las varillas de torsión se deberán ajustar muy bien, para evitar cualquier
posibilidad 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 se deberán equipar con cojinetes bien lubricados en
los sitios donde ellas pasen a través del mismo.
Estos cojinetes deberán estar provistos de sellos que eviten la entrada de
suelo en ellos. Las varillas de giro se deberán guiar 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 se deberá aplicar a las varillas, quienes, a la vez, la
transmiten a la veleta. La precisión de la lectura del giro deberá ser tal,
que no produzca una variación mayor de ± 1.20 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 éste, se puede aplicar directamente el giro
mediante una llave de torsión o algo equivalente, con su correspondiente
dispositivo de medición. La duración del ensayo se deberá controlar de
acuerdo con las exigencias indicadas.
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
8. 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.
9. CALCULOS:
Se calcula la resistencia al corte del suelo mediante el empleo de la siguiente
expresión:
𝒔 (𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍 𝒄𝒐𝒓𝒕𝒆) = 𝑻
𝑲
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.
CONSTANTE K:
10. CORRECCIÓN OBTENIDA:
Cuando los valores de Cu difieren de los obtenidos de los resultados de ensayos
realizados en laboratorio, se hace una corrección para utilizarlo en el diseño:
Fig.6 Gráfico para corregir el valor de resistencia (Bowles J., 1982)
11. INFORME:
Para cada ensayo de veleta regístrense las observaciones siguientes:
a) Fecha del Ensayo.
b) Número del apique o perforación.
c) Tamaño y forma de la veleta (ahusada o rectangular).
d) Profundidad del extremo de la veleta. e) Profundidad del extremo de la
veleta por debajo del revestimiento o fondo del hueco.
e) Lectura máxima del momento y, si se requieren, lecturas intermedias
para el ensayo inalterado.
f) Tiempo del ensayo hasta la falla.
g) Velocidad del remoldeo.
h) Lectura máxima del momento para el ensayo remoldeado.
i) Notas sobre cualquier clase de desviaciones con respecto al
procedimiento normal de ensayo.
Adicionalmente, anótense las observaciones sobre la perforación:
a) Número del sondeo.
b) Sitio.
c) Condiciones del suelo en el sitio.
d) Cota de referencia.
e) Método de ejecución de la perforación.
f) Descripción de la veleta, esto es, si tiene camisa o no.
g) Descripción del método para aplicar y medir el momento.
h) Observaciones sobre la resistencia o la penetración.
i) Nombres del inspector de la perforación y del ingeniero Supervisor.
RESUMEN DEL MÉTODO
El ensayo de corte con veleta consiste, en colocar una veleta de cuatro paletas
dentro del suelo inalterado y girarla desde la superficie para determinar el
torque necesario para cortar una superficie cilíndrica con ella. Este torque se
convierte en una resistencia unitaria al corte de la superficie de falla, mediante
un análisis equilibrio límite.
La fricción de la varilla se minimiza durante las lectura mediante un encamisado
especial o teniéndola en cuenta y sustrayéndola del torque total para
determinar el torque aplicado a la veleta.
Básicamente el extremo inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas
en el extremo de una barra de acero. Después de hincar la veleta en el suelo, se
hace girar aplicando un par de torsiones en el extremo libre de la varilla. Se gira
primero la veleta entre 6 y 12º por minuto para determinar el parámetro de
resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia
remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada
constituye el perímetro y los extremos de un cilindro.
RECOMEN DACION ES
La práctica del ensayo de la veleta son utilizados para suelos cohesivos
saturados, ya que si se realiza en otros suelos los resultados serán variables.
Efectuándose ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos inalterados y
remoldeados. No deben realizarse con ningún suelo que permita el drenaje o
que se dilate durante el periodo de ensayo como en las arenas y limos, o en
suelos en los cuales la veleta se encuentre piedras o conchas que puedan dar
erróneos los resultados.
CON CLUSION ES
El ensayo de la veleta tiene que realizarse en suelos cohesivos blandos y
saturados, 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 afectado por las
medidas de fricción.
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
William Lambe y Robert V. witman, 1998. Mecánica de Suelos. Primera
edición. Editorial Limusa.
Braja M. Das, 2001. Principio de Ingeniería de cimentaciones.
International Thomson Editores.
http://www.jorgealvahurtado.com/files/Exploracion%20Geotecnica.pdf
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