2013ENSAYO DE CORTE DIRECTO
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ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO ASIGNATURA
:
MECANICA DE SUELOS II
DOCENTE
:
ING. RODRIGUEZ SERQUEN WILLIAM
ALUMNO
:
CARLOS CARLOS RONAL ROGER
CICLO
:
2012 – I
LAMBAYEQUE JULIO 2012 Página 1
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1. RESUMEN
Este ensayo consiste en colocar una muestra de suelo inalterada en un anillo, esto se hará por capas y cada capa debe ser compactada con un número determinado de golpes, una vez colocada la muestra en el anillo se procederá a colocarla en la máquina de corte, luego se aplica a la muestra un esfuerzo normal y una carga. A medida que va avanzando el ensayo, que durará 3 minutos, se tomará los datos obtenidos del dial horizontal y el dial de carga, esto se hará cada 15 segundos. Para este ensayo se debe tener tres anillos con muestra de suelo inalterado, teniendo en cuenta que para cada muestra de suelo se le aplicará un esfuerzo normal de 0.5 kg/cm2, 1 kg/cm2 y 1.5 kg/cm2. Este esfuerzo normal se colocará de acuerdo al peso de la muestra, a medida que va aumentando el peso de la muestra también va aumentando el esfuerzo normal. Por ejemplo si una muestra tiene el menor peso se le colocará un esfuerzo normal de 0.5 kg/cm2.
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2. INTRODUCCIÓN La evaluación de la resistencia al esfuerzo normal y cortante del suelo, permite cuantificar parámetros necesarios para solucionar problemas relacionados con la resistencia del terreno, que nos permite analizar problemas de la estabilidad de suelos tales como: el estudio de estabilidad de taludes para carreteras, la determinación de la capacidad de soporte en cimentaciones, la presión lateral sobre estructuras de retención de tierras. Es un ensayo de CORTE DIRECTO; Nos determina el ángulo de fricción interna y la cohesión del suelo, Estos parámetros son importantes, para determinar la capacidad portante del suelo, sobre el que se va a construir. Consiste en aplicar esfuerzos verticales y horizontales, a tres muestras de suelo, y determinar el instante de falla a cortante. En el presente informe se presentará el ensayo de corte directo esto se hará para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de suelo, ya que su estudio es indispensable porque los resultados son aproximados y nos pueden dar una idea del comportamiento de suelo al ser sometido a esfuerzos (cortante y normal). También, se hace uso del análisis de regresión lineal, para obtener el ángulo de fricción interna y la cohesión del suelo.
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3. OBJETIVOS
3.1.Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo. 3.2.Obtener la gráfica esfuerzo cortante vs esfuerzo normal (o envolvente de MOHR). 3.3.Obtener la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna ( Ɵ ). 3.4.Determinar el ángulo de fricción interna del, suelo a ensayar. 3.5. 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.
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4. MARCO TEÓRICO La prueba de CORTE DIRECTO consiste en comprimir verticalmente una muestra del material en estudio, que se encuentra confinada en anillo rígido. Es decir se aplica presión a la muestra de suelo según el eje vertical y se impide la deformación en sentido horizontal. Aplicándoles cargas pre-establecidas, determinadas de acuerdo al nivel de cargas con que se va a trabajar el suelo.
Limitaciones Del Ensayo De Corte Directo
La muestra está obligada a fallar en un plano predeterminado.
La distribución de esfuerzos en ésta superficie no es uniforme.
No es posible controlar el drenaje de la muestra, sólo se puede variar la velocidad de desplazamiento.
No puede medirse la presión de poros.
Las deformaciones aplicadas están limitadas por recorrido máximo de la caja.
El área de contacto entre las dos mitades de la muestra disminuye a medida que se realiza el ensayo. Pero como afecta a y a σ en la misma proporción, el efecto en la envolvente de Coulomb es despreciable.
El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes.
Fig 01. De Corte Directo
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4.1 ESFUERZO CORTANTE EN SUELOS 4.1.1 Resistencia al corte de un suelo Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo contra un muro de contención.
4.1.2 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; quien postulo que la máxima falla por corte f, en el plano de falla esta dado por:
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: Suelo granular
Contrariamente, en suelos puramente cohesivos, φ = 0, luego:
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Pero la ecuación (1) no condujo siempre a resultados satisfactorios, hasta queTerzagui pública su expresin σ = σ’ + U con el principio de los esfuerzos efectivos (el agua no
tiene cortante). Entonces:
Puesto que la resistencia al cortante depende de los esfuerzos efectivos, en el suelo los anlisis deben hacerse en esos términos, involucrando c’ y φ’, cuyos valores se obtienen
del ensayo de corte directo: Aplicando al suelo una fuerza normal, se puede proceder a cizallarlo con una fuerza cortante. El movimiento vertical de la muestra se lee colocando un deformímetro en el bastidor superior. El molde no permite control de drenaje, que en el terreno pueden fallar. Encondiciones de humedad diversas (condición saturada no drenada, parcialmente drenadas o totalmente drenadas), para reproducir las condiciones de campo se programa la velocidad de aplicación de las cargas. En arenas, como el drenaje es libre, el ensayo se considera drenado. Tabla 01: ángulos de fricción de algunos suelos
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ENSAYO DE CORTE DIRECTO 4.1.3 Componentes de la resistencia al corte
De la ley de Coulomb se desprende que la resistencia al corte de suelos en términos generales tiene dos componentes: a) Fricción (tg Φ) que se debe a la trabazón entre partículas y al roce entre ellas cuando están sometidas a esfuerzos normales. b) Cohesión (C) que se debe a fuerzas internas que mantienen unidas a las partículas en una masa.
Como
en
la
ecuacin” t f = c
+ σ n * tgΦ” existen
dos
cantidades
desconocidas (c y Φ), se requiere obtener dos valores, como mínimo de esfuerzo normal y esfuerzo cortante para obtener una solución. Como el esfuerzo cortante t y el esfuerzo normal σn tienen el mismo significado dado en la construcción del círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones simultáneas para c y para tgΦ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados los valores de t contra σn para los diferentes ensayos (generalmente con t como ordenada), dibujar una línea a través del lugar geométrico de los puntos, y establecer la pendiente de la línea como el ángulo y la intersección con el eje t como la cohesión c. Para materiales no cohesivos, la cohesión debería ser cero por definición y la ecuación de Coulomb se convierte en: tf = σ n * tgΦ
Siendo N la fuerza vertical que actúa sobre el cuerpo, la fuerza horizontal necesaria ( T ) para hacer deslizar el cuerpo, debe ser superior a N, siendo el coeficiente de roce entre los dos materiales. Esta relación también puede ser escrita de la forma siguiente: T = N tgΦ
Siendo Φ, el ngulo de roce o ngulo formado por la resultante de las dos fuerzas con la fuerza normal.
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La resistencia al deslizamiento es proporcional a la presión normal y puede ser representada Por la figura 1.
Fig._ (1) Mecanismos de los fenómenos de fricción
Aplicaciones de los valores obtenidos en el ensayo de corte directo:
El ensayo de corte directo es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debido a que las trayectorias de drenaje a través de la muestra son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remodelados o compactados.
Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia al corte en condiciones drenadas.
El intervalo de los esfuerzos normales, la velocidad de deformación y las condiciones generales del ensayo deben ser seleccionadas para reflejar las condiciones específicas del suelo que se está investigando. Página 9
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Los ensayos de corte directo en laboratorio se pueden clasificar en tres tipos, según exista drenaje y/o consolidación de la muestra, por lo tanto los valores de c y dependen esencialmente de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad del suelo.
Se pueden efectuar los siguientes ensayos:
Ensayo Consolidado Drenado (CD).- Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta finalizar la consolidación primaria, a continuación se procede a la rotura de la probeta a una velocidad lo suficientemente lenta como para que no se originen presiones intersticiales, permitiendo el libre drenaje del agua de los poros. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes efectivos.
Ensayo Consolidado no drenado (CU).- Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta finalizar la consolidación primaria. A continuación se procede a la rotura de la probeta a una velocidad lo suficientemente rápida para que no se produzca el drenaje. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes totales.
Ensayo no consolidado no drenado (UU).- La rotura se inicia nada mas aplicar la presión normal correspondiente y a una velocidad lo suficientemente rápida para que no se produzca el drenaje. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes totales
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5. MATERIALES Y EQUIPOS
5.1 Muestra inalterada
Material que es utilizado realización del ensayo.
para
la
Fig._ (2) Muestra de suelo
5.2 Maquina de corte directo La máquina de corte directo permite determinar la resistencia al corte de un suelo y obtener parámetros de interés en la ingeniería como cohesión y ángulo de fricción, para cálculos de capacidad de soporte del suelo, estabilidad de taludes, estructuras de tierra, entre otros.
Fig._ (3) Maquina de corte directo UNPRG.
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5.3 Anillos Este equipo nos permite moldear el suelo y atravez de ello también obtenemos en volumen y otros datos.
Fig._ (4) Anillos
5.4 Balanza
Equipo que nos sirve para medir masas.
Fig._ (5) Balanza electrónica
5.5 Vernier
Instrumento que nos sirve para hallar. Diámetros y alturas con precisión al milímetro. Fig._ (6) Vernier
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5.6 Micrómetros
Fig._ (7) detalles de un micrómetro.
5.7 Horno
Fig.06 Horno
5.8 Cronómetro
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Fig. 08 Cronometro
5.9 Espátula
Fig. 09 Espátula
5.10 Compactado 5.11 Tres personas: uno para que tome lectura del dial horizontal , otra para el dial de carga y la tercera para que gire la maquina y aplica la carga.
6. PROCEDIMIENTO 6.1
Una vez obtenido la muestra del suelo se procede a colocarlo en el anillo.
Fig. 10 Colocando la muestra en el anillo
6.2
Ya colocada la muestra en el anillo se procede a enrazarlo.
6.3
Esto se hará para los tres anillos.
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Fig. 11 Las muestras ya se encuentran en los tres anillos
6.4
Luego se procede a pesar cada anillo con su muestra, para obtener así el
peso del anillo más el peso de la muestra húmeda natural. 6.5
Luego se coloca el anillo con el menor peso de la muestra en la máquina
de corte, entonces se aplicará un esfuerzo normal de 0.5 kg/cm2, un esfuerzo tangencial y una carga axial, de los cuales se va tomando datos cada 15 segundos del dial horizontal y del dial de carga. 6.6
Para el peso intermedio de la muestra se aplicará un esfuerzo normal de
1.0 kg/cm2, y para el mayor peso de la muestra se aplicará un esfuerzo normal de 1.5 kg/cm2, para estas dos muestras se hará lo mismo que para la muestra ya explicada antes.
Fig.12 La muestra después del ensayo
6.7 Una vez ya hecho el ensayo en la máquina de corte, las muestras se colocarán en el horno por un espacio de 24 horas. 6.8
Ya pasado el tiempo necesario en el horno, se procede a pesar la muestra
y de esta forma obtendremos el peso de la muestra seca.
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ENSAYO DE CORTE DIRECTO 7. CÁLCULOS Y RESULTADOS
CÁLCULOS Datos tomados en el laboratorio de mecánica de suelos:
Primer ensayo: Para un esfuerzo normal de 0.5 kg/cm2:
Numero del anillo Peso del anillo Peso anillo + muestra húmeda natural Peso de la muestra seca % De humedad Diámetro Área del anillo Altura de anillo Volumen de anillo K(constante)
: 22 : 82.79g 362.3 g : : : : : : :
214.99g
30.01% 7,2 cm 40.72 cm2 3,2 cm 130.304 cm3 1.6129
TABLA 1:
tiempo
Dial horizontal
Datos del primer ensayo para la muestra y anillos
Desplaza.
Dial Fuerza de de Horizontal(cm) carga corte
0
10
0
0
15"
9.25
0.75
2.4
3.9096 0.09602358 0.19204716
30"
8.4
1.6
3.4
5.5386
45"
7.58
2.42
4
6.516
01'00"
6.65
3.35
4.2
6.8418 0.16804126 0.33608252
15"
5.75
4.25
4.9
7.9821 0.19604814 0.39209628
30" 45"
4.69 3.68
5.31 6.32
5 5
8.145 0.20004912 0.40009824 8.145 0.20004912 0.40009824
02'00"
2.71
7.29
5
8.145 0.20004912 0.40009824
00'00"
0
Esfuerzo de corte Kg/cm2
0
0.1360334 0.27206681 0.1600393
0.3200786
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Segundo ensayo: Para un esfuerzo normal de 1.00 kg/cm2:
Numero del anillo
:
Peso del anillo Peso anillo + muestra húmeda natural Peso de la muestra seca % De humedad Diámetro Área del anillo Altura de anillo Volumen de anillo K(constante)
: 81.76g 352.11g : : : : : : :
5
210.28g
28.56% 7,2 cm 40,72 cm2 3, cm 130.304 cm3 1.6129
TABLA 3:
tiempo
Dial horizontal
00”
10
15”
9.25
30”
8.4
45”
7.5 6.45
01’00”
30”
5.35 5.45
45”
5.45
15”
02’00”
4.5
15”
3.6
30”
2.45
Datos del segundo ensayo para la muestra y anillos
Desplaza. Horizontal(cm) 0.00 0.75 1.6 2.5 3.55 4.65 4.55 4.55 5.5 6.4 7.55
TABLA 4:
Dial de carga 0 5 6.8 7 7 7.1 7.2 7.2 7.2 7.2 7.4
Fuerza Esfuerzo de de corte(kg/cm2) corte 0.000 0,000 0.000 8.064 0.198 8.064 10.97 0.269 10.97 11.29 0.277 11.29 11.29 0.277 11.29 11.45 0.281 11.45 11.61 0.285 11.61 11.61 0.285 11.61 11.61 0.285 11.61 11.61 0.285 11.61 11.94 0.293 11.94
cálculo del máximo esfuerzo cortante para el segundo ensayo
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Tercer ensayo: Para un esfuerzo normal de 1.5 kg/cm 2:
Numero del anillo
:
Peso del anillo Peso anillo + muestra húmeda natural Peso de la muestra seca % De humedad Diámetro Área del anillo Altura de anillo Volumen de anillo K(constante)
: 81.97g 353.01g : : : : : : :
12
209.07g
26.64% 7,2 cm 40,72 cm2 3,2 cm 130.304 cm3 1.6129
TABLA 5:
tiempo
Dial horizontal
00”
10
15” 30”
9.35 8.45
45”
7.45
01’00”
6.48
15” 30”
5.58 4.6
45”
3.6
02’00”
2.6
Datos del tercer ensayo para la muestra y anillos
Desplaza. Horizontal(cm) 0,00 0.65 1.55 2.55 3.52 4.42 5.4 6.4 7.4 TABLA 6:
Dial de carga 0 4.2 7 8.4 9 9 9.2 9.8 9.9
Fuerza Esfuerzo de de corte(kg/cm2) corte 0.000 0.000 6.774 0.166 11.29 0.277 13.548 0.333 14.516 0.356 14.516 0.356 14.838 0.364 15.806 0.338 16.967 0.417
0,00 0,40 0,66 0,75 0,85 0,97 0,98 0,98 1,00
cálculo del máximo esfuerzo cortante para el tercer ensayo
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ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL Es un método estadístico que se utiliza para encontrar en este caso la ecuación de la recta a partir de 3 puntos.
Donde:
Sumando las ecuaciones (7) y (8)
( ) Donde:
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Tabla 05: Datos obtenidos de los gráficos de Esfuerzo cortante vs Desplazamiento horizontal
2
n
x
y
xy
x
1
0.5 1 1.5
0.200 0.293 0.417 Σy = 0.91
0.100 0.293 0.626 Σxy = 1.019
0.25 1 2.25 2 Σx = 3.5
2 3
Σx = 3
TABLA 7:
datos finales necesarios para encontrar la recta
Reemplazando en la ecuación (9) obtenemos :
Reemplazando los valores obtenidos en la ecuación (10):
De esta manera obtenemos la cohesión y el ángulo de fricción interna:
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Y de esta manera obtenemos la ecuación de la recta:
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E1.5 T N A T R O 1.0 C O Z R E U F S0.5 E
ESF. NORMA…
0.0
0.0
0.5
1.0 1.5 ESFUERZO NORMAL
2.0
Gráfico 04: Obtenido a partir de la ecuación (11)
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ENSAYO DE CORTE DIRECTO 8. CALCULO DE LA RESISTENCIA DEL SUELO
Calcular el valor de la capacidad de carga límite y la capacidad de carga admisible, para un suelo sobre el que se va a cimentar una zapata rectangular de 1.2x1.7 m 2 de ancho y que tiene las siguientes características:
Tipo de suelo: Arena arcillosa compresible Tipo de falla: por punzonamiento SOLUCIÓN:
Por tanto:
*( )+[( )][( )] La capacidad de carga admisible es:
La capacidad de carga neta es:
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9. CONCLUSIONES 9.1 El ensayo de corte directo es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia. 9.2 Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia al corte en sus condiciones. 9.3 El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados. 9.4 La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. 9.5 Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar
a unos
esfuerzos normales actuales. 9.6 Su cohesión es de:
9.7Su ángulo de fricción Interna :
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10.RECOMENDACIONES 10.1
Para realizar este ensayo se requiere de un mínimo de tres
personas, ya que se tendrá que dar lectura de los datos obtenidos como son del dial horizontal y el dial de carga, además de la persona que está aplicando el esfuerzo normal. 10.2
Se debe tener cuidado en el ingreso de las muestras para efectos
del ensayo de cortante, ya que las muestras deben ingresar en orden de menor a mayor peso; y a partir de ello aplicar las cargas correspondientes. 10.3
Es recomendable que se hallen los esfuerzos de falla máximos en
condiciones de saturación, es decir en las peores condiciones, lo cual permitirá obtener óptimos resultados en el momento de evaluación, propuesta y ejecución del proyecto, e incluso se pueden realizar en estados desfavorables para la construcción de la edificación.
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11. BIBLIOGRAFIA Y LINCOGRAFIA
11.1
Fundamentos de Ingeniería Geotecnia. Braja. M. Das.
11.2
Mecánica de Suelos y Cimentaciones. Carlos Crespo Villalaz.
11.3
Ingeniería de Cimentaciones. Manuel Delgado Vargas.
11.4
http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-24.pdf.
11.5
ttp://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_lab
oratorio.
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