ENSAYO DE CORTE DIRECTO Objetivos: Mediante este ensayo se determina el ángulo de fricción interno (υ)y la cohesión(c)testigos de roca y con estos parámetros la resistencia al esfuerzo cortante (t). Aprender la utilización de equipos equipos de perforación para la extracción de testigos. Conocer los esfuerzos mediante el ensayo de corte directo.
Equipos:
Equipo de corte directo
Equipo (dial) para para medir desplazamientos horizontales (en dirección dirección de la aplicación de la fuerza cortante) con escala graduada con capacidad de medir hasta 25 mm
Equipo de perforación (saca testigos)
Molde para encapsular el testigo en la mezcla.
Balanza
Cortadora
Escuadra:
Fundamento teórico: Ensayo de corte directo 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. Para conocer una de estas resistencias en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (Ph) creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra.
Esquema del aparato de corte directo
El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos:
un esfuerzo normal
(σ n), aplicado externamente debido a la carga
vertical (Pv).
un esfuerzo cortante (τ), debido a la aplicación de la carga horizontal.
Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (A) de la muestra o de la caja de corte y deberían satisfacer la ecuación de Coulomb:
τ = c + σ n * Tg (υ) Según esta ecuación la resistencia al corte depende de la cohesión (c) y la
fricción interna del suelo (υ). Al aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo la s deformaciones y con estos valores es posible graficar la tensión de corte (τ), en función de la deformación ( ε ) en el plano de esta tensión de corte. De la gráfica es posible tomar el punto máximo de tensión de corte como la resistencia al corte del suelo.
Los valores de τ se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal (σ n), obteniendo la recta intrínseca, donde τ va como ordenada y σ n como abscisa.
El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo υ y el intercepto con el eje τ , la cohesión c .
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 ecuación” t f =
c +
σ n
*
tg ``Φ´´ 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 tg Φ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados los valores de t (generalmente con
contra σn para los diferentes ensayos
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.
PROCEDIMIENTO:
PREPARACIÓN DE TESTIGOS:
a) Para iniciar nuestro con nuestra practica se
empleo testigos cilíndricos o
bloques de roca de geometría regular. El testigo debe tener las dimensiones adecuadas para que pueda ser colocado en el molde. Los testigos no requieren de ningún tratamiento superficial.
b)
Luego preparar el testigo cortándolo en dos partes de 7
cm de longitud.
Obteniendo asi 4 muestras de estas dimensiones.
c) Se prepara una mezcla de arena, cemento y agua de secado rápido y resistencia media. La proporción en volumen de arena-cemento es de 3 a 2 y se emplea 700 ml de agua para la preparación de un molde.
d) Luego se cubre el interior del molde con una película de grasa para facilitar remover el testigo después del secado de la mezcla. e) Seguidamente se coloca el sujetador de testigo sobre el molde y se coloca entre sus agarraderas el testigo teniendo cuidado que el plano cortante propuesto esté alineado con la posición del plano horizontal de aplicación de la carga cortante y el eje de aplicación de la carga normal. Se ajusta el sujetador de manera que el testigo no se mueva de la posición deseada (ver figura…).
f)
Verter la mezcla en el molde procurando que este se extienda y no haya acumulación de aire en el interior que genera espacios vacíos.
g) Se remueven los lados del molde y se arma la otra mitad. También se retira el sujetador. Al igual que la otra parte la engrasamos y llenamos el molde con la cantidad suficiente de mezcla para que cuando se introduzca el testigo no sea necesario aumentar o retirar una cantidad considerable de mezcla ya que el acceso será difícil. La mitad que contiene el testigo la volteamos y la colocamos apropiadamente sobre la mitad que acabamos de preparar luego ajustamos los tornillos del molde para asegurar el alineamiento requerido. Se
añade o remueve pequeñas cantidades de mezcla con una paleta a través de la ranura. Dejar secar los moldes tres días como mínimo.
h) Luego se desmolda el testigo, y así el testigo estará listo para ser ensayado.
a) Se registra el diámetro o las dimensiones de la zona escogida para calcular el área de deslizamiento.
b) Se coloca el testigo (encapsulado en la mezcla) en la parte inferior de la caja y se coloca la parte superior de la caja sobre ella. Se hacen coincidir las partes cortadas en forma manual. Se empezará el ensayo aplicando una carga normal pequeña para mantener la posición.
c) Se fija el medidor de desplazamientos en la parte superior como se muestra en la figura 5 para lograr registrar los movimientos horizontales.
d) Se aplica la carga normal requerida con la bomba manual, se registra y se mantiene constante, luego se aplica la carga cortante gradualmente. Se registran los desplazamientos horizontales y las cargas cortantes respectivas. Al llegar al máximo valor de fuerza cortante se registra este valor y su
desplazamiento. Se sigue aplicando carga cortante hasta que ésta se mantiene constante, entonces habremos hallado el valor de esfuerzo cortante residual.
e) Se repite este proceso incrementando la carga normal con una razón constante. f)
Volvemos a colocar el testigo en su posición inicial, teniendo cuidado que el detrito producido por el corte no se pierda del plano de ensayo. Obtenemos en cada ensayo los valores correspondientes al esfuerzo cortante máximo y residual.
Como se puede observar, inicialmente se comportan en forma elástica, es decir, el esfuerzo de corte reincrementa linealmente con dicho desplazamiento. Cuando la fuerza que se opone almovimiento (fricción) es superada, la curva adquiere un movimiento no lineal y cae desde un valor pico en el cual es el esfuerzo de corte alcanza su máximo valor (esfuerzo de corte de pico). El esfuerzo de corte requiere para causar un desplazamiento a lo largo De la discontinuidad cae rápidamente y toma un valor constante llamado Esfuerzo de corte residual.
Si los valores de esfuerzo de pico obtenidos en el ensayo para diferentes valores de esfuerzo normal son graficados resultara en la mayoría de los casos una curva similar
Es decir, que se observara que la relación esfuerzo de pico – esfuerzo normal es Prácticamente lineal. La pendiente de dicha línea será igual a la tangente del llamado Angulo de fricción de pico
p) y el intercepto en el eje del esfuerzo de corte es el
esfuerzo cohesivo del material cementante que pudiera tener la discontinuidad analizada, conocida más comúnmente como cohesión (c) El esfuerzo de corte de pico se puede definir de acuerdo a la ecuación de Mohr- coulomb:
RESULTADOS: CARACTERISTICAS DE LA MUESTRA
Área (cm2)………………… 10.75 cm2
Diámetro (cm)…………….. 3.7 cm
APLICACIONES DE CARGA PARA LA PRIMERA PRACTICA DE CORTE ENSAYO Nº 01 Carga Normal (KN)
3 2
Esfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
305.91
28.46
KN
Kg
E mm
0
0.00
0
0.00
1.5
152.96
0
14.23
2
203.94
0.1
18.97
2.5
254.93
1
23.71
2.5
254.93
2
23.71
2.8
285.52
3
26.56
2.5
254.93
4
23.71
2.5
254.93
5
23.71
2.4
244.73
6
22.77
2.6
265.12
7
24.66
2.5
254.93
8
23.71
2.5
254.93
9
23.71
2.2
224.33
10
20.87
2.5
254.93
11
23.71
2.5
254.93
12
23.71
2.6
265.12
13
24.66
2.8
285.52
14
26.56
2.9
295.71
15
27.51
2.9
295.71
16
27.51
2.8
285.52
17
26.56
2.9
295.71
18
27.51
2.9
295.71
19
27.51
2.1
214.14
20
19.92
2.1
214.14
21
19.92
1.8
183.55
22
17.07
1.5
152.96
23
14.23
1.5
152.96
24
14.23
τ
(Kg/cm2)
E vs τ 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 -5
0
5
10
15
20
25
30
ENSAYO Nº 02 Carga Normal (KN)
6 2
Esfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
611.82
56.91
KN
Kg
E mm
0
0.00
0
0.00
40.00
1
101.97
0
9.49
35.00
1.5
152.96
0
14.23
2
203.94
0
18.97
2.5
254.93
0
23.71
25.00
3
305.91
0
28.46
20.00
3.5
356.90
0.25
33.20
3.8
387.49
1
36.05
4
407.88
2
37.94
3.8
387.49
3
36.05
2.2
224.33
4
20.87
2.1
214.14
5
19.92
2.2
224.33
6
20.87
2.7
275.32
7
25.61
2.1
214.14
8
19.92
2.9
295.71
9
27.51
2.9
295.71
10
27.51
2.8
285.52
11
26.56
2.8
285.52
12
26.56
2.9
295.71
13
27.51
2.8
285.52
14
26.56
2.8
285.52
15
26.56
2.9
295.71
16
27.51
2.9
295.71
17
27.51
3
305.91
18
28.46
3.5
356.90
19
33.20
3.5
356.90
20
33.20
3
305.91
21
28.46
3
305.91
22
28.46
3
305.91
23
28.46
2.9
295.71
24
27.51
τ
(Kg/cm2)
E vs τ
30.00
15.00 10.00 5.00 0.00 -5
0
5
10
15
20
25
30
ENSAYA Nº 03 Carga Normal (KN)
9 2
Esfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
91773
8537
KN
Kg
E mm
0
0.00
0
0.00
1
101.97
0
9.49
1.5
152.96
0
14.23
2
203.94
0
18.97
2.5
254.93
0
23.71
3
305.91
0.25
28.46
4
407.88
0.24
37.94
3.5
356.90
0.74
33.20
4
407.88
1.75
37.94
3.9
397.68
2
36.99
10.00
4.6
469.06
3
43.63
0.00
6
611.82
4
56.91
6.5
662.81
5
61.66
6.5
662.81
6
61.66
6.4
652.61
7
60.71
6.4
652.61
8
60.71
6.4
652.61
9
60.71
6
611.82
10
56.91
5.8
591.43
11
55.02
5.8
591.43
12
55.02
5.8
591.43
13
55.02
5.5
560.84
14
52.17
5.1
520.05
15
48.38
4.9
499.65
16
46.48
4.5
458.87
17
42.69
4
407.88
18
37.94
3.5
356.90
19
33.20
2.9
295.71
20
27.51
3
305.91
21
28.46
3.2
326.30
22
30.35
3.2
326.30
23
30.35
2.9
295.71
24
27.51
τ
(Kg/cm2)
E vs
τ
10
15
70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00
-5
0
5
20
25
30
RESULTADO DE LOS TRES ENSAYOS PARA HALLAR EL ANGULO DE FRICCION Y LA COHESION ENSAYO Nº
1
2
3
CARGA NORMAL (Kg)
3
6
9
ESFUERZO NORMAL (Kg/cm2)
28.46
56.91
85.37
ESFUERZO TANGENCIAL (Kg/cm2)
27.51
33.2
61.66
EN vs ESFUERZO TANGENCIAL 70
y = 0.6001x + 6.6367
60 50
EN vs ESFUERZO TANGENCIAL
40 30
Lineal (EN vs ESFUERZO TANGENCIAL)
20 10 0 0
20
40
60
80
formula Angulo de fricción (ᶲ) cohesión
ᶲ=acrtg (0.6001)
100
resultado 30.97 6.64
APLICACIONES DE CARGA PARA LA SEGUNDA PRACTICA DE CORTE ENSAYO Nº 01 Carga Normal (KN)
3 2
Esfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
305.91
28.46
KN
Kg
E mm
0
0.00
0
0.00
40.00
1
101.97
0
9.49
35.00
1.5
152.96
0
14.23
2
203.94
0
18.97
2.5
254.93
0.25
23.71
25.00
3
305.91
0.5
28.46
20.00
2.5
254.93
3
23.71
3
305.91
4
28.46
3.5
356.90
5
33.20
3.2
326.30
6
30.35
3
305.91
7
28.46
3
305.91
8
28.46
3
305.91
9
28.46
3
305.91
10
28.46
3
305.91
11
28.46
3
305.91
12
28.46
3
305.91
13
28.46
3
305.91
14
28.46
3
305.91
15
28.46
3.1
316.11
16
29.41
3.2
326.30
17
30.35
3.2
326.30
18
30.35
3.5
356.90
19
33.20
3.5
356.90
20
33.20
3.5
356.90
21
33.20
3.2
326.30
22
30.35
3.5
356.90
23
33.20
3.5
356.90
24
33.20
τ
(Kg/cm2)
E vs τ
30.00
15.00 10.00 5.00 0.00 -5
0
5
10
15
20
25
30
ENSAYO Nº 02 Carga Normal (KN)
6 2
Esfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
611.82
56.91
KN
Kg
E mm
0
0.00
1
0.00
1
101.97
1.45
9.49
1.5
152.96
1.49
14.23
2
203.94
1.5
18.97
2.5
254.93
1.6
23.71
3
305.91
1.75
28.46
3.5
356.90
1.75
33.20
4
407.88
2
37.94
4.5
458.87
2.25
42.69
5
509.85
2.75
47.43
5
509.85
3.5
47.43
3
305.91
4
28.46
3.5
356.90
5
33.20
3.5
356.90
6
33.20
3.5
356.90
7
33.20
3.5
356.90
8
33.20
3.5
356.90
9
33.20
3
305.91
10
28.46
3
305.91
11
28.46
3.2
326.30
12
30.35
3.5
356.90
13
33.20
3.2
326.30
14
30.35
2.8
285.52
15
26.56
3
305.91
16
28.46
3
305.91
17
28.46
3
305.91
18
28.46
3
305.91
19
28.46
3.1
316.11
20
29.41
2.8
285.52
21
26.56
2.8
285.52
22
26.56
2.8
285.52
23
26.56
τ
(Kg/cm2)
E vs τ 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0
5
10
15
20
25
ENSAYA Nº 03 Carga Normal (KN)
9 2
.k078m,klEsfuerzo Normal (Kg/cm )
FH
Carga normal (Kg)
91773
8537
KN
Kg
E mm
0
0.00
0
0.00
1
101.97
0
9.49
1.5
152.96
0
14.23
2
203.94
0
18.97
2.5
254.93
0
23.71
3
305.91
0
28.46
3.5
356.90
0
33.20
4
407.88
0.5
37.94
4.5
458.87
0.5
42.69
4.5
458.87
0.5
42.69
5
509.85
0.8
47.43
5.5
560.84
1.4
52.17
6
611.82
2
56.91
5.5
560.84
3
52.17
6
611.82
4
56.91
6
611.82
5
56.91
6
611.82
6
56.91
6.2
632.21
7
58.81
6
611.82
8
56.91
6
611.82
9
56.91
5.5
560.84
10
52.17
5
509.85
11
47.43
4.5
458.87
12
42.69
4.5
458.87
13
42.69
4
407.88
14
37.94
3.5
356.90
15
33.20
3.5
356.90
16
33.20
3
305.91
17
28.46
3
305.91
18
28.46
3.5
356.90
19
33.20
3.5
356.90
20
33.20
3.5
356.90
21
33.20
3.5
356.90
22
33.20
3
305.91
23
28.46
5
509.85
23
47.43
τ
(Kg/cm2)
E vs τ 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 -5
0
5
10
15
20
25
RESULTADO DE LOS TRES ENSAYOS PARA HALLAR EL ANGULO DE FRICCION Y LA COHESION ENSAYO Nº
1
2
3
CARGA NORMAL (Kg)
3
6
9
28.46
56.91
85.37
33.2
47.43
58.81
ESFUERZO NORMAL (Kg/cm2) ESFUERZO TNGENCIAL (Kg/cm2)
EN vs ESFUERZO TANGENCIAL 70
y = 0.45x + 20.869
60 50
EN vs ESFUERZO TANGENCIAL
40 30
Lineal (EN vs ESFUERZO TANGENCIAL)
20 10 0 0
20
40
60
80
formula
Angulo de fricción (ᶲ) cohesión
ᶲ=acrtg (0.45)
100
resultado 24.23 20.869
RECOMENDACIONES: Al perforar los testigos de debe poner la roca bien sujeta para que no se mueva. La corriente de agua en la perforadora debe ser continuo. Cada muestra se debe cortar a 7 cm. La mezcla que se utilizara debe estar correctamente hecha, con las cantidades correctas son 2 porciones de arena y una porción de cemento. Cuando ejerzamos el esfuerzo normal procurar que no varía la cantidad definida El dial con el cual verificaremos el desplazamiento estar siempre bien calibrado y bien colocado.
CONCLUSIONES
El ángulo de fricción interna actúa mientras la roca no ha fallado mientras que el ángulo de fricción residual actúa cuando se ha producido la falla. Para desplazamientos pequeños el testigo se comporta elásticamente y el esfuerzo lineal se incrementa linealmente con el desplazamiento El componente de cohesión del esfuerzo cortante es independiente del esfuerzo normal. La determinación del esfuerzo cortante de un testigo de roca es importante en el diseño de estructuras El esfuerzo cortante cae rápidamente y se vuelve constante y lo llamamos esfuerzo residual
BIBLIOGRAFIA
Libro de Excavaciones
Mecánica de Rocas - la minería- BarrinsMeings
Libro de Mecánica de rocas.
www.slideshare.net/Irveen/mecanica-de-rocas
www.aimecuador.org/.../Problemas_actuales_Mec_Roc_Mineria.pdf
Subterráneas……. Hoek and Brown
ANEXOS Perforación de testigos
Corte a medida de testigos
Mezcla para el ensaño
Preparar el testigo para el ensaño de corte directo
Fijación de nuestra muestra y de las agujas
Colocación y calibración del distanciometro
Proceso de ensaño aplicando fuerzas y anotando los resultados
Termino del ensaño
Ensayo de esfuerzos