mecánica de suelos ii
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prueba de la veleta para determinar la resistencia al corte.geotecniaingenieria civilTRANSCRIPT
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
UNIVERSIDAD LAICA
ELOY ALFARO
MECÁNICA DE SUELOS IIPRUEBA DE LA VELETA
La veleta es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar
el parámetro de resistencia al corte no drenado cu de un suelo, tiene la
ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el
transporte una muestra de suelo. En el caso de suelos compuestos de limo y
arcilla en especial los de alta sensibilidad, el efecto de las alteraciones
durante el ensayo pueden ser bastante considerables en lo que respecta a la
confiabilidad de los resultados medidos en el laboratorio, por lo cual este
instrumento proporciona información bastante aproximada.
Figura 6.63. Extremo inferior de la Veleta.
El ensayo con la veleta de corte es ideal para el caso de suelos compuestos
de arcillas saturadas sin fisuras y limos saturados. No es tan confiable para
suelos fisurados o secuencias de microestratos. Básicamente el extremo
inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas en el extremo de una
barra de acero (Figura 6.62). Después de hincar la veleta en el suelo, se hace
girar aplicando un par de torsiones en el extremo libre de la varilla. Se gira
primero la veleta entre 6 y 12º por minuto para determinar el parámetro de
resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia
remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada
constituye el perímetro y los extremos de un cilindro.
La Figura 6.63a muestra las dimensiones estándar de la veleta con respecto
al diámetro que genera. La veleta es instalada en el suelo con ayuda de otro
accesorio donde es ensamblada con todos sus accesorios, la Figura 6.63b
muestra gráficamente los pasos para el ensamblado de la veleta. El
parámetro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor
del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se
tendrá la expresión:
Donde:
cu = Parámetro de resistencia al corte no drenada.
T = Momento torsor de la veleta.
h = Altura de las aspas de la veleta.
D = Diámetro de la circunferencia que genera la veleta al girar.
Figura 6.64. Ensamblado de la veleta en campo (U.S. Navy, 1982).
(a) Dimensiones estándar. (b) Ensamblado.
ENSAYO DE CORTE SOBRE SUELOS COHESIVOS EN EL TERRENO,
USANDO LA VELETA
I.N.V. E - 170
1. OBJETO
1.1 Este método se refiere al ensayo de veleta en el terreno, en suelos cohesivos
blandos y saturados. Es necesario conocer la naturaleza del suelo en el cual se ha de
efectuar cada ensayo, para asegurarse de su aplicabilidad e interpretación.
2. RESUMEN DEL METODO
2.1 El ensayo de corte con veleta consiste básicamente en colocar una veleta de
cuatro hojas dentro del suelo inalterado, y en girarla desde la superficie para
determinar la fuerza de torsión necesaria para lograr que una superficie cilíndrica sea
cortada por la veleta; con esta fuerza de corte se halla entonces la resistencia unitaria
de dicha superficie. Es de importancia básica que la fricción de la varilla de la veleta
y la del aparato sean tenidas en cuenta porque de otra manera, la fricción sería
inadecuadamente registrada como resistencia del suelo.
Las medidas de fricción bajo condiciones que no implican carga, como cuando se
emplea un vástago liso en lugar de la veleta, o una veleta que permita alguna rotación
libre de la varilla antes de someterla a carga, son satisfactorias únicamente cuando el
giro sea aplicado mediante un momento balanceado que no se traduzca en empuje
lateral. A medida que las fuerzas de torsión se hagan más grandes durante un ensayo,
un empuje lateral en el instrumento se traducirá en un incremento de fricción no
considerado en las lecturas iniciales sin carga.
No se recomiendan instrumentos que produzcan empuje lateral. La varilla de la
veleta debe tener suficiente rigidez, para que no sufra torsión bajo condiciones de
carga plena; de lo contrario, deberá hacerse una corrección al dibujar las curvas de
rotación-momento.
3. EQUIPO
3.1 En la Figura No.1 se muestran los diferentes tipos de veletas. Cada una tendrá
cuatro hojas perpendiculares entre sí, y en algunos casos su altura será el doble del
diámetro. Las dimensiones de la veleta deberán ser las especificadas en la Tabla
No.1. Podrán emplearse dimensiones diferentes a las E - 170 – 2 especificadas,
únicamente con autorización previa. Los bordes de las hojas de la veleta que
penetran deberán afilarse, cuidando que no se altere el ángulo de 90° comprendido
entre ellas.
3.2 La veleta deberá operarse desde la superficie conectándola con varillas de
torsión, de acero. Estas varillas deberán ser de un diámetro tal, que no sea excedido
su límite elástico cuando la veleta sea sometida a su capacidad plena (véase Numeral
3.4) y deberán acoplarse muy bien, para evitar cualquier posibilidad de que el ajuste
del acople, ocurra cuando se aplique la rotación, al ejecutar el ensayo. Si se emplea
revestimiento para la veleta, las varillas de torsión deberán equiparse con cojinetes
bien lubricados en los sitios donde ellas pasen a través del mismo.
Estos cojinetes deberán estar provistos de sellos que eviten la entrada de suelo en
ellos. Las varillas de giro deberán guiarse de tal manera, que se evite el desarrollo de
fricción entre ellas y las paredes del revestimiento o de la perforación.
3.3 La fuerza de giro deberá aplicarse a las varillas quienes la transmiten a la veleta.
La precisión de la lectura del giro deberá ser tal, que no produzca una variación
mayor de ± 1.2 kPa (25 lb/pie²) en la resistencia al corte.
3.4 Es preferible aplicar la torsión a la veleta mediante un engranaje de transmisión.
En ausencia de éste, puede aplicarse directamente el giro mediante una llave de
torsión o algo equivalente. La duración del ensayo deberá controlarse de acuerdo con
las exigencias indicadas en el numeral 4.3.
- Si es necesario determinar curvas de momento vs rotación, es esencial calibrar las
varillas de rotación antes de emplearlas. La magnitud del giro de la varilla (si lo
hubiera) deberá establecerse en grados/pie/unidad de momento. Esta corrección se
hace progresivamente más importante a medida que aumenta la profundidad; la
calibración deberá efectuarse por lo menos hasta la profundidad máxima esperada,
para el ensayo.
4. PROCEDIMIENTO
4.1 Penétrese la veleta desde el fondo del agujero o de su revestimiento, mediante un
simple empuje, hasta la profundidad a la cual se va a efectuar el ensayo, cuidando
que no se aplique torsión durante dicho empuje.
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4.2 Cuando se emplee revestimiento para la veleta, aváncese éste hasta una
profundidad no menor de cinco diámetros del revestimiento por encima de la
profundidad deseada para la punta de la veleta. Cuando no se utilice revestimiento,
suspéndase el hueco a una profundidad tal que el extremo de la veleta pueda penetrar
dentro del suelo inalterado, una profundidad de por lo menos cinco veces el diámetro
de la perforación.
4.3 Con la veleta en posición, aplíquese el giro a una rata que no exceda de 0.1°/seg.
Generalmente se requieren para la falla, entre 2 y 5 minutos, excepto en arcillas muy
blandas en las cuales el tiempo de falla puede elevarse a 10 ó 15 minutos. En
materiales más duros, que alcanzan la falla con una deformación pequeña, se puede
reducir la rata del desplazamiento angular de tal manera que pueda obtenerse un
valor razonable de las propiedades esfuerzo-deformación.
Durante la rotación de la veleta, manténgase ésta a una altura fija. Anótese el
momento máximo. Con aparatos de transmisión, se deben anotar valores intermedios
del momento, a intervalos de 15 seg. o menores, si las condiciones lo exigen.
4.4 Después de determinar el máximo momento, rótese rápidamente la veleta un
mínimo de 10 revoluciones; inmediatamente después se determinará la resistencia
remoldeada, en todos los casos dentro del minuto siguiente al remoldeo.
4.5 En los casos en los cuales el suelo esté en contacto con la varilla de giro,
determínese la fricción entre la varilla y el suelo por medio de ensayos de giro
efectuados con varillas similares a profundidades equivalentes, sin la veleta
colocada. Efectúese el ensayo de fricción de la varilla por lo menos una vez en cada
sitio.
4.6 En aparatos en los cuales la varilla de giro esté completamente aislada del suelo,
verifíquese un ensayo de fricción con una varilla lisa al menos una vez en cada sitio,
para determinar la magnitud de la fricción de los cojinetes o guías. En dispositivos de
veleta que funcionen adecuadamente, esta fricción deberá ser despreciable.
4.7 Efectúense ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos, inalterados y
remoldeados. No deben realizarse en ningún suelo que permita el drenaje o que se
dilate durante el período de ensayo, como en arenas o limos, o en suelos en los cuales
la veleta encuentre piedras o conchas que puedan influir en los resultados.
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- En algunos casos no es necesario remover la veleta para el ensayo de fricción. En
tanto que la veleta no se halle en contacto con el suelo, esto es, cuando se encuentre
dentro de un revestimiento, no resulta afectada por las medidas de fricción.
5. CALCULOS
5.1 Calcúlese la resistencia al corte del suelo mediante el empleo de la siguiente
expresión:
Ts (resistencia al corte) = K
Siendo:
T = Momento de giro en N-m (lb-pie)
s = Resistencia al corte de la arcilla en kPa (lb/pie²)
K = Constante que depende de las dimensiones y de la forma de la veleta m3 (pies3)
tal como se indica en las operaciones de la Tabla No.2.
- Periódicamente deberán comprobarse las dimensiones de la veleta para asegurarse
de que no esté desgastada ni distorsionada.
5.2 Puesto que el valor de s es el requerido, es más útil escribir la ecuación en la
siguiente forma:
s = T x k
Donde:
1k = K
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6. INFORME
6.1 Para cada ensayo de veleta regístrense las observaciones siguientes:
- Fecha del Ensayo.
- Número del apique o perforación.
- Tamaño y forma de la veleta (ahusada o rectangular).
- Profundidad del extremo de la veleta. - Profundidad del extremo de la veleta por
debajo del revestimiento o fondo del hueco.
- Lectura máxima del momento y, si se requieren, lecturas intermedias para el ensayo
inalterado.
- Tiempo del ensayo hasta la falla.
- Velocidad del remoldeo.
- Lectura máxima del momento para el ensayo remoldeado, y - Notas sobre cualquier
clase de desviaciones con respecto al procedimiento normal de ensayo.
6.2 Adicionalmente, anótense las observaciones sobre la perforación.
- Número del sondeo.
- Sitio
- Condiciones del suelo en el sitio.
- Cota de referencia.
- Método de ejecución de la perforación.
- Descripción de la veleta, esto es, si tiene camisa o no.
- Descripción del método para aplicar y medir el momento.
- Observaciones sobre la resistencia o la penetración.
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- Nombres del inspector de la perforación y del ingeniero Supervisor.
a. Método Normalizado para Ensayo de Corte con Veleta de Campo en
Suelos Cohesivos NTP 339.155 (ASTM D 2573)
Este ensayo es aplicable únicamente cuando se trata de suelos cohesivos
saturados desprovistos de arena o grava, como complemento de la
información obtenida mediante calicatas o perforaciones. Su aplicación se
indica en la Tabla N° 3.
Ensayos de Veleta
El ensayo de veleta se utiliza para medir la resistencia al cortante no drenada en
arcillas muy blandas o blandas. Este ensayo se puede realizar en el laboratorio o en el
campo. (figura 3A-25). En el ensayo de veleta se introduce una veleta en el suelo, se
aplica un torque para producir la falla a lo largo de una superficie cilíndrica. La
resistencia al cortante se obtiene igualando el torque al momento producido por los
esfuerzos de cortante sobre la superficie cilíndrica.
La resistencia al cortante de una veleta de relación diámetro altura 1:2 está dada por
la expresión:
Donde: Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 102
M = Torque
D = Diámetro de la veleta
Por ejemplo, una veleta de altura de 100 mm., diámetro de 50 mm., puede ser
utilizada para resistencias de 50 a 70 kPa. De acuerdo a Andresen(1981), este es el
menor tamaño posible para determinar la resistencia al cortante de arcillas blandas.
Sin embargo, Blight(1970) ha utilizado una veleta de altura de 38 mm. para obtener
la resistencia de suelos residuales duros.
Figura 3A-25. Esquema del ensayo de veleta de laboratorio (Cornforth, 2005).
Generalmente, la aplicación de estos ensayos es limitada a suelos saturados
cohesivos en condiciones no drenadas, lo suficientemente blandos para permitir el
hincado y rotación de la veleta. Sin embargo, se han realizado ensayos de veleta en
suelos con resistencia pico hasta de 300 kPa (Blight 1969).
Los ensayos de veleta pueden realizarse en el fondo de excavaciones pre-perforadas
o empujando la veleta en el suelo desde la superficie hasta la profundidad requerida.
Este último procedimiento es muy difícil de realizar en suelos residuales.
Figura 3.14 Detalle de un ensayo de veleta.
Los ensayos de veleta son muy imprecisos y aunque existen fórmulas de corrección
sus resultados deben analizarse con prudencia. Sin embargo, en el ensayo de veleta
utilizado conjuntamente con otros ensayos puede ser una herramienta útil para
diseño.