Mecanica de Suelos

ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Docente: Ing. Emilio de la Rosa Ríos

2014 - II

ESTUDIANTE : PAIVA QUIROZ RONALD CODIGO : 020111867-C FECHA : 09/03/15

INFORME Nº 08

MECANICA DE SUELOS FAC. ING. AGRICOLA

I. INTRODUCCIÓN

Con la elaboración de este informe, se describe el método de

ensayo para la determinación de la resistencia al corte de una

muestra de suelo, utilizando para ello un aparato de corte

directo que simula la aplicación de las cargas reales a las que

estará sometido el suelo. El ensayo induce la falla a través de un

plano determinado, sobre el que actúan un esfuerzo normal

aplicado externamente debido a la carga vertical y un esfuerzo

cortante originado de la aplicación de la carga horizontal. Al

aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo las deformaciones

con las cuales podremos obtener la tensión de corte mediante

un gráfico, además podremos obtener la cohesión y el ángulo de

fricción interna del suelo.

Este método describe y regula el método de ensayo para la

determinación de la resistencia al corte de una muestra de

suelo, sometida previamente a un proceso de consolidación,

cuando se le aplica un esfuerzo de cizalladura o corte directo

mientras se permite un drenaje completo de ella. El ensayo se

lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada,

cerca a un plano de cizalladura determinado por la configuración

del aparato de cizalladura. Generalmente se ensayan tres o más

especímenes, cada uno bajo una carga normal diferente para

determinar su efecto sobre la resistencia al corte y al

desplazamiento y las propiedades de resistencia a partir de las

envolventes de resistencia de Mohr.

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II. OBJETIVOS

Determinar la deformación y el ángulo de fricción interno para una muestra de arena seca.

Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación, para unas determinadas cargas aplicadas a dicha muestra.

III. MARCO TEORICO

1. Corte Directo:

El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento.

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2. Principio del ensayo de corte directo:

Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pueden dividirse en categorías:

- Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es prácticamente independiente del tiempo.

- Resistencia al corte drenado para suelos cohesivos, en que el desplazamiento debe ser muy lento para permitir el drenaje durante el ensayo.

- Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes.

- Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en que el corte es aplicado en forma rápida.

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3. Clasificación de ensayos de corte directo

Ensayos no consolidados – no drenados

El corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (vertical). Si el suelo es cohesivo, y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial no consolidado – drenado.

Ensayo consolidado – no drenado

Se aplica la fuerza normal, se observa el movimiento vertical del deformímetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante. Este ensayo puede situarse entre los ensayos triaxiales consolidado – no drenado y consolidado – drenado.

Ensayo consolidado – drenado

La fuerza normal se aplica, y se demora la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el asentamiento; se aplica a continuación la fuerza cortante tan lento como sea posible para evitar el desarrollo de presiones de poros en la muestra. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial consolidado – drenado.

Por otro lado, según la forma en que se aplica el esfuerzo horizontal, los ensayos de corte se pueden clasificar en dos tipos.

- Ensayos de tensión controlada. Se aplica el esfuerzo horizontal, se miden las deformaciones hasta llegar hasta la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan, lo que nos indica que hemos sobrepasado la carga de rotura.

- Ensayos de deformación controlada. La mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada; los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal

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4. Fundamentos para el análisis del ensayo – Ley

de coulomb

El 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:

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 (tf) y los esfuerzos normales (σn) en suelos, se muestra en la figura 5.21 y puede representarse por la ecuación siguiente:

tf = c + σ n * tg Φ

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Relación entre los esfuerzos de corte máximo y los esfuerzos

normales. La línea recta obtenida se conoce como Envolvente

de falla.

5. Ecuación de falla de Coulomb (1776)

Coulomb observó que si el empuje de un suelo contra un muro produce un desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de deslizamiento. Él postuló que la máxima resistencia al corte, τf , en el plano de falla, está dada por:

τf =c+σ tg φ−−−−−−−(1)

Donde :

σ=Esel esfuerzonormal total enel plano de falla . φ=Esel ángulo de friccióndel suelo( por ejemplo,arena) c=Es la cohesióndel suelo( por ejemplo ,arcilla).

Esta es una relación empírica y se basa en la Ley de Fricción de Amonton para el deslizamiento de dos superficies planas, con la inclusión de un término de cohesión c para incluir la Stiction propia del suelo arcilloso. En los materiales granulares, c = 0 y por lo tanto:

τf =σ tg φSuelo granular−−−−−−−−−−(2)

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Contrariamente, en suelos puramente cohesivos, φ=0 luego:

τf =c Suelo cohesivo puro−−−−−−−−−−(3)

Pero la ecuación (1) no condujo siempre a resultados satisfactorios, hasta que Terzagui publica su expresión σ=σ ’+U con el principio de los esfuerzos efectivos (el agua no tiene cortante). Entonces:

τf =c ‘+σ ’ tg φ ’−−−−−−−−−−−−−−(4)

6. Valores característicos del ángulo de fricción de algunos suelos

Se muestra las relaciones típicas esfuerzo-deformación unitaria-cambio de volumen. Al graficar el máximo esfuerzo cortante tf en función del esfuerzo normal efectivo s´ se obtiene el ángulo de fricción efectivo para un estado de densidad en particular. Para establecer la envolvente de falla se realizan diferentes ensayos con diferentes valores de presión de confinamiento (esfuerzo normal) y se dibuja una línea recta desde el origen (ya que s´ = 0 en suelos granulares)

pasando por los respectivos puntos; la pendiente de esta línea se designa con j’

7. Ventajas y Desventajas del ensayo de corte

VENTAJAS DESVENTAJAS

Es un ensayo fácil de llevar acabo

No tenemos control de la presión de poros. No sabemoscuanto de la presión ejercida es efectiva y cuanto es neutra

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La interpretación del ensayo es sencilla

No conocemos la distribución real de tensiones “τ” en el plano conocido de corte. Consideramos una distribución uniforme, con valor medio de “τ”

Los cambios de volumen son de medición simpleLos valores de los parámetros de resistencia al corteson confiablesEl plano de falla está bien definido

IV. DESARROLLO DE LA PRACTICA:

Materiales:

• Dial de Corte Horizontal.• Dial de Corte Vertical.• Pesas de carga.• Horno.• Cuchillo y arco con alambre acerado.• Muestra inalterada.• Máquina de corte Directo (Placa de 5x5x5, caja de

corte).• El aparato de corte directo Fabricación Rusa.• Deformimetros verticales y horizontales.

Procedimiento:

1.De acuerdo a la norma ASTM D 3080 y AASHTO T 236, se moldean 3 probetas de una muestra de suelo inalterada, utilizando un anillo cortante para controlar el tamaño. Se ensambla la caja de corte, se saturan las piedras porosas y se mide la caja para calcular el área de la muestra. Se colocan la muestra en la caja de corte, las piedras porosas y el pistón de carga sobre el suelo, se ajusta el deformímetro vertical.

2.Una vez efectuado esto, se coloca la muestra dentro de la caja de corte, colocamos el pisto de carga en su sitio sobre el suelo, la carga normal y ajustamos el deformímetro.

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3.Una vez hecho esto, enceramos el deformímetro horizontal y vertical. Para ensayos saturados, es necesario llenar la caja de corte con agua y esperar un tiempo razonable para que se produzca la saturación de la muestra.

4.Comenzar la carga horizontal y tomar lecturas del deformímetro de carga, desplazamiento de corte y desplazamientos verticales. Si el ensayo se hace a deformación unitaria controlada tomar estas lecturas a desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 ó 20 unidades del deformímetro de desplazamiento horizontal.

5.Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0.5 a no más de 2 mm/min. Repetimos estos pasos para las demás muestras.

6.Alterno a esto, determinamos el contenido de humedad de la muestra.

7.Graficamos el esfuerzo cortante vs. el desplazamiento horizontal y se determinan los valores de esfuerzo para cada probeta.

8.Luego efectuamos una gráfica de los esfuerzos vs. la presión unitaria tal como se indica a continuación; en la gráfica podremos obtener la cohesión y en ángulo de fricción interna del suelo.

V. CALCULOS

DATOS Y CÁLCULOS DE ENSAYOS

A. Peso específico en la vía húmeda.

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N° de muestr

a

peso anillo + muestra

Volumen

(cm3)

peso de anillo

peso de muestra

(gr)

peso específico (gr/cm3)

10 348.3 134.6 83 265.3 1.97

22 348.9 134.6 83.1 265.8 1.97

12 353.1 134.6 81.9 271.2 2.01

B. Resultados de ensayo a corte

a) Anillo N° 10

Número de anillo 10

Peso de anillo 83

P. anillo + P. muestra Húm. Nat.

348.3

P. muestra seca 228.1

% Humedad 16.31

Área de anillo 39.59

Volumen del anillo 134.6

Densidad seca 1.69

Esfuerzo aplicado (kg/cm2) 0.50

Tiempo Dial Horiz.

Desplaz Horiz

Dial de Carga

Fuerza Corte

Esf. Corte

τ/σ

0' 00'' 10.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0015'' 9.00 0.00 14.50 23.38 0.59 1.1830'' 8.00 0.00 23.20 37.41 0.94 1.8945'' 7.00 0.00 29.20 47.08 1.19 2.38

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1' 00'' 6.00 0.05 32.50 52.40 1.32 2.6515'' 5.00 0.00 31.30 50.46 1.27 2.5530'' 4.00 0.00 29.50 47.56 1.20 2.4045'' 3.00 0.00 29.00 46.76 1.18 2.36

2' 00'' 2.00 0.00 28.50 45.95 1.16 2.3215" 1.00 0.00 28.30 45.63 1.15 2.3130" 0.00 0.00 28.30 45.63 1.15 2.31

b) Anillo N° 22

Número de anillo 22Peso de anillo 83.1P. anillo + P. muestra Húm. Nat.

348.9

P. muestra seca 228.3% Humedad 16.43Área de anillo 39.59Volumen del anillo 134.6Densidad seca 1.70Esfuerzo aplicado (kg/cm2) 1.00

Tiempo Dial Horiz.

Desplaz Horiz

Dial de Carga

Fuerza Corte

Esf. Corte

τ/σ

0' 00'' 10.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0015'' 9.00 0.00 24.00 38.70 0.98 0.9830'' 8.00 0.00 32.20 51.92 1.31 1.3145'' 7.00 0.00 36.30 58.53 1.48 1.48

1' 00'' 6.00 0.05 37.50 60.46 1.53 1.5315'' 5.00 0.00 37.20 59.98 1.51 1.5130'' 4.00 0.10 37.30 60.14 1.52 1.52

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45'' 3.00 0.10 37.20 59.98 1.51 1.512' 00'' 2.00 0.05 37.20 59.98 1.51 1.5115" 1.00 0.10 36.70 59.17 1.49 1.4930" 0.00 0.10 36.50 58.85 1.49 1.49

c) Anillo N° 12

Número de anillo 12Peso de anillo 81.9P. anillo + P. muestra Húm. Nat.

353.1

P. muestra seca 226.5% Humedad 19.74Área de anillo 39.59Volumen del anillo 134.6Densidad seca 1.68Esfuerzo aplicado (kg/cm2) 150

Tiempo Dial Horiz.

Desplaz Horiz

Dial de Carga

Fuerza Corte

Esf. Corte

τ/σ

0' 00'' 10.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0015'' 9.00 0.05 24.00 38.70 0.98 0.6530'' 8.00 0.10 34.00 54.82 1.38 0.9245'' 7.00 0.20 42.20 68.04 1.72 1.15

1' 00'' 6.00 0.20 48.00 77.39 1.95 1.30

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15'' 5.00 0.20 49.00 79.00 2.00 1.3330'' 4.00 0.20 49.20 79.33 2.00 1.3445'' 3.00 0.15 49.00 79.00 2.00 1.33

2' 00'' 2.00 0.20 49.40 79.65 2.01 1.3415" 1.00 0.10 50.00 80.62 2.04 1.3630" 0.00 0.10 50.00 80.62 2.04 1.36

Anillo NºPeso

Específico. Seco gr/cm3

Esfuerzo Normal Kg/cm2

Humedad Natural

%

Esfuerzo de Corte

Kg/cm2

10 1.69 0.5 16.31 1.1522 1.70 1 19.74 1.4912 1.68 1.5 16.43 2.04

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0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

1.15

1.49

2.04f(x) = 0.89 x + 0.67

Esfuerzo Normal Kg/cm2

Esfu

erzo

Cor

tant

e Kg

/cm

2

Ecuación de la recta:

y = 0.89x + 0.67

Para X = 0

Y= 0.67------------- siendo este el resultado de la

COHESIÓN

CALCULO DEL ANGULO DE FRICCION INTERNA

Encontramos la pendiente de la recta:

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tan∅=(2.04−1.15)

1

∅=arctag ((2.04−1.15 )

1)

∅=41° 40' 8.7

VI. CONCLUSIONES

Al finalizar esta práctica pudimos realizar el diagrama el cual nos permitió determinar la cohesión del suelo en

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estudio, la cual resultó 0.67 y el ángulo de fricción interna 41 ° 40' 8.7 permitiendo establecer la resistencia al corte del suelo.

La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga.

El ensayo de corte directo tiene como objetivo determinar la resistencia de una muestra, valor que, entre otras cosas, será muy útil para el cálculo de la estabilidad de taludes o para la capacidad de soporte. La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: La cohesión, aportada por la fracción del fino y responsable, a su vez, del comportamiento plástico de este y el rozamiento interno entre las partículas granulares o fricción.

ANEXOS

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LINKOGRAFIA

http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-24.pdf http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/

manual_laboratorio/cortedirecto.pdf https://mecanicadesuelos1unitec.wordpress.com/ensayo-

de-corte-directo/ http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Apunte%20de

%20Resistencia%20al%20Corte%201.pdf

Página 18

http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Apunte%20de%20Resistencia%20al%20Corte%201.pdf

http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Apunte%20de%20Resistencia%20al%20Corte%201.pdf

https://mecanicadesuelos1unitec.wordpress.com/ensayo-de-corte-directo/

https://mecanicadesuelos1unitec.wordpress.com/ensayo-de-corte-directo/

http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/cortedirecto.pdf

http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/cortedirecto.pdf

http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-24.pdf

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