SUELOS COHESIVOS (07-07-2011)

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SUELOS COHESIVOS (07-07-2011) - slide pdf.c om

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA. NUCLEO NUEVA ESPARTA.

INGENIERIA CIVIL. MECANICA DE SUELOS

REALIZADO POR: León, Rafael Salazar, Aleannys Petit, Jorge

C.I.: 16.932.190 17.110.194 20.111.187

SECCION: 54413-01 N

JUANGRIEGO, 07 DE JULIO DE 2011

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INDICE INDICE ............................................................................................................................................ ii INTRODUCCION. ............................................................................................................................ iv 1.-RESISTENCIA AL CORTE DE LOS SUELOS COHESIVOS ................................................................... 5 2.-ASPECTOS FISICO-QUIMICOS...................................................................................................... 5 3.-COHESION VERDADERA. ............................................................................................................. 9 4.-COHESION APARENTE. ............................................................................................................. 10 5.-ALGUNOS ASPECTOS DE LA ESTRUCTURA DEL SUELO. ...................................................... ........ 12 Caracterización de la Estructura. Métodos para determinar la misma....................................... 14 6.-PRECONSOLIDACION Y CAMBIO DE VOLUMEN. ........................................................................ 16 7.-ENSAYOS TRIAXIALES. .............................................................................................................. 17 Análisis del Ensayo no Consolidado no Drenado. ...................................................................... 18 Significado y Uso .................................................................................................................. 18 Aparatos ............................................................................................................................... 19 Espécimen de Prueba ........................................................................................................... 21 Procedimiento ...................................................................................................................... 23 Cálculos ................................................................................................................................ 25 Precisión y Exactitud ............................................................................................................. 26 Análisis del Ensayo Consolidado Drenado. ................................................................................ 27 Resumen del Método ........................................................................................................... 28 Aparatos ............................................................................................................................... 28 Espécimen de Ensayo ........................................................................................................... 30 Procedimiento ...................................................................................................................... 31 Cálculo ................................................................................................................................. 33 8.-PARAMETROS DE PRESION DE POROS. ..................................................................................... 33 9.-CRITERIO DE FALLA DE MOHR-COULOMB. ................................................................................ 34 Análisis en Términos de Esfuerzo Efectivo. ............................................................................... 36 Análisis en Términos de Esfuerzos Totales. ............................................................................... 37 10.-TRAYECTORIA DE ESFUERZOS. ................................................................................................ 37 11.-METODOS PARA LA DETERMINACION DE LA RESISTENCIA. ..................................................... 39 Arcillas Normalmente Consolidadas de Baja o Moderada Sensibilidad. ..................................... 39 ii


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Arcillas Ultrasensitivas. ............................................................................................................. 40 Arcillas Preconsolidadas con Fisuras. ........................................................................................ 41 Arcillas Preconsolidadas Intactas. ............................................................................................. 42 CONCLUSION. .............................................................................................................................. 44 ANEXOS........................................................................................................................................ 45 BIBLIOGRAFIAS. ............................................................................................................................ 47

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INTRODUCCION. Los suelos están conformados por partículas de diferentes tamaños, y poseen una serie de características físico químicas que los identifican. En un área pequeña de suelo, es posible hallar distintos tipos de suelos muy distintos entre ellos. Todos estos detalles, son necesarios conocerlos al momento de realizar cualquier tipo de construcción que se desee levantar sobre un suelo, y es allí donde entran los estudios de suelos, que nos permiten obtener la información que requerimos para hacer el diseño mas seguro y adecuado en concordancia con las capacidades que brinde el suelo a intervenir. Los suelos cohesivos, son suelos que poseen características de cohesión y plasticidad. Dichos suelos pueden ser granulares con parte de arcilla o limo orgánico, que les importen cohesión y plasticidad, o pueden ser arcillas o limos orgánicos sin componentes granulares. Son suelos arcillosos y limosos o sea material de grano muy fino. Estos suelos, presentan una serie de características, condiciones, comportamientos y reacciones, las cuales están debidamente estudiadas por la mecánica de suelos, cuyos temas principales relacionados con estos suelos, como las distintas reacciones que estos puedan presentar, los métodos y ensayos a realizarle a estos suelos, entre otros importantes aspectos relacionados con los mismos, están desarrollados en el contenido de este informe, ya que representa un punto importante de conocer en nuestro aprendizaje, y de llevar a cabo posteriormente en nuestra profesión.

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1.-RESISTENCIA AL CORTE DE LOS SUELOS COHESIVOS La resistencia al corte puede ser definida como el máximo valor que la tensión cortante puede alcanzar, a lo largo de un plano cualquiera en el interior del macizo, sin que se verifique la rotura de la estructura del suelo. Siendo que una grande parte de esta resistencia proviene de la fricción entre las partículas del suelo, esta depende de la tensión normal aplicada sobre este plano. Por otro lado, la mayoría de los problemas de empuje puede ser aproximada a un estado plano de deformación, considerando apenas la sección principal del conjunto sueloestructura y admitiendo que todas las otras secciones sean iguales a esta.

2.-ASPECTOS FISICO-QUIMICOS. El comportamiento al corte de los suelos arcillosos es mucho más complejo que suelos granulares. Esto se debe al tamaño de las partículas que componen las arcillas. Se considera como arcilla la fracción de suelo compuesta por partículas de tamaño menor que 0,002 mm. En estas condiciones, la superficie específica, definida como la relación entre la superficie total de todas las partículas y el volumen total del suelo, es mucho mayor en el caso de las arcillas. Esto hace que las fuerzas de superficie de naturaleza físico-químicas se tornen preponderantes en el comportamiento del suelo. Estas fuerzas dependen mucho de la distancia entre las partículas. Además, la resistencia al corte aumenta con la consolidación, cuando las partículas son aproximadas unas de las otras por efecto de una carga. Cuando esta carga es retirada, las fuerzas de superficie impiden el retorno de las partículas a la situación anterior y surge entonces la cohesión. La presencia de agua en los vacíos del suelo arcilloso también influye en su resistencia. Esto se debe en parte al hecho que el agua provoca el apartamiento de las partículas, disminuyendo la cohesión. Otra característica importante ligada a la presencia de agua, que influye en el comportamiento de los suelos arcillosos, es su baja permeabilidad. Mientras que en las arenas cualquier exceso de la presión de poros provocado por las cargas se 5


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disipa casi inmediatamente, en el caso de las arcillas esta disipación es mucho más lenta. Además, la presión de poros originada por las cargas continua actuando después de terminada la construcción, por años. Se distinguen, por lo tanto, dos situaciones opuestas. La situación inmediatamente posterior a la aplicación de la carga, cuando poca o ninguna disipación de presión de poros ha existido, se la llama situación de corto plazo o no drenada y aquella de largo plazo o drenada, después de la total disipación de toda la presión de poros causada por las cargas. El comportamiento del suelo en cada una de esas dos condiciones es diferente y el proyecto debe tener en cuenta esta diferencia. La envolvente de resistencia obtenida en este tipo de ensayo es denominada envolvente rápida ³su´. Esta envolvente es utilizada en el análisis de situaciones de corto plazo cuando se admite que en el campo no ocurre disipación de la presión de poros ocasionada por la carga aplicada sobre el suelo. Además de eso, se admite también que el valor de la presión de poros que actúa en el campo es semejante a la que actúa en el ensayo rápido y, por lo tanto, no necesita ser determinada. En el caso de suelos saturados, los ensayos rápidos conducen a una envolvente sin fricción del tipo: su = cu

donde ³cu´, es llamada cohesión no drenada. Esto ocurre porque el aumento de presión confinante no se traduce en un aumento de la resistencia del suelo ya que sin drenaje no ocurre consolidación y entonces el aumento del confinamiento es transferido para el agua y se traduce en un aumento igual de la presión de poros. La tabla 1 muestra valores típicos de la resistencia no drenada ³su´ de arcillas saturadas en función de su consistencia.

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Consistencia

Su (kPa)

Características

Muy Blanda

0-10

Blanda

10-20

Fácilmente moldeada por los dedos.

Firme

20-40

Moldeada por fuente presión de los dedos.

Compacta

40-60

Deformada por fuente presión de los dedos.

Muy Compacta

60-80

Dura

> 80

Fluye entre los dedos cuando la mano está cerrada.

Poco deformada por fuente presión de los dedos. Poco deformada por la presión de un lápiz.

Tabla 1. Resistencia no drenada ³su´ de arcillas saturadas.

Para suelos parcialmente saturados hay un aumento de la resistencia con el aumento del confinamiento. Esto hace que la envolvente ³su´ presente una parte de fricción. En general se considera que la situación de saturación completa es más crítica y, entonces, se desprecia esa fricción. En el otro extremo, la situación a largo plazo está caracterizada por la disipación de toda la presión hidrostática causada por la carga. La envolvente de resistencia que representa esta situación es definida como envolvente efectiva ³s'´ y es utilizada para analizar situaciones en que toda la presión hidrostática causada por la carga se haya disipado. En este caso el análisis es hecho en términos de tensiones efectivas y es necesario determinar las presiones hidrostáticas causadas por la capa freática, cuando presente. En arcillas normalmente consolidadas y saturadas la envolvente efectiva ³s'´ no presenta cohesión:

     donde ³´ es la tensión normal efectiva e ³'´ es el ángulo de fricción efectivo del suelo.

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La tabla 2 muestra valores del ángulo de fricción efectivo ³'´ de arcillas en función del índice de plasticidad. Índice de Plasticidad (%)

 (Grados)

15 30

30 25

50

20

80

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Tabla 2. Ángulo de fr icción efectivo ³´ de arcillas

La cohesión efectiva surge apenas en las arcillas preconsolidadas, como efecto de la sobre densificación del suelo. Para presiones confinantes por debajo de la presión de preconsolidación, la resistencia al corte es superior a la de la arcilla normalmente consolidada. Se aproxima esta envolvente a una recta en un intervalo de tensiones de trabajo que incluye tensiones por debajo de la presión de preconsolidación, quedando la envolvente efectiva:

    donde ³c'´ es la cohesión efectiva. En la determinación de los empujes, actuantes sobre estructuras de contención, en general es más indicado el análisis en términos de tensiones efectivas, utilizando el envolvente de resistencia efectiva del suelo. Esto porque el hipótesis de empuje activo caracteriza una descarga del suelo y la situación a largo plazo es, en general, más desfavorable. De esta forma, aún en el caso de macizos formados por suelos arcillosos, la cohesión efectiva es muy pequeña, o hasta nula. Por esto, es común desconsiderar completamente la cohesión en el cálculo del empuje activo sobre estructuras de contención.

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3.-COHESION VERDADERA. En muchas arcillas esta atracción entre partículas como consecuencia de la tensión superficial, se pierde rápidamente si la muestra se sumerge en agua, ya que la muestra absorbe agua, los meniscos aumentan de radio con lo cual los esfuerzos que mantienen unidas a las partículas disminuyen, las partículas se separan y la muestra se desgrana totalmente o en trozos perdiendo de esta forma la cohesión aparente debida a la tensión superficial. En otros tipos de arcilla esta pérdida de cohesión no se manifiesta cuando son sumergidas en agua. Evidentemente en estos casos las partículas son retenidas por fuerzas de otro tipo, que no alcanzan a ser destruidas, por la inmersión en agua. Estas fuerzas pueden ser de carácter electrostático, que son generadas por la película de agua absorbida que se forma sobre cada partícula. O derivar de agentes cementantes naturales o no, como es el caso del cemento Portland cuando lo mezclamos con suelos para hacer suelo-cemento. A esta forma casi permanente de resistencia al corte, o resistencia al desplazamiento relativo de partículas adyacentes motivada por esta fuerza de origen interno se la denomina cohesión verdadera (las pizarras por ejemplo son arcillas con una elevada cohesión verdadera). Por su parte la cohesión verdadera de los suelos se refiere a la relación que existe entre el peso de suelo seco al horno y el volumen que ocupan sólo las partículas sólidas, es decir omitiendo los poros. Para la mayoría de los minerales constituyentes del suelo la densidad va a estar entre 2.6 gr/cc y 2.7 gr/cc, por lo que es razonable usar en valor de 2.65 gr/cc de densidad real, para aquellos casos donde en necesario conocerla.

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4.-COHESION APARENTE. El suelo como todo cuerpo poroso tiene dos cohesiones. La cohesión verdadera (cohesión media de sus partículas sólidas) y la cohesión aparente (teniendo en cuenta el volumen de poros). La cohesión aparente refleja el contenido total de porosidad en un suelo y es importante para el manejo de los suelos (refleja la compactación y facilidad de circulación de agua y aire). También es un dato necesario para transformar muchos de los resultados de los análisis de los suelos en el laboratorio (expresados en % en peso) a valores de % en volumen en el campo. Se podría definir densidad aparente como la relación que existe, entre el peso de suelo seco al horno y el volumen que este ocupa tomando en cuenta lo poros, así que las unidades en que se expresa la Da son gr/cc. El peso de suelo seco al horno (Pssh) se refiere al peso que tiene el suelo luego de ser sometido a secado en una estufa a 105ºC de 24 a 48 horas, de acuerdo al contenido de materia orgánica y de arcillas. Existen varios métodos para determinar la cohesión aparente de los suelos. El método del hoyo o excavación es fácil de realizar, ya que consiste en abrir un hoyo de forma rectangular en la superficie del suelo, retirar todo el suelo que de él se extraiga para luego pesarlo, y en una submuestra determinar el porcentaje de humedad en el laboratorio. El volumen de suelo se puede determinar cubriendo la superficie del hoyo con un material plástico, no permeable y agregar agua hasta alcanzar la superficie original del suelo. De esta manera se puede calcular la relación de Pssh/volumen. El método del cilindro Uhland (ver Fig. 1) permite tomar muestras de suelo de la siguiente manera: se toma el muestreador tipo Uhland, dentro del cual se encajan anillos metálicos de un diámetro igual a 7,50 cm y una altura de 7,50 cm (en su defecto del tamaño del que se disponga). El muestreador se introduce en el suelo ejerciendo una presión vertical, dejando caer el martillo de manera 10


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constante, luego se retira el aparato con el cilindro de suelo, tratando de enrasar con un cilindro el exceso de material sobrante. El cilindro metálico con el suelo es trasladado al laboratorio en bolsas plásticas bien identificadas para determinarle el volumen y peso seco, obtenido en una estufa a 110 ºC durante 24 horas.

Figura 1. Muestreador Uhland.

Cálculos: 

     

Donde:

Da: densidad aparente del suelo (g/cm3) Pssh: peso suelo seco al horno (g) R: radio del cilindro metálico (cm) L: altura del cilindro metálico (cm) La densidad aparente ideal está alrededor de 1.33 gr/cc, pudiendo tomar valores más altos en los casos, por ejemplo, cuando existen procesos de pérdidas de poros o compactación (1.8 gr/cc) o valores bajos cuando existe riqueza de materia orgánica (0.8 gr/cc).

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Dentro de los factores que afectan la densidad aparente se encuentran: y

La profundidad de los horizontes.

y

El contenido de materia orgánica.

y

Textura del suelo.

Tanto la cohesión aparente como la verdadera reciben el nombre general de cohesión y se identifica en la Mecánica de suelos con la letra ³c´.

5.-ALGUNOS ASPECTOS DE LA ESTRUCTURA DEL SUELO. Se la define como el arreglo de las partículas del suelo. Se debe entender por partículas, no solo las que fueron definidas como fracciones granulométricas (arena, arcilla y limo), sino también los agregados o elementos estructurales que se forman por la agregación de las fracciones granulométricas. Por lo tanto, partícula designa a toda unidad componente del suelo, ya sea primaria (arena, limo, arcilla) o secundaria (agregado o unidad estructural). El arreglo entre las partículas del suelo, la estructura, determina el espacio entre las mismas, que son predominantemente macroporosos. Según el nivel de observación, se puede hablar de macroestructura o microestructura. La macroestructura, es el arreglo de las partículas secundarias y primarias visibles a simple vista. La microestructura es el arreglo de las partículas primarias para formar las secundarias; de ella depende en alto grado la macroestructura. Al atender a la microestructura, se observa que los componentes coloidales del suelo (plasma) actúan como cemento de los granos más gruesos (esqueleto). La figura 2 presenta una clasificación de la macroestructura según el Soil Survey Manual del U.S.D.A. (1951).La estructura granular o migajosa presenta unidades esféricas o casi esféricas, con bordes y caras más o menos redondeados. Los contactos entre estas unidades se dan en pocos puntos y queda mucho espacio entre ellos (algo similar a lo que ocurre entre los granos de arena). Si las unidades mayores son desarmadas, se ve que están compuestas 12


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por unidades más pequeñas que poseen las mismas características. Se desprende de lo anterior que las partículas secundarias tienen porosidad interna (cosa que no ocurre en los granos de arena).

Figura 1. Ilustración de algunos tipos de estr uctura de suelo: A pr ismática, B columnar, C bloques angulares, D bloques subangulares, E laminar y F granular.

El otro extremo, la estructura a grano simple, es el resultado de la ausencia de plasma (coloides), por lo que los granos de arena y limo no están formando agregados. La porosidad aquí, depende de la textura y del empaquetamiento de las partículas primarias. En las estructuras prismáticas los agregados presentan caras definidas y los contactos entre agregados presentan caras definidas y los contactos entre agregados son a través de caras. El empaquetamiento entre estas unidades es normalmente denso. Si rompen en agregados más pequeños, es a través de caras. Por lo tanto, los agregados son densos y en general menos porosos que los de la estructura granular. Se puede decir en general, que a estructura empeora desde el extremo granular al de grano simple. Es decir, las condiciones de arraigamiento, dinámica 13


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del aire y dinámica del agua son peores. Sin embargo, existen suelos de estructura a grano simple (en el país hay ejemplos) que poseen muy buenas condiciones físicas, mejores que las de muchos suelos bien estructurados, se trata de suelos de texturas arenosas. La estructura del suelo y su estabilidad juegan un rol fundamental en muchos procesos del suelo y su interacción con las plantas: erosión, infiltración de agua, exploración radicular, aireación y resistencia mecánica. Esto indica que todas las prácticas agronómicas deberían hacerse con carácter de conservación de la misma.

Caracter ización de la Estr uctura. Métodos para deter minar la misma La caracterización de la estructura, se puede hacer morfológica o cuantitativamente. La evaluación morfológica de la estructura, consiste en determinar el tamaño, la forma y el grado en que se manifiesta la estructura de cada horizonte del suelo. Las medidas cuantitativas se pueden clasificar en tres grupos: a) Las que determinan la distribución por tamaño de los agregados junto con su resistencia a la destrucción (estabilidad). b) Las que determinan el porcentaje de fracciones finas que se encuentran agregada en unidades mayores. Esta es una medida de la agregación que en general se correlaciona con la estabilidad. c) Las medidas de densidad aparente, macroporosidad y penetrabilidad, que son índices indirectos del estado estructural del suelo. El método más usado dentro del grupo a, es el de tamizado en húmedo. La muestra de suelo se ubica en el tamiz superior de una batería de tamices con aberturas sucesivamente más pequeñas hacia abajo. El conjunto se sumerge y levanta en agua mecánicamente a un ritmo determinado y durante un tiempo estándar. Pasado este tiempo, se determina el peso seco de los agregados que 14


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quedaron en cada tamiz, así como de la parte que se dispersó totalmente por el tratamiento. De esta forma se obtiene la distribución por tamaño de los agregados resistentes a la destrucción por este tratamiento. Es normal efectuar el mismo tratamiento a otra muestra similar, pero fuera del agua. De esta forma, comparando los resultados del tamizado en agua y en seco, se tienen una medida de la resistencia de los agregados a la destrucción por agua. Por detalles sobre esta técnica ver Kemper (1965). Las técnicas del grupo b, han sido empleadas en algunos trabajos con suelos en nuestro país (Sombrock, 1969 C.L.M.) y consisten en determinar, qué porcentaje de la arcilla está dispersa naturalmente en el suelo. Existe una técnica que emplea en parte principios de las del grupo a y b, y que fue utilizada en suelos de nuestro país por Back y Caysials (1971), y se encuentra descripta en el libro de Hemin et al. (1972). Las medidas de los grupos a y b se pueden considerar como índices de la estabilidad de la estructura, y brindan poca (grupo a), o ninguna información (grupo b) sobre el espacio poroso y su distribución por tamaños. Son medidas que tienen utilidad en estudios sobre erosión de suelos, pero al no brindar información sobre el espacio poroso, son índices de poco valor para estudios de dinámica del aire y del agua, y penetración radicular. La determinación de la densidad aparente y la macroporosidad ya se discutieron en el capítulo anterior. Por lo que sólo resta explicar cuál en el método más utilizado para estimar la penetrabilidad del suelo por las raíces, dentro de las medidas indirectas de la estructura (grupo c). La medida de la resistencia a la penetración, se realiza con un instrumento denominado penetrómetro. Este instrumento posee un elemento semejante a una aguja, que se introduce en el suelo por impactos de una determinada magnitud, o por medio de una presión constante. Luego de aplicados cierto número de impactos, o un tiempo determinado de presión constante, según el tipo de aparato, se determina la profundidad de suelo penetrada por la aguja. También se puede 15


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medir la presión o número de golpes requerido para llevar la aguja a una profundidad constante. Las medidas obtenidas con este aparato se toman como índice de la resistencia mecánica que ofrece el suelo al crecimiento radicular, lo cual depende de la magnitud del espacio poroso grueso, y su rigidez, la que es afectada por el contenido de humedad del suelo. Sin embargo la resistencia del penetrómetro es mayor que la resistencia de las raíces. Alguna de las razones que explican esto es que el penetrómetro no puede variar de la línea de avance cuando hay un agregado resistente en el camino. 6.-PRECONSOLIDACION

Y CAMBIO DE VOLUMEN.

La preconsolidación se logra aplicando una sobrecarga sobre un depósito de suelo, la que debe exceder la carga máxima que este va a soportar. Se busca así que la consolidación parcial sea equivalente al mayor grado que alcanzará con la carga máxima, la que requerirá mayor tiempo para producirse. El proceso puede acelerarse por medio de drenes verticales, conectados en su parte superior por un manto de arena que permita la liberación de la humedad. La aplicación de cargas sobre un terreno produce deformaciones que dan lugar a cambios de volumen. Si el suelo esta saturado, los cambios de volumen implican expulsión del agua de los poros. Como la permeabilidad del suelo no es infinita, se necesita tiempo para que se produzca dicha expulsión de agua. En suelos granulares la permeabilidad es tan grande que, para la velocidad habitual de las cargas, el flujo es prácticamente instantáneo, por tanto la aplicación de la carga es con drenaje. En suelos arcillosos, en cambio, la permeabilidad es tan pequeña que el flujo puede durar mucho, y es usual suponer que la carga se aplica sin drenaje. Entonces, esta carga sin flujo de agua provoca un incremento de presión intersticial que luego se va disipando con el tiempo. Este proceso se denomina consolidación. Como consecuencia del proceso anterior, el suelo sufre unas deformaciones que van evolucionando temporalmente a medida que el exceso de presión intersticial se va disipando, aumentando la tensión efectiva del terreno. La 16


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deformación vertical que se produce con un incremento de tensión vertical puede ser debida a distintos fenómenos: 1. Compresión de la materia solida (variación en el volumen de partículas), que puede producirse por: a) deformación de la partícula, b) aplastamiento en los contactos entre partículas (ver Figura) 2. Variación en el volumen de huecos, lo que exige una reacomodación de las partículas de suelo. Esta variación puede producirse por alguna de las siguientes causas: a) compresión elástica del agua y/o del aire, b) disolución del aire en el agua, c) expulsión de agua y/o aire. Por tanto, se puede establecer que, cuando en una situación de suelo saturado no hay drenaje, los cambios de volumen debidos a un cambio de estado tensional son despreciables. Y al contrario, cuando si hay drenaje, se producen cambios de volumen.

7.-ENSAYOS TRIAXIALES. Su principal finalidades obtener parámetros del suelo y la relación esfuerzodeformación a través de la determinación del esfuerzo cortante. Es un ensayo complejo, pero la información que entrega es la más representativa del esfuerzo cortante que sufre una masa de suelo al ser cargada. Consiste en colocar una muestra cilíndrica de suelo dentro de una membrana de caucho o goma, que se introduce en una cámara especial y se le aplica una 17


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presión igual en todo sentido y dirección. Alcanzado ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal ó axial ( 1), sin modificar la presión lateral aplicada ( 3), hasta que se produzca la falla. Realizando por lo menos 3 pruebas, con presiones lateral es diferente, en un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de falla de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los parámetros  y c del suelo. Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que este trabajará, las alternativas para realizar el ensayo serán consolidados no drenado (CU), no consolidado no drenado (UU) o consolidado drenado (CD).

Análisis del Ensayo no Consolidado no Drenado. Este método cubre la determinación de la resistencia a la compresión noconsolidada no-drenada de especímenes cilíndricos de suelos cohesivos en condiciones inalteradas, remoldeadas o compactadas, utilizando la aplicación de deformaciones controladas o esfuerzos controlados de la carga de compresión axial, donde el espécimen está sujeto a la presión de confinamiento de un fluido en una cámara triaxial. El método proporciona la medición de esfuerzos totales aplicados al espécimen, es decir, los esfuerzos no son corregidos por la presión de poros. El ensayo proporciona datos para la determinación de las propiedades de resistencia y las relaciones esfuerzo-deformación de los suelos. La determinación de la resistencia no-consolidada no-drenada de los suelos cohesivos sin confinamiento lateral está cubierta por el método de Ensayo D2166.

Significado y Uso:

Desde que la resistencia al corte de un suelo es determinada en esta prueba en términos del esfuerzo total, es decir, el esfuerzo efectivo más la presión de poros, la resistencia depende de la presión desarrollada en el fluido de poros durante la carga. Si se permite que el líquido fluya desde o dentro de los poros de un 18


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espécimen de suelo mientras se aplica la carga, la presión de poros resultante, y por lo tanto la resistencia, difiere del caso en el que no puede ocurrir drenaje. En este método no se permite el drenaje a través de las fronteras del espécimen, en consecuencia, la resistencia medida en términos del esfuerzo total generalmente no será aplicable a problemas de campo en donde ocurra drenaje. Además, las resistencias determinadas utilizando ensayo de compresión triaxial no podrían aplicarse a casos en donde las condiciones de deformación en el campo difieran significativamente de aquellas en la prueba de compresión triaxial. Aparatos:

Dispositivos de Carga Axial: el dispositivo de compresión axial puede ser un gato manejado por un motor eléctrico a través de un engranaje, una plataforma de balanza equipada con un yugo con gato desviador de carga, un aparato de carga muerta, un dispositivo de carga hidráulico o neumático, o cualquier otro dispositivo de compresión con suficiente capacidad y control para proporcionar la velocidad de carga. Las vibraciones debidas a la operación del dispositivo de carga deberán mantenerse al mínimo.

Dispositivo de Medición de Carga Axial: el dispositivo de medición de carga axial puede ser un anillo de carga, una celda de carga electrónica o hidráulica, o cualquier otro dispositivo de medición de carga, capaz de producir la precisión señalada en este párrafo y puede ser una parte del dispositivo de carga axial. Para suelos con un esfuerzo desviador en la falla de menos de 1 ton/pie² (100 KPa), el dispositivo de medición de carga axial deberá ser capaz de medir la carga axial unitaria con una precisión de 0.01 ton/pie² (1KPa); para suelos con un esfuerzo desviador en la falla de 1 ton/pie² o más, el dispositivo de medición de carga axial deberá ser capaz de medir la carga axial con una precisión del 1% de la carga axial en la falla.

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Dispositivo de Mantenimiento y Medición de la Presión de Celda: el dispositivo de mantenimiento y medición de la presión de celda deberá ser capaz de aplicar y controlar la presión de celda dentro de ± 0.01 ton/pie² (1 KPa) para presiones de celda menores de 2 ton/pie² (200 KPa) y dentro de ± 1% para presiones de celda mayores que 2 ton/pie² (200 KPa). Este dispositivo puede consistir de un reservorio conectado a la celda triaxial y llenado parcialmente con el fluido de celda (usualmente agua), con la parte superior del reservorio conectado a un surtidor de aire comprimido, la presión del gas siendo controlada por un regulador de presión y medida por un manómetro, transductor de presión electrónico o cualquier otro dispositivo capaz de medir con la tolerancia prescrita.

Celda de Compresión Triaxial: se deberá proveer un aparato en el que el espécimen cilíndrico, encerrado por una membrana sellada en la tapa y en la base del espécimen, pueda ser colocado y sujeto a una presión hidrostática constante. El aparato deberá incluir un buje y pistón alineados con los ejes del espécimen, a través de los cuales la carga del dispositivo de carga axial pueda ser transmitida al espécimen, para que este espécimen sea comprimido axialmente entre la tapa y la base. Tapa y Base del Espécimen: deberán usarse una tapa y base impermeable y rígida para impedir el drenaje del espécimen. La tapa y la base del espécimen deberán ser construidas de un material impermeable anticorrosivo, y cada una deberá tener una superficie plana circular de contacto con el espécimen y una sección transversal circular. El peso de la tapa del espécimen deberá ser menor del 0.5% de la carga axial aplicada en la falla. El diámetro de la tapa y de la base deberá ser igual al diámetro del espécimen. Indicador de Deformación: el indicador de deformación deberá ser un dial indicador graduado a 0.001 pulg. (0.03 mm), teniendo un rango de al menos el 20% de la altura inicial del espécimen de prueba, u otro dispositivo de medición que cumpla estos requerimientos de precisión y rango.

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Membranas de Caucho: la membrana de caucho utilizada para encerrar el espécimen deberá proveer una protección confiable contra las fugas. Las membranas deberán ser examinadas cuidadosamente antes de usarse, y si son evidentes algunos defectos o agujeros, la membrana deberá ser descartada. A fin de ofrecer la mínima restricción al espécimen, el diámetro de la membrana extendida deberá estar entre el 75 y 90% del diámetro del espécimen. El espesor de la membrana no excederá el 1% del diámetro del espécimen. La membrana deberá estar sellada en la base y la tapa del espécimen, con anillos de caucho "o¶rings", para los cuales el diámetro interior no esforzado es menor del 75% del diámetro de la base y la tapa, o por otros métodos que producirán un sello positivo. Extractor de Muestra: el extractor de muestra deberá ser capaz de extraer el testigo de suelo del tubo muestreador en la misma dirección del recorrido de la muestra en el tubo y con perturbación mínima de la muestra. Dispositivos de Medición del Tamaño del Espécimen: los dispositivos usados para medir la altura y el diámetro del espécimen deberán ser capaces de medir con aproximación al 0.01 pulg. (0.3 mm) y deberán ser construidos de tal modo que su uso no altere al espécimen. Dispositivo para Pesado: el dispositivo para pesado deberá ser apropiado para pesar especímenes de suelo. Especímenes de menos de 100 gramos serán pesados con aproximación a 0.01 gramos, mientras que especímenes de 100 gramos o más, serán pesados con aproximación a 0.1 gramos. Aparatos Diversos: accesorios y herramientas de tallado de especímenes, un expansor de membrana, aparato de remoldeo, latas de contenido de humedad (agua), y hojas de datos como sean requeridos. E s pé cimen

de Prueba:

Tamaño del Espécimen: los especímenes deberán tener un diámetro mínimo de 1.3 pulg (33 mm) y la partícula más grande contenida dentro del espécimen de prueba deberá ser menor que un décimo del diámetro del espécimen. Para 21


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especímenes que tienen un diámetro de 2.8 pulg (71 mm), o más, el tamaño de partícula más grande deberá ser menor de un sexto del diámetro del espécimen. Si después de terminar un ensayo se encuentra que partículas de mayor tamaño están presentes, indique esta información en el reporte de datos. La relación altura-diámetro deberá estar entre 2 y 3. Medir la altura y el diámetro del espécimen con aproximación a 0.01 pulg (0.3 mm). Especímenes Inalterados: prepare especímenes inalterados de muestras inalteradas grandes o de muestras obtenidas de acuerdo con el Método de Ensayo D1587 u otros procedimientos aceptables de muestras inalteradas en tubo. Especímenes obtenidos por muestreo en tubería pueden ser ensayados sin tallado, excepto para fines de conformación de los extremos, siempre que las características del suelo sean tales que no resulten en perturbación significativa del muestreo. Maneje cuidadosamente los especímenes para minimizar alteraciones, cambios en sección transversal, o pérdida del contenido de humedad. Si compresión o algún tipo de alteración notable sería causada por el dispositivo de extracción, divida el tubo de ensayo longitudinalmente o córtelo en pequeñas secciones para facilitar la remoción del espécimen con alteración mínima. Prepare especímenes tallados, siempre que sea posible, en un ambiente donde los cambios de humedad del suelo no excedan del 0.1%. Un cuarto de alta humedad controlada es usualmente utilizado para este propósito. Determine el peso del espécimen de ensayo. El espécimen deberá estar encerrado en la membrana de caucho y la membrana sellada a la base y a la tapa del espécimen inmediatamente después de la preparación. Especímenes Remoldeados: prepare primero el espécimen inalterado fallado, todavía encerrado en la membrana de caucho y montado en la base del espécimen con los dedos, y luego reformado el espécimen, colocando un molde alrededor de éste y presionando sobre la tapa del espécimen hasta que éste llene el molde apropiadamente. El molde deberá tener dimensiones tales que las dimensiones del espécimen remoldeado serán iguales a las del espécimen inalterado. A fin de obtener una densidad uniforme, para remoldear a la misma 22


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relación de vacíos del espécimen inalterado y para preservar el contenido de humedad (agua) natural del suelo, se debe evitar el atrapar aire en el espécimen. Especímenes Compactados: prepare por compactación material alterado en por lo menos 6 capas usando una operación de presión o amasado en un molde de sección transversal circular que tenga las dimensiones que indican los requerimientos de la Sección 6.1. Los especímenes pueden ser preparados a cualquier contenido de humedad (agua) y densidad predeterminados por ya sea: (1) amasado o apisonamiento de cada tapa hasta que el peso acumulado del suelo colocado en el molde esté compactado a un volumen conocido ó (2) ajustando el número de capas, el número de apisonados por capa; y la fuerza por apisonado. El pisón usado para compactar el material deberá tener un área de contacto con el suelo menor que un sexto del área del molde. Después de formado el espécimen, con los extremos perpendiculares al eje longitudinal, remueva el molde y determine el peso del espécimen de ensayo. Si se requiere, los especímenes compactados deben ser humedecidos antes de la prueba. Las anotaciones sobre el humedecimiento deben ser hechas en el reporte de los datos de la prueba. Procedimiento:

Con el espécimen encerrado en la membrana de caucho, la cual está sellada a la tapa y a la base del espécimen y ubicado en la celda, ensamble la celda triaxial. Lleve el pistón de carga axial en contacto con la tapa del espécimen varias veces, para permitir el asentamiento y alineamiento apropiado del pistón con la tapa. Durante este procedimiento, cuide de no aplicar al espécimen un esfuerzo desviador que exceda del 0.5% de la resistencia a la compresión estimada. Si el peso del pistón es suficiente para aplicar un esfuerzo desviador que exceda del 0.5% de la resistencia a la compresión estimada, el pistón deberá estar fijado por encima de la tapa del espécimen después de chequear el asentamiento y el alineamiento y dejarlo fijado hasta la aplicación de la presión de la celda. Coloque la celda en posición en el dispositivo de carga axial. Cuide la alineación del 23


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dispositivo de carga axial, el dispositivo de medición de carga axial, y la celda triaxial, para prevenir la aplicación de una fuerza lateral al pistón durante la prueba. Fije el dispositivo de mantenimiento y medición de presión, y se usa un líquido de confinamiento, llene la celda hasta un nivel predeterminado. Ajuste el dispositivo de mantenimiento y medición de presión, a la presión de la celda deseada, y aplique la presión al fluido de la celda. Si el dispositivo de medición de la carga axial es colocado afuera de la celda triaxial, la presión de la celda producirá sobre el pistón una fuerza hacia arriba que reaccionará contra el dispositivo de carga axial. Usando Deformaciones Controladas: aproximadamente 10 minutos después de la aplicación de la presión de celda (Nota 2), comience a aplicar la carga axial, de modo de producir deformaciones axiales a una velocidad de aproximadamente 1%/minuto para materiales plásticos y 0.3%/minuto para materiales frágiles que consigan un esfuerzo desviador máximo a aproximadamente 3 a 6% de la deformación. A estas velocidades, el tiempo transcurrido para llegar al esfuerzo desviador máximo será de aproximadamente 15 a 20 minutos. El propósito de este intervalo de tiempo es permitir al espécimen estabilizarse bajo la presión de celda antes de la aplicación de la carga axial. Usando Esfuerzos Controlados: y

Incremento de Carga: antes de la prueba, estime la carga axial de falla del

espécimen. Esta estimación puede ser hecha en base a la experiencia con material similar o a través del uso de un dispositivo de corte o penetración sobre una porción no utilizada de muestra. Aproximadamente a 10, minutos después de la aplicación de la presión de celda, coloque una carga axial inicial sobre el espécimen, igual a un décimo o a un quinceavo de la carga axial de falla estimada. y

Velocidad de Esfuerzos Controlada: estime la resistencia a la compresión

del espécimen antes de la prueba. Aproximadamente 10 minutos después de la aplicación de la presión de celda, comience a aplicar la carga axial a una

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velocidad constante tal que el esfuerzo desviador máximo será desarrollado en aproximadamente 15 minutos. Cál cu l os:

Calcule la deformación axial, , para una carga axial aplicada dada, como

  ; donde: L= cambio en la longitud del espécimen como se lee

sigue:

en el indicador de deformación, y  = longitud inicial del espécimen de prueba L cuando el pistón contacta con la tapa del espécimen. Calcule el área promedio de la sección transversal, A, para una carga axial aplicada dada como sigue:        ; donde: 

= área inicial promedio de la sección transversal del espécimen, y

= deformación axial para la carga axial dada.



Calcule el esfuerzo desviador (diferencia de esfuerzos principales), para una carga axial aplicada como sigue:   



 , 

   ; donde:

P = carga axial aplicada dada (corregida por levantamiento y fricción del pistón, si se requiere), y

A = área de sección transversal promedio correspondiente. Curva Esfuerzo

Deformación: prepare un gráfico que muestre la relación

entre el esfuerzo desviador (diferencia de esfuerzos principales) y la deformación axial, graficando el esfuerzo desviador como ordenada y la deformación axial como abscisa. Seleccione la resistencia a la compresión y la deformación axial en la falla, de acuerdo con las deformaciones. Corrección por Resistencia de la Membrana de Caucho: La ecuación siguiente puede ser usada para corregir la resistencia a la compresión por efecto de la membrana de caucho, si el error en el esfuerzo desviador debido a la resistencia de membrana excede al 5%: 25


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   



   

Donde:    

= la corrección a ser substraída de resistencia a la compresión

medida.

 = diámetro inicial del espécimen, = módulo de compresión de la membrana, y  = deformación axial. El módulo de compresión de la membrana puede ser determinado mediante la suspensión de una longitud de 0.5 pulg de la membrana sobre una varilla delgada, colocando otra varilla a lo largo de la base de la membrana suspendida y midiendo la fuerza por unidad de deformación al extender la membrana. En pruebas de suelos muy blandos, el efecto de la membrana puede ser significativo; sin embargo, para la mayoría de los suelos ensayados usando membranas como se prescribe en 5.7, la corrección es insignificante y puede ser ignorada. Calcule los esfuerzos principales mayor y menor en la falla como sigue: Esfuerzo principal menor,



Esfuerzo principal mayor,



= presión de celda, y = esfuerzo desviador en la falla más la presión

de celda. Precisión y Ex actitud:

Los especímenes de suelo inalterado de depósitos homogéneos en la misma ubicación frecuentemente presentan diferencias significativas en las propiedades de resistencia y esfuerzo deformación. No existe un método disponible en la actualidad para evaluar la precisión de un grupo de ensayos de compresión triaxial de especímenes inalterados, debido a la variabilidad de los especímenes.

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No se ha desarrollado un material de ensayo adecuado ni un método de preparación del espécimen para la determinación de las varianzas de laboratorio, debido a la dificultad en producir idénticos especímenes de suelo cohesivo. No están disponibles estimaciones de precisión para este método de ensayo.

Análisis del Ensayo Consolidado Drenado. Este método describe procedimientos para determinar la resistencia al corte consolidado drenado de un suelo en corte directo. El ensayo puede ser conducido en corte simple o corte doble. La prueba de corte directo es adecuada para un ensayo consolidado drenado porque las trayectorias de drenaje a través del espécimen de ensayo son cortas, permitiendo por esto que los excesos de las presiones de poro sean disipados bastante rápidamente. El ensayo puede ser hecho sobre todo tipo de suelos y sobre muestras inalteradas o remoldeadas. Los resultados del ensayo son aplicables a situaciones de campo donde la consolidación completa ha ocurrido bajo la sobrecarga existente, y la falla es alcanzada lentamente de modo tal que los excesos de presiones de poro son disipados. El ensayo también es útil para determinar la resistencia al corte a lo largo de planos débiles reconocibles dentro del material de suelo. El ensayo no es adecuado para el desarrollo de relaciones exactas de esfuerzos-deformación del espécimen de prueba, debido a la distribución no uniforme de los desplazamientos y esfuerzos de corte. La baja velocidad de los desplazamientos permite la disipación del exceso de presiones de poro, pero también permite el flujo plástico de suelos cohesivos blandos. Se deberá tener cuidado para que las condiciones de ensayo representen aquellas que están siendo investigadas. Los valores establecidos en unidades pulgada-libra serán considerados como los estándar.

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R esumen

del M ét odo:

El método consiste en: a. b.

Colocación del espécimen de ensayo en el dispositivo de corte directo. Aplicación de un esfuerzo normal predeterminado.

c.

Provisión de drenaje o humedecimiento del espécimen de ensayo.

d.

Consolidación del espécimen bajo el esfuerzo normal.

e.

Abrir los pórticos que sujetan el espécimen de ensayo.

f.

Aplicación de una fuerza tangencial para cortar el espécimen. Generalmente son ensayados tres o más especímenes, cada uno bajo un

esfuerzo normal diferente para determinar sus efectos sobre la resistencia al corte y desplazamiento. El rango de esfuerzos normales deberá ser apropiado para las condiciones del suelo siendo investigado. Aparatos:

Dispositivo de Corte: es un dispositivo para sujetar el espécimen firmemente entre dos piedras porosas, de modo tal que no se pueda aplicar torque al espécimen. El dispositivo de corte deberá suministrar medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras del espécimen, para medir el cambio en el espesor del espécimen, para permitir el drenaje de agua a través de las piedras porosas, y para sumergir al espécimen en agua. El dispositivo deberá ser capaz de aplicar una fuerza tangencial para cortar el espécimen a lo largo de un plano de corte predeterminado (corte simple) o planos de corte (corte doble) paralelos a las caras del espécimen. Los pórticos que sujetan al espécimen deberán ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el corte. Piedras Porosas: las piedras porosas deberán consistir de carburo de silicio, óxido de aluminio o un metal que no sea susceptible a la corrosión por las sustancias del suelo o la humedad del suelo. El tamaño conveniente de los poros de la piedra depende del suelo a ser ensayado. La piedra deberá ser lo 28


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suficientemente gruesa para desarrollar una trabazón adecuada con el espécimen y lo suficientemente fina para prevenir la intrusión excesiva del suelo dentro de los poros. Criterios exactos para esto no han sido establecidos. Dispositivos de Carga: y

Dispositivo para aplicar la fuerza normal, capaz de aplicar la fuerza

especificada rápidamente, sin exceder ésta, y capaz de mantenerla con una precisión de ± 1% durante la duración del ensayo. y

Dispositivo para aplicar la fuerza de corte. Las capacidades dependerán de

si se realizará un ensayo de desplazamiento controlado o de esfuerzo controlado. El primero es preferido generalmente, porque se puede determinar tanto el esfuerzo último como el esfuerzo máximo. El equipo de desplazamiento controlado deberá ser capaz de cortar el espécimen a una velocidad uniforme de desplazamiento, con menos de ± 10% de desviación, y deberá permitir el ajuste de la velocidad de desplazamiento sobre un rango relativamente amplio. La velocidad depende de las características de consolidación de los suelos. Otros: 

Cuarto Húmedo, para almacenar las muestras, así como para preparar las

muestras, donde las pérdidas de humedad durante la preparación no excedan del 0.5%. 

Anillo de Tallado o de Corte, para tallar muestras sobredimensionadas a las

dimensiones interiores de la caja de corte con un mínimo de perturbación. Un montaje exterior puede ser necesario para mantener la sucesión de anillos, dos o tres, en alineamiento axial.  

Balanzas, sensible al 0.1 g ó a 10.1% de la masa del espécimen. Indicador de Deformación: para medir el cambio en el espesor del

espécimen de ensayo, con una sensibilidad de 0.0001 pulgadas (0.002 mm) y para medir desplazamiento con una sensibilidad de 0.001 pulgadas (0.02 mm). 

Horno de Secado, que pueda ser mantenido en 230 ± 9°F (110 ± 5°C). 29


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

Envase de humedad de la muestra.



Equipo para remoldear o compactar los especímenes.



Equipos Diversos, incluyendo cronómetro con segundero, agua destilada o

desmineralizada, espátulas, cuchillos, regla de borde recto, sierras de alambre, etc. utilizados en la preparación de la muestra. E s pé cimen

de E nsayo:

Si se usa una muestra inalterada, ésta deberá ser lo suficientemente grande para proporcionar un mínimo de tres especímenes idénticos. Prepare los especímenes de modo que las pérdidas de humedad sean insignificantes. Talle los especímenes sobredimensionados al diámetro interior del dispositivo de corte directo y a la longitud del tallador. Se deberá tener cuidado extremo en la preparación de los especímenes inalterados de suelos sensibles, para evitar la perturbación de su estructura natural. Si se usan especímenes de suelo compactado, éstos deberán ser compactados a las condiciones de humedad-densidad deseados. Ellos pueden ser compactados directamente en el dispositivo de corte, en un molde de iguales dimensiones y extraídos al dispositivo de corte o un molde más grande y tallados. El diámetro mínimo para especímenes circulares, o el ancho mínimo para especímenes rectangulares, deberá ser de alrededor de 2 pulgadas (50 mm). El diámetro de los especímenes de ensayo inalterados, cortados de muestras tubulares, deberá ser al menos 1/4 pulg. (5 mm), menor que el diámetro del tubo de muestreo para minimizar la perturbación causada por el muestreo.

Los espesores de los especímenes deberán ser de alrededor de 0.5 pulg. (12.5 mm), pero no menores que seis veces el diámetro máximo del grano. La relación mínima diámetro-espesor del espécimen circular deberá ser 2:1. Para especímenes cuadrados o rectangulares, la relación mínima de ancho a espesor deberá ser también de 2:1. 30


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Procedimiento:

Ensamble la caja de corte con los pórticos de carga alineados y fijos en posición. Una ligera capa de grasa entre los pórticos asegurará la estanquidad durante la consolidación y reducirá la fricción durante el corte. Separadores de fluorcarbón TFE, o superficies cubiertas de fluo-carbón TFE pueden también ser usados para reducir la fricción durante el corte. Inserte cuidadosamente el espécimen de ensayo. Conecte los dispositivos de carga. Posicione o active, o ambos, los indicadores de desplazamiento para medir la deformación de corte y los cambios en el espesor del espécimen. Determine el espesor inicial del espécimen. La decisión de humedecer las piedras porosas de la inserción del espécimen y antes de la aplicación de la fuerza normal depende del problema en estudio. Para muestras inalteradas obtenidas bajo la napa freática, las piedras porosas

son

usualmente

humedecidas.

Para

suelos

expansivos,

el

humedecimiento deberá probablemente seguir a la aplicación de la fuerza normal para evitar el hinchamiento, no representativo de las condiciones de campo. Consolide cada espécimen de ensayo bajo la apropiada fuerza normal. Tan pronto como sea posible después de aplicar la fuerza normal inicial, llene el reservorio de agua hasta un punto por encima de la parte superior del espécimen. Mantenga este nivel de agua durante la consolidación y las fases subsecuentes de corte, de modo tal que en todo momento el espécimen esté efectivamente sumergido. Permita al espécimen drenar y consolidar bajo una fuerza normal deseada o incrementos de ésta antes del corte. La fuerza normal usada para cada uno de los tres o más especímenes dependerá de la información requerida. La aplicación de la fuerza normal en un incremento puede ser apropiada para suelos relativamente firmes. Sin embargo, para suelos relativamente blandos, varios incrementos pueden ser necesarios para evitar el daño al espécimen. El incremento inicial dependerá de la resistencia y sensibilidad del suelo. Esta fuerza no deberá ser tan grande como para expulsar al suelo fuera del dispositivo.

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Corte del espécimen: después que la consolidación está completa, abra los pórticos y sepárelos ligeramente (aproximadamente 0.01 Pulg.) (0.25 mm), de modo tal que el espécimen puede ser cortado. Aplique la fuerza de corte y corte el espécimen lentamente, para asegurar la disipación completa del exceso de presión de poros. La siguiente guía para determinar el tiempo total transcurrido hasta la falla puede ser útil para determinar la velocidad de carga:  

 ;

donde:  =

tiempo requerido para que el espécimen alcance el 50% de la consolidación

bajo la fuerza normal. Es un ensayo de desplazamiento controlado, la velocidad del desplazamiento puede ser determinada aproximadamente dividiendo la deformación estimada de corte al máximo esfuerzo de corte por el tiempo calculado para la falla. Continúe el ensayo hasta que el esfuerzo de corte se haga esencialmente constante o hasta que una deformación de corte del 10% del diámetro original haya sido alcanzada. En un ensayo de esfuerzo controlado, empiece con incrementos de la fuerza de corte iguales aproximadamente al 10% del máximo estimado. Permita al menos el 95% de consolidación antes de aplicar el siguiente incremento. Cuando haya sido aplicada al espécimen el 50% al 70% de la fuerza de falla estimada, reduzca el incremento a la mitad del tamaño inicial o 5% del esfuerzo de corte máximo estimado. Cuando se acerca la falla, use una serie de incrementos iguales a un cuarto del incremento inicial. Registre la fuerza de corte aplicada y las deformaciones normal y tangencial en intervalos convenientes. Sería preferible una aplicación continua de la fuerza de corte. Al final del ensayo, saque el íntegro del espécimen de la caja de corte, séquelo en el horno y péselo para determinar la masa de sólidos.

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Cál cu l o:

Calcule lo siguiente: y

y

Contenido inicial de humedad. Densidad inicial seca y húmeda.

y

Datos de esfuerzo de corte.

y

Relación de vacíos antes y después de la consolidación y después de la

prueba de corte, si se desea. y

Los grados de saturación inicial y final, si se desea.

Para este aparato específico, la estructura inferior está fija. La estructura superior puede ser movida tanto horizontal como verticalmente. No hay espacio entre las estructuras durante la consolidación. Inmediatamente antes del corte, la estructura superior es levantada ligeramente. En general, una estructura está fija en la dirección del corte. Esta puede ser tanto la estructura superior como la inferior . 8.-PARAMETROS

DE PRESION DE POROS.

La presión de poro en la muestra en el momento de la falla, puede evaluarse de dos maneras diferentes. Puede determinarse por medidas directas, en cuyo caso, la prueba se designa como prueba R. Como la presión de poro udf actúa con igual intensidad en todas direcciones, el esfuerzo principal efectivo menor es p3=p1

udf, y el esfuerzo principal efectivo mayor es p1=p1

udf, Por lo tanto, el

círculo de esfuerzos construido en función de los esfuerzos efectivos en la falla, se desaloja a la izquierda del círculo de esfuerzos totales A, una distancia udf. El círculo de esfuerzos efectivos que corresponde a las condiciones de falla, está representado por el círculo de línea llena E. Como pf = p1 p3 = p1 p3 el círculo de falla para una prueba dada tiene el mismo diámetro, ya esté construido en función de esfuerzos efectivos o esfuerzos totales.

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La presión de poro puede determinarse también utilizando la ecuación siguiente si  es independientemente conocido, por ejemplo, por medio de una serie de pruebas drenadas, tipo S. La línea de falla en términos de esfuerzos efectivos está representada por la línea recta llena trazada desde el origen con el ángulo  . El círculo de falla para la prueba R, dibujada en términos de esfuerzos efectivos, debe ser tangente a esta línea de falla. Por lo tanto, el círculo esfuerzos efectivos correspondientes a la prueba R es el círculo E. La distancia horizontal entre el círculo E y el A representa la presión de poro udf.

             El círculo de esfuerzos totales A corresponde a una prueba R en la que la presión de poro, antes de la aplicación de la carga axial era cero y la presión de poro al final de la prueba era udf. Sin embargo, si después de la consolidación inicial bajo la presión de cámara p3, este valor se hace aumentar en ua sin permitir drenaje, la presión de poro en la muestra antes de la aplicación de la carga axial hubiera sido ua y la presión de poro en la falla hubiera sido ua + udf. El círculo de falla correspondiente hubiera sido el B. Sin embargo, el círculo de esfuerzos efectivos hubiera sido todavía E. Como podría haberse elegido cualquier cambio ua en la presión de la cámara, se deduce, que si se consolidan varias muestras bajo la misma presión en la cámara a y luego se probaran en condiciones no drenadas a diferentes presiones de cámara, la línea de falla en términos de esfuerzos totales es una horizontal. Puede expresarse simplemente por:

         9.-CRITERIO

DE FALLA DE MOHR-COULOMB.

Además, la cohesión y el ángulo de fricción interna son los parámetros de resistencia al corte del suelo según este criterio de rotura y su determinación es fundamental en la determinación del empuje. Esta determinación puede ser

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obtenida por ensayos de laboratorio, como el ensayo de corte directo y los ensayos de compresión triaxial. Pueden también ser estimados a partir de ensayos de campo, o también a partir de otras características del material. Es importante mencionar que ³c´ y ³´ no son parámetros intrínsecos del suelo, son parámetros del modelo adoptado como criterio de rotura. Además de eso, el valor de esos parámetros depende de otros factores, como tenor de humedad, velocidad y forma de carga y condiciones de drenaje. Estos valores pueden, inclusive, variar con el tiempo, lo que lleva a la conclusión de que el valor del empuje también puede variar con el tiempo. Esto lleva a un análisis mucho más complejo y cabe al proyectista identificar el momento en que las condiciones del problema son más desfavorables. En materiales como el hormigón y el acero se define la falla como el punto en donde la curva esfuerzo-deformación se hace plástica y no-lineal (resistencia por fluencia), o cuando ocurre la ruptura (resistencia última). En el suelo la curva esfuerzo-deformación es no-lineal y plástica desde el comienzo, y no existe punto de ruptura. El suelo puede tener un comportamiento dúctil o frágil, tal como se puede apreciar en la siguiente grafica:

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En suelos con comportamiento dúctil, la resistencia aumenta con la deformación al corte, alcanzando una meseta, valor que se considera como resistencia al corte. En suelos con comportamiento frágil, éste presenta una resistencia máxima (máximo punto de la curva) y una resistencia residual (o resistencia última) que ocurre a mayores deformaciones de corte. Cualquiera de los dos valores puede ser usado para el diseño, dependiendo del tipo de problema a resolver. Para un determinado tipo de suelo no existe una única curva esfuerzodeformación, ya que ésta depende de factores como esfuerzo de confinamiento, tasa de deformación, entre otros. El criterio de falla Mohr-Coulomb nos permite utilizar los resultados de laboratorio (  y  ) en el análisis geotécnico. Este análisis puede hacerse en términos de esfuerzos efectivos o totales.

Análisis en Tér minos de Esf uer zo Efectivo. La resistencia al corte del suelo es desarrollada solamente por las partículas y no por el agua, por lo tanto es razonable evaluar la resistencia en términos de esfuerzos efectivos.  

     

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Análisis en Tér minos de Esf uer zos Totales. El análisis basado en esfuerzos efectivos es posible solamente si podemos

y

estimar o medir los esfuerzos efectivos en terreno. Esto puede ser complicado cuando hay excesos de presión de poros, ya sea por efectos de la consolidación o por comportamiento no drenado durante la carga.

Debido a estas complicaciones es necesario a veces evaluar la resistencia

y

basada en esfuerzos totales, utilizando los parámetros



y  . La ecuación de la

resistencia al corte es por lo tanto:  

  

Este método asume que el exceso de presión de poros desarrollado en

y

laboratorio es el mismo que se desarrollará en el terreno.

Pero se debe recordar que la resistencia al corte depende de los esfuerzos

y

efectivos.

10.-TRAYECTORIA DE ESFUERZOS. En la prueba edométrica, la relación entre  y  es  y el suelo desarrolla esfuerzos y deformaciones tangenciales, al igual que compresiones y cambios de volumen, pero como está Impedido a Fallar por Corte, la deformación principal se debe a compresión. La fricción lateral perturba el estado unidimensional de deformación. ( = Coeficiente de presión de tierras en reposo). 37


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En el corte directo la fuerza T se aplica a una u otra velocidad, controlada. El estado de carga  es al aplicar N. Luego se aplica T y por lo tanto aumentan p y q, pero su medición no se hace viable. En arcillas, el ensayo drenado (D), supone una aplicación demasiado lenta de T, para permitir evaluar   y  . Si es rápido (no drenado), se evalúan  y  ; (D). En cargas repetidas,  puede variar. Una arena suelta se compacta y una densa se dilata, obteniendo un , mayor o menor, al de carga estática. En triaxial, se puede romper la muestra por tracción (     ) o por compresión (    ), llegándose al mismo valor de  o a uno mayor en 4°, en deformación plana (



), prueba de mayor interés realista.

 La humedad en la prueba de corte, para arena seca o saturada, afecta poco el valor de  y la cohesión por capilaridad en esa prueba carece de importancia. La compresión isótropa pura es rara en la realidad, mientras la confinada es muy corriente en la naturaleza. Para una variación de



, la variación del octaédrico es mayor en la

compresión isótropa, por lo que la deformación volumétrica también resulta mayor, que en la compresión confinada.

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Graf ico Nº1.-Trayector ia de Esf uer zos.

11.-METODOS PARA LA DETERMINACION DE LA RESISTENCIA. Arcillas Nor malmente Consolidadas de Baja o Moderada Sensibilidad. La figura (a) muestra resultados de un ensayo (compresión) en una arcilla normalmente consolidada a distintas presiones de cámara. Es posible normalizar las curvas q/p'c vs  (figura b). 

La figura (a) muestra q vs p' en tensiones efectivas (ensayo en compresión). La figura (b) muestra el cambio de p' a volumen constante (e no cambia) de tres muestras con presiones de cámara distintas.

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La relación de vacios inicial está determinada por la curva de consolidación (isotrópica). La línea de estado último (LEU) o de estado crítico es la misma que se obtiene en el caso drenado.

(a) 





LEU

(b)

Arcillas Ultrasensitivas. Son arcillas que pierden su resistencia al ser remoldeadas. El mecanismo del colapso es aún debatido. Se propone que el mecanismo se debe al contacto meta estable de la arcilla. Lo más reciente sugiere que la arcilla correspondería a polvo de roca unido por un cemento débil que puede existir en estado sólido y líquido al mismo contenido de humedad.

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Es un sólido a bajas tasas de strain y líquido a alta (shock). Son sensibles al remoldeo sufriendo pérdida de resistencia al cizalle por daño en la estructura original. Se define como la razón: A/B

A= resistencia (no drenada) en estado no perturbado y B= resistencia (no drenada) en estado remoldeado (al mismo contenido de humedad). La mayoría de las arcillas tiene sensitividad 1-4

Arcillas sensitivas

4-8

Arcillas extrasensitivas 8-16 >16 Quick clays (hasta 100).

Arcillas Preconsolidadas con Fisuras. Las arcillas fuertemente preconsolidadas (con relaciones de preconsolidación mayores de 6) y con índices de plasticidad mayores que 40 requieren un estudio especial. Estos materiales casi siempre tienen juntas y superficies de resbalamiento; la presencia de estos defectos puede controlar la resistencia de todo el depósito. La excavación produce frecuentemente deformaciones suficientes para inducir expansión y degradación de los materiales; aun las pequeñas deformaciones por cortante, producidas por el aumento de esfuerzos pueden abrir las juntas y superficies de resbalamiento y causar reblandamiento.

Las siguientes figuras muestran trayectorias de esfuerzos efectivos con 2

muestras previamente consolidadas bajo p'=8.4 kg/cm . En muestras preconsolidadas se desarrollan presiones de poros negativas => aumento en los esfuerzos efectivos.

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Arcillas Preconsolidadas Intactas. En una arcilla preconsolidada cargada en condiciones no drenadas la trayectoria sigue la trayectoria BC en el plano e-p'. El efecto de preconsolidación se traduce en una mayor resistencia al corte => se genera una cohesión y una disminución del ángulo de fricción con respecto al caso normalmente consolidado.

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CONCLUSION. El estudio de los suelos, es un aspecto fundamental a considerar, al momento de diseñar cualquier tipo de obra civil, que se quiera construir sobre un suelo, ya que nos brinda toda la información necesaria sobre la caracterización del suelo donde se va a realizar la obra, de manera tal, que esta pueda ser diseñada y construida, en base a las condiciones propias de los suelos, para así brindar y garantizar seguridad y protección necesarias al propietario de la obra, a quienes la ejecutan, y al mas importante, el usuario final de la misma. Para poder cumplir con ello, se requiere tener el conocimiento fundamental que permita llevar a cabo los mismos, como el mostrado anteriormente en esta investigación.

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ANEXOS.

Anexo 1. Resistencia a los Cor tes.

Anexo 2. Resistencia a los Cor tes en Estabilidad de Taludes.

Anexo 3. Resistencia a los Cor tes en Muros de Contención. 45


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Anexo 4. Cr iter io de Falla Mohr-Coulomb.

Anexo 5. Ensayo Tr iaxial.

Anexo 6. Ensayo Tr iaxial. 46


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BIBLIOGRAFIAS. -BACK, H. Y CAYSSIALS, R. Estabilidad estructural de algunos suelos del Uruguay . Montevideo, Ministerio de Agricultura y Pesca, Dirección de Suelos y

Fertilizantes, 1971. 58 p. (Mimeografiado). -BADILLO, JUAREZ Y REYES, RICO. Mecánica de suelos Tomo I . ED. Limusa. -HEMIN, H., GRAS, R. Y MONNIER, G. El perfil cultural . Madrid. Mundi-Prensa. 1972. -KEMPER, W. D. Aggregate stability; methods of soil analysis. New York, Academic Press, 1965. pp. 511519. (Agronomy - Monograph Nº 9). -KOERNER, ROBERT M., Designing with geosynthetics / ROBERT M. KOERNER, 4th ed. P. cm. Prentice-Hall, Inc., Simon & Schuster / A Viacom Company - Upper Saddle River, New Jersey 07458. -MACCAFERRI S.P.A., Structure flessibili in gabbioni nelle opere di sostegno delle terre. Bologna

Itália, 1986.

-SOMBROCK, W. G. Soil studies in the Merim Lagoon Basin. Treinta y Tres, Uruguay, FAO/CLM/PNUD, 1969. 325 p. (Merim Lagoon Regional Project).

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SUELOS COHESIVOS (07-07-2011)

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