ENSAYO DE CORTE DIRECTO

UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLO

CURSO:

MECANICA DE SUELOS II

DOCENTE: WILLIAM RODRIGUEZ SERQUEN

ALUMNO:

FLORES SILVA ROCKY ROMERO

CODIGO: 090412-B

GRUPO HORARIO: 46A-G1

CICLO: 2011-I

2011ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Mecánica de suelos II Corte Directo

I. INTRODUCCIÓN

El ensayo de corte directo tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra, valor que entre otras cosas nos será muy útil para el cálculo de la estabilidad de taludes.La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: la cohesión, aportada por la fracción fina del suelo y responsable a su vez del comportamiento plástico de este, y el rozamiento interno entre las partículas granulares. El ensayo de corte directo se realiza sobre una muestra de suelo situada dentro de una caja de metal dividida en dos piezas: la mitad superior y la mitad inferior.Simultáneamente la muestra es sometida a una carga normal constante y a un esfuerzo lateral que se va incrementando de forma progresiva. Mientras realizamos el ensayo vamos tomando nota del esfuerzo aplicado y el desplazamiento producido entre los dos bloques, datos que más tarde proyectaremos en una gráfica a partir de la cual podremos obtener la resistencia al corte de esa muestra para la carga normal aplicada. Repetiremos el ensayo un mínimo de dos veces con diferentes cargas normales, de forma que proyectando los diferentes valores en una gráfica esfuerzo normal respecto resistencia al corte podremos encontrar la envolvente de Mohr del material, con lo que ello implica: cohesión y ángulo de rozamiento interno.

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II. OBJETIVOS:

Los alumnos al término de la siguiente práctica estaremos en condiciones de: Desarrollar un procedimiento para determinar rápidamente los parámetros de resistencia (f y c) de un suelo. Determinar el máximo de carga que puede soportar un suelo. Trazar correctamente la envolvente de los círculos de Mohr. Dibujar correctamente la curva Esfuerzo – Deformación.

III. NORMAS EMPLEADAS:

ASTM D 3080 – 72

IV. MARCO TEÓRICO:

a) Cohesión. Se define como la atracción relativa entre partículas similares la que da tenacidad y dureza a un suelo haciéndolo resistente a su separación. Las partículas minerales con carga de distinto signo, se atraen entre si con tenacidad proporcional a dichas cargas a sus masas. Esta propiedad física de atracción, es de importancia en la dinámica del suelo por que origina la tenacidad como forma de resistencia a la separación de sus elementos o a la penetración de las herramientas de corte.La capacidad de resistencia del suelo al corte, se modifica según sus características, el grado de humedad y la consolidación. Fundamentalmente el contenido de humedad hace que el suelo pase por diferentes estados: duro o consolidado, friable o desmenuzable, plástico y líquido. Las zonas de separación corresponden a los límites de retracción que se usan para valorar el comportamiento del suelo. Utilizando estos límites y estudiando la variación de la cohesión de las partículas de suelo, a medida que aumenta el contenido de ENSAYO DE CORTE DIRECTO 2

Mecánica de suelos II Corte Directohumedad puede cuantificarse el estado óptimo para realizar una labor.

Ilustración 1: FUERZAS RESITENTES DEL SUELO EN FUNCION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

La cohesión entre las partículas del suelo se debe a dos fenómenos que predominan en distinto grado según el contenido de humedad. En el suelo seco se establece una atracción eléctrica entre las partículas, formando lo que se denomina cohesión molecular. A medida que las partículas se humedecen, el agua en forma de película, tiende a separar a las partículas vecinas.En aumentos mayores de humedad se establecen nuevas atracciones, ahora debidas a la tensión superficial de las partículas mojadas por el agua. Esta nueva atracción entre los componentes del suelo crece con la humedad hasta un máximo, a partir del cual el suelo tiende a convertirse en líquido, desapareciendo las fuerzas de cohesión. Para diferenciarla de la cohesión molecular, a esta forma de atracción de las partículas, se le da el nombre de cohesión superficial o adherencia entre las partículas.La suma de la cohesión molecular y la cohesión superficial es la resistencia que deben vencer las labores que tienen como objetivo el trabajo del suelo. De aquí que los esfuerzos que tendrán que vencer las herramientas serán muy variables según el grado de humedad con el cual podamos trabajar.b) Plasticidad. Entre los diferentes estados de cohesión hay una serie de estados intermedios, desde un suelo duro pasando por uno friable, plástico hasta uno líquido. El estado plástico es muy sensible a la deformación por efecto de las presiones externas y a su límite de ruptura, pero en este caso esta propiedad resulta negativa por la atracción de las partículas hacia las partes cortantes de las máquinas y sus ruedas.ENSAYO DE CORTE DIRECTO 3

Mecánica de suelos II Corte Directoc) Adhesión. Se considera que es una resistencia al trabajo de las máquinas agrícolas por la adherencia del suelo que se pega a los mecanismos. Por acción del contenido de humedad la adhesión disminuye. Así un suelo con poca humedad puede tener una elevada cohesión pero un mínimo de adhesión.La textura del suelo tiene un comportamiento muy importante respecto de la adherencia. La arena tiene por una parte adhesión mínima, mientras que por la otra parte, la arcilla tiene un gran valor plástico y de adhesión al aumentar el contenido de humedad hasta el límite líquido.d) Resistencia al corte. No todos los suelos se comportan igual cuando se someten a un esfuerzo cortante. En los suelos arcillosos secos y arenosos compactados, la rotura tiende a ser frágil y, al alcanzar un nivel de esfuerzo, el suelo se rompe bruscamente necesitándose un esfuerzo mucho menor para continuar el avance. Aquí predominan las fuerzas de cohesión sobre el rozamiento interno de las partículas.Los suelos arcillosos húmedos y los arenosos sueltos se deforman plásticamente alcanzando un máximo que se mantiene a partir de un grado de deformación. Estos suelos se denominan plásticos y en ellos predominan las fuerzas de rozamiento interno sobre la cohesión. Entre ambos se encuentran los suelos agrícolas medios, en los que las fuerzas de resistencia se deben a una combinación de cohesión y rozamiento interno.

CUADRO 1. RESISTENCIA AL CORTE DE DIFERENTES SUELOSTipo de suelo Resistencia en kilos por centímetro cuadrado

Suelo seco Suelo húmedoArenoso 0,21 - 0,25 0,25 - 0,30arcillo arenoso 0,42 - 0,49 0,21 - 0,28arcilloso limoso 0,40 - 0,60 0,40 - 0,507arcillo limo arenoso 0,40 - 0,50 0,35 - 0,40arcilloso 0,60 - 0,70 0,50 - 0,60

e) Fricción.Esta propiedad dinámica es la resistencia de frotamiento entre las partículas de suelo-suelo o bien entre suelo metal de la herramienta de labranza. La superficie rugosa de las partículas dan la fricción ENSAYO DE CORTE DIRECTO 4

Mecánica de suelos II Corte Directomás alta, en estrecha relación con la textura y el grado de humedad y por lo tanto con la adhesión.f) Angulo de fricción.El ángulo de fricción interna es un valor de convenio introducido para simplificar, y se le considera constantemente aunque no lo es.El ángulo de fricción interna depende de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y forma de los granos y de la presión normal. Esfuerzo de corte del mismo, pueden obtenerse de diversas maneras, entre ellas figuran:• Por medio del aparato de corte directo.• Por la prueba de compresión triaxial.En el caso de las arcillas, la determinación del esfuerzo de corte de las mismas pueden determinarse, además, con la prueba de compresión axial ó con la prueba de la veleta.La elección de cada una de estas pruebas están condicionadas a los diferentes factores que intervienen en el proyecto.Analicemos el ensayo de corte directo a fin de emplear un concepto sobre su uso.

ENSAYO DE CORTE DIRECTO: En la actualidad esta prueba es usada con carácter didáctico. Su simplicidad la hace apropiada para la discusión de las teorías generales de corte. Las pruebas de compresión simple y triaxial la han superado con amplia ventaja. El ensayo consiste en aplicar una fuerza tangencial con el fin de provocar la falta de la muestra alo largo de un plano. Además sobre la tapa del instrumento se aplican cargas que proporcionan una presión normal en el plano de falta. Simultáneamente la deformación de la muestra es medida tanto en la dirección horizontal como vertical.



Los resultados de la prueba se calculan como la relación entre las deformaciones sobre el plano de falla y tos esfuerzos realizados por la muestra. Es posible realizar este ensayo bajo las formas de:• Método del esfuerzo controlado• Método de deformación controlada En el primer caso la prueba se lleva a efecto aplicando valores fijos de la fuerza cortante en tal forma que el esfuerzo aplicado tiene en todo momento un valor prefijado, en el otro caso, la velocidad de deformación es constante y la fuerza actuante es medida directamente.

Clasificación de ensayos de corte Directo:• Ensayos no Consolidados no Drenados ó ensayos en U:El corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal P. Si el suelo es cohesivo, y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros.• Ensayo Consolidado no Drenado:ENSAYO DE CORTE DIRECTO 6

Ilustración 2: ESQUEMA DE LA CAJA EMPLEADA EN EL ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Mecánica de suelos II Corte DirectoSe aplica la fuerza normal y se observa el movimiento vertical del ohmímetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante.• Ensayo consolidado drenado:La fuerza normal se aplica y se demora, la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el asentamiento, luego se aplica la fuerza cortante lo más lento posible para evitar el desarrollo de presiones de poros en la muestra.

Ventajas del ensayo de Corte Directo:• En comparación con el ensayo triaxial, es mucho más fácil de ejecutar e interpretar, especialmente si se toman medidas de presión de poros• Se ha encontrado que los parámetros del suelo ~ y C obtenidos por el método corte directo son casi tan confiables como los valores triaxiales.• La máquina de corte es más adaptable a los equipos electrónicos de medición• El tamaño de la muestra hace que efectuar ensayos consolidados no drenados o drenados, no requieren demasiado tiempo, pues el tiempo de drenaje es corto, aún para materiales con bajo coeficiente de permeabilidad, debido a que el camino de drenaje es muy pequeño.• Se están introduciendo máquinas con muestra cuadrada de forma que la reducción de área durante el ensayo puede tenerse en cuenta fácilmente si se desea

Fundamentos para el análisis del ensayo - Ley de coulombEl ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del ensayo. O sea, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o 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 simplemente como: ENSAYO DE CORTE DIRECTO 7

Mecánica de suelos II Corte Directoσ n = Pv /A t f = Ph /A 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 ( t f ) y los esfuerzos normales ( σ n ) en suelos, se muestra en la figura 5.21 y puede representarse por la ecuación siguiente:tf = c + σ n * tg Φ

Desventajas:• Existe la imposibilidad de conocer los esfuerzos que actúan en planos distintos al de falla durante la realización de la prueba• El área de la muestra varía durante el ensayo lo cual obliga a realizar correcciones; además esto no es demasiado significativo ya que la mayoría de las muestras faltan a deformaciones muy bajas.• El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado que los errores de preparación son relativamente importantes.• El tamaño de la muestra excluye la posibilidad de hacer mucha investigación de las condiciones de presión de poros durante el ensayoENSAYO DE CORTE DIRECTO 8

C

nN1/L2

3

2

1

f 3

f 2

f 1

Φ

f C + n * tg

Esfuerzo normal

Ilustración 3: RELACION ENTRE LOS ESFUERZOS DE CORTE MAXIMO Y LOS ESFUERZOS NORMALES. LA

LINEA REACTA OBTENIDA SE CONOCE COMO ENVOLVENTE DE FALLA

Mecánica de suelos II Corte Directo• No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson.

V. EQUIPOS Y MATERIALES:

• Aparato de corte directo.

• Equipo adicional como cortadores para labrar el espécimen, cronómetro, balanza, etc.

• Dos personas como mínimo, una para leer el micrómetro y tomar el tiempo y la segunda para girar a la máquina y aplicar las cargas.

• Muestra inalterada de suelo.

• Micrómetro de 0.001 cm. de precisión.

• Tres anillos de metal en los cuales se colocaran las muestras de suelo.

VI. PROCEDIMIENTO:

Enumerar tres anillos de metal en los cuales estará la muestra.

Determínese y anótese el peso propio de los anillos en tos que irán las muestras,

repitiendo lo mismo con el área y la altura de los mismos.

Colóquese una masa de suelo inalterado del tamaño adecuado en cada anillo de

metal y girando el anillo, córtese la muestra con un cortador hasta poder dejarla

perfectamente definida con las dimensiones del anillo.

Se procede a pesar cada anillo con la muestra en su interior

Luego se coloca el anillo #1 en la máquina de corte directo con un esfuerzo aplicado

de 0.5 Kg. /cm2 y es sometido a un esfuerzo tangencial y a una carga axial, de los

cuales se van tomando datos cada 15 segundos.

Del anillo se retira una muestra de suelo y es colocada en una cápsula para ser

introducida al horno durante 24 horas, para obtener el Pmuestra seca

Se coloca el primer anillo en la máquina de corte directo con un esfuerzo de 0.5

kg/ cm2 y es sometida a un esfuerzo tangencial y a una carga axial

Se lleva al horno para luego ser pesada y obtener P. muestra seca

Se procede ha instalar el segundo anillo, aplicando ha este un esfuerzo de 1 kg/cm 2

los esfuerzos son aplicados a 0.5, 1, 1.5 Kg /cm2 según el peso de las muestras, de

mayor a menor respectivamente



Se repiten los pasos anteriores, procediendo de igual manera con el tercer anillo al

cual se le aplica un esfuerzo de 1.5 kg /cm2

Se tabulan los datos obtenidos para dibujar la curva: Esfuerzo - Deformación

VII. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Fórmulas a Usar:FUERZA DE CORTE = (Dial de carga) * kDonde: k =1.6129ESFUERZO DE CORTE = (Fuerza de corte) / áreaτ/σ = (esfuerzo de corte )/ (carga aplicada)ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEALSe emplea la fórmula general:y = a + bxSe tiene: Σy = na + aΣx Σxy = bΣx + aΣxDe las que se deduce: a = Σy – bΣx/n b = Σ x Σ y - n Σ xy Σx – nΣx2 Donde: x = esfuerzo normal en Kg. / cm2 Y = esfuerzo de corte en Kg. / cm2

Angulo de fricción: x= arc tg by = a + bx

x = esfuerzo normal en Kg. / cm2 Y = esfuerzo de corte en Kg. / cm2 ENSAYO DE CORTE DIRECTO 10


ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Número de anillo : 16Peso del anillo: 82.6gPeso anillo + muestra húmeda natural: 315.85gPeso de muestra seca:% de humedad:Diametro: 7.14cmArea del anillo: 40.04cm2

Altura del anillo: 3.45cmvolumen del anillo: 138.14cm3densidad seca:esfuerzo normal: 0.5Kg/cm2K(constante): 1.6129

1 2 3 4 5 6 7TIEMPO(S

)DIAL

HORIZONTALDEZPL.

HORIZONTALDIAL DE CORTE

FUERZA DE CORTE

ESFUERZO DE CORTE τ/σ

0 10.00 0.00 0.0 0.000 0.000 0.00015 9.45 0.55 8.9 14.355 0.359 0.71730 8.55 1.45 14.8 23.871 0.596 1.19245 7.45 2.55 15.4 24.839 0.620 1.24160 6.40 3.60 15.0 24.194 0.604 1.20875 5.25 4.75 14.9 24.032 0.600 1.20090 4.35 5.65 14.9 24.032 0.600 1.200

105 3.40 6.60 14.9 24.032 0.600 1.200120 2.70 7.30 14.0 22.581 0.564 1.128135 10.00 14.0 22.581 0.564 1.128150165180195210


Numero de anillo : 6Peso del anillo: 80.19gPeso anillo + muestra húmeda natural: 317.01gPeso de muestra seca:



% de humedad:Diametro: 7.16cmArea del anillo: 40.26cm2Altura del anillo: 3.45cmvolumen del anillo: 138.91cm3

densidad seca:esfuerzo normal: 0.1

Kg/cm2K(constante): 1.6129

1 2 3 4 5 6 7

TIEMPO(S)DIAL

HORIZONTALDEZPL.


FUERZA DE CORTE

ESFUERZO DE CORTE

τ/σ

0 10.00 0.00 0.0 0.000 0.000 0.00015 9.30 0.70 8.4 13.548 0.337 0.33730 8.30 1.70 10.2 16.452 0.409 0.40945 7.30 2.70 11.1 17.903 0.445 0.44560 6.25 3.75 11.2 18.064 0.449 0.44975 5.35 4.65 11.4 18.387 0.457 0.45790 4.38 5.62 12.0 19.355 0.481 0.481

105 3.35 6.65 12.1 19.516 0.485 0.485120 2.30 7.70 12.0 19.355 0.481 0.481135 11.9 19.194 0.477 0.477150 11.9 19.194 0.477 0.477165180195210




Numero de anillo : 22Peso del anillo: 83.4gPeso anillo + muestra húmeda natural: 320.53gPeso de muestra seca:% de humedad:Diametro: 7.19cmArea del anillo: 40.60cm2Altura del anillo: 3.45mvolumen del anillo: 140.05cm3densidad seca:esfuerzo normal: 1.5 Kg/cm2K(constante): 1.6129

1 2 3 4 5 6 7

TIEMPO(S)DIAL

HORIZONTALDEZPL.


FUERZA DE CORTE

ESFUERZO DE CORTE

τ/σ

0 10.00 0.00 0.0 0.000 0.000 0.00015 9.35 0.65 12.2 19.677 0.485 0.32330 8.42 1.58 18.2 29.355 0.723 0.48245 7.34 2.66 19.5 31.452 0.775 0.51660 6.25 3.75 19.7 31.774 0.783 0.52275 5.20 4.80 20.0 32.258 0.795 0.53090 4.20 5.80 20.0 32.258 0.795 0.530

105 3.18 6.82 20.0 32.258 0.795 0.530120 2.15 7.85 20.0 32.258 0.795 0.530135 10.00 20.0 32.258 0.795 0.530150165180195210

ESPECIMEN N°

PESO VOLUMETRICO SECO gr/cm3

ESFUERZO NORMAL Kg/cm2

PROPORCION DE ESFUERZOS τ/σ

HUMEDAD NATURAL %

ESFUERZO DE CORTE Kg/cm2

16 0.5 1.241 0.626 1.0 0.485 0.485

22 1.5 0.53 0.795

DETERMINACION ∅ COHESION∅ = arctag(0.175) C=0.458∅ = 0.17325



0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

f(x) = 0.175 x + 0.458333333333333

ESFUERZO NORMAL Kg/cm2

ESFU

ERZO

CO

RTAN

TE K

g/cm

2

VIII. CONCLUSIONES

La ecuación quedo definida por: Su cohesión es del suelo en estudio nos resulto 0.458 Kg/cm2.

El Angulo De Fricción Interna Resulto Ø =0.17325 = 3º 56’ 49.75’’

la recta de mayor ajuste: Y= a + bX, nos indica Y: esfuerzo de corte en Kg. /cm2 y X: esfuerzo normal en Kg./cm2., teniendo en consideración que el valor para el esfuerzo de corte es el mayor.

Con el desarrollo del ensayo de corte directo podemos determinar relativamente las propiedades del suelo.

La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas.

El ensayo de corte directo se puede realizar tanto para suelos inalterados o compactados.

IX. BIBLIOGRAFIA

M.O.P.U. 1987 Sistematización de los Medios de Compactación y su Control.

Separata ofrecida por el Ingeniero del curso


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