2015

PLANET

[Nombre de la compañía]

1-1-2015

Mecánica de suelos

Tecnológico nacional de México

INSTITUTO Tecnológico DE TLAXIACO

CLAVE: 20DIT0004L

MOMBRE: MISAEL MENDOZA ORTIZ

Cesar Ortiz cruz

Ivan Israel Pérez reyes

CARRERA: ING. CIVIL

GRUPO: 4BC

ASIGNATURA: mecánica de suelo

CATEDRATICO: ING. Tobías Martínez López

Trabajo: resumen de la unidad VI y VII

Ciclo escolar: febrero-julio 2015

Tlaxiaco, Oaxaca a 10 de junio del 2015.

INTRODUCCIÓN

El problema de la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos

constituye uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de suelos.

La modelación o representación matemática del fenómeno de falla al cortante en un

deslizamiento se realiza utilizando las teorías de la resistencia de materiales.

Se dice que un medio continuo está sometido a un estado de esfuerzos plano continuo cuando puede determinarse un plano al que resulten paralelos los segmentos dirigidos representativos de los esfuerzos en todos los puntos de dicho medio. Es decir, los esfuerzos normales y tangenciales paralelos a la normal a ese plano determinado son nulos en todos los puntos del medio. Se dice que un medio continuo está sometido a un estado continuo de deformación plana cuando, para todos los puntos del medio puede determinarse un plano en el cual las deformaciones normales asociadas a él sean nulas y cuando, simultáneamente, existen otros dos planos normales al primero y entre sí, en los que las deformaciones angulares asociadas sean también nulas.

Es común enfrentar el problema de importantes asentamientos en estructuras o terraplenes de obras viales o industriales que se fundan sobre suelos cohesivos blandos y

muy blandos (arcillas y limos saturados).

En dichos casos, el proceso de asentamiento puede durar años, lo cual naturalmente

complica o impide la terminación completa de las obras asociadas en plazos razonables.

Antiguamente se utilizaban como soluciones a esta problemática geotécnica básicamente dos alternativas: el cambio de suelos o los drenes (o pilotes) de arena. Mientras la primera solución está limitada por la magnitud del volumen a cambiar, la segunda constituye un

método costoso y lento en grandes áreas.

Í n d i c e

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 2

Unidad VI .............................................................................................................................. 4

Resistencia al Esfuerzo Cortante ....................................................................................... 4

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE .......................................................................... 5

Conceptos Fundamentales ................................................................................................. 5

ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES PLANAS ................................................ 8

APLICACIÓN DE LA TEORÍA DEL POLO EN EL CÍRCULO DE Mohr ............................ 10

Círculo de Mohr ................................................................................................................... 10

RELACIÓN DE LOS ESFUERZOS PRINCIPALES .............................................................. 14

PRUEBA DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO

CORTANTE ............................................................................................................................... 15

ENSAYOS DE LABORATORIO .......................................................................................... 16

PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO

CORTANTE IN SITU ................................................................................................................ 25

TEORÍA DE PRESIÓN DE PORO O PRESIÓN NEUTRA ................................................... 27

Unidad VII ............................................................................................................................ 29

Mejoramiento Mecánico de los Suelos ............................................................................. 29

MEJORAMIENTO MECÁNICO DE LOS SUELOS ............................................................... 30

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN ................... 30

ENERGÍA DE COMPACTACIÓN ........................................................................................ 30

MÉTODO DE COMPACTACIÓN ........................................................................................ 31

CANTIDAD DE FRACCIÓN GRUESO ............................................................................... 31

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA.................................................................................... 32

PRUEBAS DE COMPACTACIÓN EN EL LABORATORIO................................................. 32

PRUEBA PROCTOR MODIFICADO .................................................................................. 33

DETERMINACIÓN DE PESOS ESPECÍFICOS SECOS EN EL CAMPO .......................... 34

CONCLUSIÓN .......................................................................................................................... 38

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 39

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE

Conceptos Fundamentales

Los suelos, como cualquier material, bajo ciertas solicitaciones, se comportarán como

materiales elásticos, pero en muchas veces tendrá deformaciones mayores de las

normales, por lo que será un factor predominante el considerar la plasticidad del suelo.

El suelo puede presentar diversos tipos de fallas tales como: disgregamiento, deslizamiento

en líneas de rotura o fluencia plástica.

La resistencia al esfuerzo cortante está representada por la ecuación de Coulomb.

τ=c+σ0tanϕ

En la que:

τ= Resistencia al corte del suelo.

c= Cohesión del suelo.

σ0= Esfuerzo normal intergranular.

φ= Ángulo de fricción interna del suelo, el cual se supone que es constante.

La cohesión puede ser definida como la adherencia entre las partículas del suelo debida a

la atracción entre ellas, producidas por sus fuerzas intergranulares.

El ángulo de fricción interna es función de la uniformidad de las partículas del suelo, del

tamaño y la forma de los granos y de la presión normal.

La utilización de la ecuación de Coulomb no condujo siempre a diseños satisfactorios de

estructuras de suelo. La razón para ello no se hizo evidente hasta que Terzaghi publicó el

principio de esfuerzos efectivos σ=σ´+u. Pudo apreciarse entonces que, dado que el

agua no puede soportar esfuerzos cortantes sustanciales, la resistencia al corte de un suelo

debe ser resultado únicamente de la resistencia a la fricción que se produce en los puntos

de contacto entre partículas; la magnitud de ésta depende sólo de la magnitud de esfuerzos

efectivos que soporta el esqueleto de suelo. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo

efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte de dicho

plano. Entonces si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos,

se tiene:

τf=c´+σ´tanϕ´

En la cual los parámetros c´ y φ´ son propiedades del esqueleto del suelo, denominadas

cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente.

Puesto que la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos del suelo, los análisis

de estabilidad se harán entonces en términos de esfuerzos efectivos. Sin embargo, en

ciertas circunstancias el análisis puede hacerse en términos de esfuerzos totales y por lo

tanto, en general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo

en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales. Es decir, los valores de c´, φ´ y c, φ. Estos

se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo

representativas mediante ensayo de corte directo (ASTM D-3080-72) o el ensayo de

compresión triaxial (ASTM D-2850-70). “Caracterización de la resistencia de un material de

banco para su uso como relleno compactado”

Desde el punto de vista de la relación esfuerzo-deformación, debemos tener en cuenta dos

tipos de resistencia.

Resistencia máxima o resistencia pico.

Es la resistencia al corte máxima que posee el material que no ha sido fallado previamente,

la cual corresponde al punto más alto de la curva esfuerzo-deformación. La utilización de la

resistencia pico en el análisis de estabilidad asume que la resistencia pico se obtiene

simultáneamente a lo largo de toda la superficie de falla. Sin embargo, algunos puntos en

la superficie de falla han alcanzado deformaciones mayores que en otros, en un fenómeno

de falla progresiva y asumir que la resistencia pico actúa simultáneamente en toda la

superficie de falla puede producir errores en el análisis.

Resistencia residual

Es la resistencia al corte que posee el material después de haber ocurrido la falla.

Skempton (1964) observó que en las arcillas sobre consolidadas, la resistencia calculada

del análisis de deslizamientos después de ocurridos, correspondía al valor de resistencia

residual y recomendó utilizar para el cálculo de factores de seguridad, los valores de los

parámetros obtenidos para la resistencia residual φr y cr. Sin embargo, en los suelos

residuales la resistencia pico tiende a ser generalmente, muy similar a la resistencia

residual.

Otro factor que determinan las diferencias entre la resistencia pico y la residual es la

sensibilidad, la cual está relacionada con la perdida de resistencia por remoldeo o la

reorientación de las partículas de arcilla.

Grafica esfuerzo-deformación y presión cortante-presión normal

En arenas, gravas y limos no plásticos que se denominan como suelos granulares, la

cohesión es muy baja y puede en muchos casos considerarse de valor cero y el ángulo de

fricción depende de la angulosidad y tamaño de las partículas, su constitución

mineralógica y su densidad. Generalmente el ángulo de de fricción en suelos granulares

varía de 27° a 42°, dependiendo del tipo de ensayo que se realice. Por ejemplo, en un

ensayo triaxial drenado el ángulo de fricción es 4° a 5° medido en un ensayo de corte

directo. En arcillas normalmente consolidadas y limos arcillosos se puede considerar la

fricción igual a cero y la cohesión como el valor total del esfuerzo de resistencia obtenida.

En suelos residuales generalmente, predominan las mezclas de partículas granulares y

arcillosas y el ángulo de fricción depende de la proporción grava-arena-limo y arcilla y de

las características de cada tipo de partícula presente.

Parámetros de presión de poros.

El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poro en el

campo. Estas presiones de poro pueden ser estimadas si los cambios de esfuerzo dentro

del suelo se puede determinar. Para esta estimación se pueden utilizar los parámetros de

presión de poros A y B propuestos por Skempton (1954) para calcular las presiones de

poro en exceso.

Δu=B Δσ3+A Δσ1−Δσ3

Donde

Δu: Exceso de presión de poros

B: Parámetros de presión de poros B

A: Parámetros de presión de poros A

Δσ1: Cambio de esfuerzo principal mayor

Δσ3: Cambio de esfuerzo principal menor

Los parámetros A y B deben ser determinados de ensayos de laboratorio o seleccionados

por experiencia. Para suelos saturados B se acerca a 1.0 pero su valor disminuye

drásticamente con la disminución en el grado de saturación. Los valores del parámetro A

dependen de las deformaciones y generalmente, alcanzan valores máximos en el

momento de la falla. Suelos normalmente consolidados tienden a agregar excesos de

presión de poro positivos durante el corte, en contraste los suelos sobreconsolidados

pueden esperarse que generen presiones de poro negativas.

El valor de A está muy influido por el nivel al cual el suelo ha sido previamente deformado,

el esfuerzo inicial del suelo, la historia de esfuerzos y la trayectoria de esfuerzos, tales

como carga y descarga (Lambe y Whitman, 1969)

ESTADO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES PLANAS

Se dice que un medio continuo está sometido a un estado de esfuerzos plano continuo

cuando puede determinarse un plano al que resulten paralelos los segmentos dirigidos representativos de los esfuerzos en todos los puntos de dicho medio. Es decir, los esfuerzos normales y tangenciales paralelos a la normal a ese plano determinado son

nulos en todos los puntos del medio Además, los esfuerzos no nulos son independientes de la coordenada x. Se dice que un medio continuo está sometido a un estado continuo de deformación plana cuando, para todos los puntos del medio puede determinarse un plano en el cual las deformaciones normales asociadas a él sean nulas y cuando, simultáneamente, existen otros dos planos normales al primero y entre sí, en los que las deformaciones angulares asociadas sean también nulas.

Según la Teoría de la Elasticidad el estado de esfuerzos plano en un punto está definido cuando se conocen los esfuerzos en ese punto, asociados a dos planos cualesquiera paralelos al eje X y mutuamente perpendiculares. En efecto, considérense conocidos los esfuerzos en P, ligados a los planos XY y XZ, cuyas trazas con el plano YZ son los ejes Y y Z, respectivamente.

Del equilibrio del prisma triangular en la Fig. XI-2 se deduce:

Las fuerzas Y y Z son las componentes de las fuerzas de masa en las direcciones de los

ejes Y y Z, respectivamente. Si ahora h 0, con lo que δ→δ' se tiene:

Las componentes normales (Ϭn ) y tangencial (Tn) del esfuerzo total Sn, asociado al plano

AB, definido por el versor ñ (cos a, sen a), pueden obtenerse sencillamente también con

los productos escalares:

En Teoría de la Elasticidad se demuestra que existen planos ortogonales entre sí,

llamados principales de esfuerzo, en los que los esfuerzos tangenciales son nulos,

existiendo únicamente esfuerzos normales, denominados principales; se demuestra

también que en un estado de esfuerzos plano, hay dos planos principales, con su

correspondiente esfuerzo principal ligado; uno de éstos es el mayor de todos los esfuerzos

normales actuantes en el punto considerado, mientras el otro es el menor.

Llevando estos valores a las ecuaciones generales (11-1), se obtiene:

De donde puede seguirse:

APLICACIÓN DE LA TEORÍA DEL POLO EN EL CÍRCULO DE Mohr

Círculo de Mohr

En un análisis de dos dimensiones, los esfuerzos en un punto pueden ser representados

por un elemento infinitamente pequeño sometido a los esfuerzos σx, σy y τxy. Si

estos esfuerzos se dibujan en unas coordenadas σ-τ, se puede trazar el círculo de

esfuerzos de Mohr.

En este círculo se definen los valores de σ máximo (σ1) y σ mínimo (σ3), conocidos como

esfuerzos principales.

Teoría de Mohr-Coulomb

Gráfica que representa las tensiones tangenciales en el eje de ordenadas y las tensiones

normales en el eje de coordenadas. La rotura se producirá en la línea marcada.

La teoría de Mohr-Coulomb es un modelo matemático (ver Superficie de fluencia) que

describe la respuesta de materiales quebradizos, tales como hormigón, o agregados de

partículas como el suelo,1 a esfuerzo cortante, así como tensión normal. La mayoría de los

materiales en ingeniería clásica se comportan siguiendo esta teoría al menos en una parte

del corte. En general, la teoría se aplica a los materiales para los que la resistencia a la

compresión es muy superior a la resistencia a la tracción, caso de los materiales cerámicos.

La teoría explica que el corte de un material se produce para una combinación entre tensión

normal y tensión tangencial, y que cuanto mayor sea la tensión normal, mayor será la

tensión tangencial necesaria para cortar el material.2

Aplicaciones

En Ingeniería geotécnica se utiliza para definir resistencia al corte de suelos y rocas en

diferentes casos de tensión efectiva.

En la ingeniería estructural se utiliza para determinar la carga de rotura, así como el ángulo

de la rotura de una fractura de desplazamiento en materiales cerámicos y similares (como

el hormigón). La hipótesis de Coulomb se emplea para determinar la combinación de

esfuerzo cortante y normal que causa una fractura del material. El círculo de Mohr se utiliza

para determinar los ángulos donde esas tensiones sean máximas. Generalmente la rotura

se producirá para el caso de tensión principal máxima.

Modelo

Círculos que representan un ensayo triaxial. En el ensayo triaxial las presiones aumentan

de forma igualitaria en todas direcciones.

Criterio de fallo de Mohr-Coulomb

El criterio de fallo de Mohr-Coulomb3 se representa por la envolvente lineal de los círculos

de Mohr que se producen en la rotura. La relación de esa envolvente se expresa como

Donde:

Es el esfuerzo cortante.

Es la tensión de normal.

Es la intersección de la línea de fallo con el eje de , llamada cohesión.

Es la pendiente del ángulo de la envolvente, también llamado el ángulo de rozamiento

interno.

La compresión se asume positiva para el esfuerzo de compresión, aunque también se

puede estudiar el caso con la tensión negativa cambiando el signo de

Si , el criterio de Mohr-Coulomb se reduce al criterio de Tresca. Si el

modelo de Mohr-Coulomb es equivalente al modelo de Rankine. Valores más altos de no

están permitidos.

De los círculos de Mohr tenemos:

Donde

y es la tensión máxima principal y es la tensión mínima principal.

De esta forma el criterio de Mohr-Coulomb puede expresarse también como:

Esta es la forma del criterio de Mohr-Coulomb aplicable al fallo en un plano paralelo a la

dirección .

Criterio de fallo de Mohr-Coulomb en tres dimensiones

El criterio de Mohr-Coulomb se expresa en las tres dimensiones como:

La superficie de fallo quedaría como un cono de sección hexagonal.

Las expresiones para y puede ser generalizada para tres dimensiones mediante el

desarrollo de expresiones para la tensión normal y la tensión cortante en un plano de

orientación arbitraria respecto a un eje de coordenadas. Si el vector unitario normal al plano

es

donde son los tres vectores ortonormales, y las tensiones principales

están alineadas con los vectores de la base , entonces la expresiones

para son

El criterio de Mohr Coulomb se puede usar en su expresión generalizada

Para los seis planos con tensión máxima de corte tangencial.

Una mejora común de este modelo es la combinación de hipótesis de fricción de Coulomb

con la hipótesis de tensión principal de Rankine para describir una fractura de separación.

El círculo de Mohr

Como se ha visto en el apartado anterior las expresiones que nos permiten calcular las

parejas de valores de tensión normal y tangencial que aparecen en un punto en función

de la orientación a estudiar representan la ecuación paramétrica de una circunferencia,

definida por:

Así el estado tensional de un punto, trabajando en estados de tensiones bidimensionales,

queda representado por una circunferencia en el plano - , en la que cada uno de sus

puntos corresponde a las tensiones según una orientación, esta construcción geométrica

recibe el nombre de círculo de Mohr (figura 3.15).

El criterio de signos utilizado en Mecánica de Suelos para trabajar con los círculos de

Mohr es el siguiente (figura 3.16):

Tensiones normales positivas si son de compresión.

Tensiones tangenciales positivas si definen un giro antihorario respecto al plano, o

giro horario respecto a un punto exterior al medio.

Ángulos positivos antihorarios.

En el apartado anterior se explicaba que un estado tensional bidimensional queda definido

por las tensiones en un par de planos perpendiculares, en la figura 3.17 se ve cómo

construir un círculo de Mohr a través de esta información. Para ello es muy útil la

propiedad que establece que las tensiones en planos perpendiculares corresponden a

puntos diametralmente opuestos del círculo.

De las muchas propiedades del círculo de Mohr quizá la más importante es la existencia

en él de un punto denominado polo, que se caracteriza por que si por él trazamos una

paralela al plano sobre el que actúan las tensiones, corta al círculo en un punto cuyas

coordenadas son las tensiones que actúan sobre el plano. La figura 3.18 muestra cómo

obtenerlo:

Figura 3.18 Obtención del polo a partir del estado tensional e inclinación del plano sobre el que actúan

las tensiones

Se puede observar como en ambos casos el modo de obtención del polo es el mismo:

1.- Se representan los puntos de coordenadas (σA, τA) y (σB, τB).

2.- Se dibuja el círculo, utilizando estos puntos para definir el diámetro.

3.- Se traza una línea por el punto (σA, τA), paralela al plano sobre el cual actúa el

esfuerzo (σA, τA).

4.- La intersección de la línea trazada con el círculo de Mohr es el polo. (Nótese que la

obtención del polo es análoga en procedimiento y localización a que la intersección se

obtenga con la paralela al plano donde actúan el otro par de valores (σB, τB), es decir, la

intersección de ambas paralelas resulta en un mismo punto P).

RELACIÓN DE LOS ESFUERZOS PRINCIPALES

Resulta de utilidad para estudios que se detallan en lo que sigue, principalmente referentes

a estabilidad de masas de tierra, establecer la relación entre los esfuerzos principales

actuantes en un punto de la masa, supuesta en estado de falla incipiente. Dentro de las

teorías de falla más importantes en el estado actual de la Mecánica de Suelos, figura una,

según la cual el material falla cuando el esfuerzo cortante en cualquier sección adquiere un

valor S, que depende del esfuerzo normal actuante en dicha sección.

La inclinación del plano en que actúan dichos esfuerzos respecto al plano en que actúa vi, el esfuerzo principal mayor, queda medida por el ángulo θ, que ahora vale, según se desprende de la geometría de la misma Fig. XI-9.

Por lo tanto en definitiva queda:

PRUEBA DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO

CORTANTE

La prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamente la única usada para

la determinación de la resistencia de los suelos; hoy, aun cuando conserva interés práctico

debido a su simplicidad, ha sido sustituida en buena parte por las pruebas de compresión

triaxial. En ésta, como en todas las pruebas de resistencia de suelos, caben

dos posibilidades de realización: el método de esfuerzo controlado y el de deformación

controlada. En el primero la prueba se lleva a efecto aplicando valores fijos de la fuerza

tangencial al aparato de modo que el esfuerzo aplicado tiene en todo momento un

valor prefijado; en el segundo tipo, la máquina actúa con una velocidad de deformación

constante y la fuerza actuante sobre el espécimen se lee en la báscula de la máquina que

la aplica.

Es sabido que cuando un material falla en una prueba de resistencia su curva esfuerzo-deformación será semejante a alguno de los dos arquetipos que aparecen en la Fig. XII-5.

La curva llena, de (a) es representativa de materiales llamados de "falla frágil" y se caracteriza porque después de llegar el esfuerzo a un máximo bien definido (resistencia) desciende rápidamente, al aumentar la deformación. La curva (b) corresponde a materiales de "falla plástica" en los que la falla se produce a un esfuerzo que se sostiene aunque la deformación aumente; la falla no está bien definida, habiendo en realidad lo que suele denominarse un flujo del material, bajo esfuerzo constante.

ENSAYOS DE LABORATORIO

Para obtener los parámetros de resistencia al cortante se pueden realizar ensayos de

resistencia de laboratorio o de campo o se pueden utilizar correlaciones empíricas a partir

de ensayos indirectos u otras propiedades de los suelos. Los ensayos de laboratorio más

comunes son los ensayos de Compresión triaxial y de Corte Directo.

Ensayo Triaxial

El equipo de ensayo Triaxial es muy versátil y permite realizar ensayos en una variedad de

procedimientos para determinar la resistencia al cortante, la rigidez y características de

deformación de las muestras. Adicionalmente, el ensayo puede realizarse para medir

características de consolidación y permeabilidad.

Se ensayan muestras cilíndricas dentro de una membrana delgada de caucho,

colocándolas dentro de una celda triaxial con dos tapas rígidas y pistones arriba y debajo

de la muestra.

La celda se llena de un fluido especial, se aplica una presión determinada sobre el fluido,

la cual se transmite por éste a la muestra. Los esfuerzos de cortante se aplican mediante

fuerzas de compresión verticales accionadas por los pistones (Figura 3.6). La Capítulo 3

Esfuerzo y resistencia al cortante 95 presión de poros dentro de la muestra puede medirse

a través de un pequeño tubo o bureta en contacto con la muestra. Para cada presión de

confinamiento se obtiene el esfuerzo desviador ( ) que se requiere para hacer fallar la

muestra.

El drenaje de la muestra se realiza a través de las piedras porosas y el cambio de volumen

de agua puede medirse. Alternativamente, si no se permite drenaje, se puede medir la

presión de poros. Realizando varias pruebas se puede obtener la envolvente de Mohr para

un suelo determinado.

El comportamiento Esfuerzo–deformación es determinado por la presión de confinamiento,

la historia de esfuerzos y otros factores. El ensayo también puede realizarse incrementando

los esfuerzos radiales mientras se mantiene constante la fuerza axial (Figura 3.7).

Una descripción detallada del procedimiento de ensayo y medición de presión de poros se

presenta en manuales de laboratorio y textos de mecánica de suelos (Bowles –1986).

En algunos países del mundo el ensayo Triaxial es el más utilizado especialmente, por la

posibilidad de modelar las condiciones de drenaje y la medición de presión de poros en

suelos saturados.

Pre-saturación de la muestra

Es muy importante en los ensayos triaxiales y en general en los ensayos de resistencia al

cortante el garantizar que la muestra se encuentre saturada durante la totalidad del ensayo.

Puede tomar entre 2 horas a un día el proceso completo de saturación dependiendo del

tipo de suelo. Se debe asegurar que el aire no se acumule entre la muestra y la membrana

de caucho. Durante la saturación se pueden requerir presiones de confinamiento para

ayudar en el proceso, pero estas presiones se deben mantener a un nivel bajo para evitar

preconsolidar la muestra.

Tipos de ensayo Triaxial

Generalmente existen cuatro formas de realizar el ensayo Triaxial así:

a. Ensayo inconfinado no-drenado

La muestra se coloca dentro de la cámara para ensayo triaxial sin membrana de caucho.

No se coloca presión de confinamiento, pero la muestra debe encontrarse saturada. La rata

de deformación generalmente se trabaja al 2% de la longitud axial de la muestra por minuto.

Este ensayo solo es posible realizarlo para suelos arcillosos y se obtiene la resistencia al

cortante no drenada inmediata (Su). No es posible realizar el ensayo en arcillas fisuradas o

con cohesión muy baja.

b. Ensayo No consolidado - No drenado o ensayo rápido

No se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de confinamiento y el esfuerzo

desviador. Este ensayo se le utiliza para modelar, el caso de un terraplén o una carga

colocada muy rápidamente sobre un manto de arcilla saturada, de muy baja permeabilidad.

Este ensayo se realiza a una rata de deformación relativamente rápida. Generalmente se

utiliza una presión de confinamiento igual a la presión geostática que actúa sobre el suelo

en el campo. Este ensayo se le conoce como ensayo rápido.

c. Ensayo Consolidado no drenado, con medición de presión de poros

Se permite el drenaje durante la aplicación del esfuerzo de confinamiento colocándolo

lentamente, pero se impide durante la aplicación del esfuerzo desviador.

Los ensayos no drenados deben realizarse a una rata que no exceda una deformación

unitaria del 2% por hora, con el objeto de lograr una ecualización completa de la presión de

poros a través de la muestra. Las lecturas se toman cada medio porcentaje de deformación

o en forma continua. Este ensayo se le conoce como ensayo R.

Se le emplea para simular el caso de desembalse rápido de una represa o la colocación

rápida de un terraplén sobre un talud.

d. Ensayo Consolidado drenado

El ensayo se realiza lentamente para permitir el drenaje del agua dentro de la muestra e

impedir que se puedan generar presiones de poros.

Los ensayos drenados son generalmente, preferidos para ensayos rutinarios (Geotechnical

Engineering Office, 1979), debido a la facilidad de su ejecución y son los más utilizados

para el análisis de laderas y taludes.

La velocidad de ensayo debe ser tal, que las fluctuaciones en la presión de poros sean

despreciables y en cualquier caso no superiores al 5% de la presión efectiva de

confinamiento. Este ensayo se le conoce como ensayo S o ensayo lento.

De acuerdo al tipo de ensayo se obtiene un valor diferente de ángulo de fricción.

En general, el ensayo consolidado drenado presenta ángulos de fricción mayores, mientras

el ensayo No consolidado - No drenado da los valores mínimos de . (Winterkorn y Fang –

1991).

En la interpretación de resultados de ensayos Triaxiales debe tenerse en cuenta las

siguientes fuentes de error:

a. Las muestras tienden a deformarse como un barril, lo cual conduce a sobreestimación

de la resistencia al cortante.

b. En el proceso de saturación, la muestra tiende a alterarse por cambio de volumen, lo cual

puede determinar una pérdida de resistencia.

Las condiciones de resistencia no drenada prevalecen inmediatamente después del cargue

o descargue de arcillas blandas con muy baja permeabilidad. Por lo tanto, las arcillas poco

consolidadas se comportan como si tuvieran un valor de φ = 0, lo cual equivale a que la

envolvente Mohr-Coulomb es horizontal. Este concepto de resistencia no drenada debe ser

utilizado para el análisis de estabilidad de problemas en suelos normalmente consolidados

o poco sobreconsolidados. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 97

Sin embargo, si la relación de sobreconsolidación es mayor de 4 el suelo tiende a

incrementar su volumen durante el corte con una disminución en la presión de poros, por lo

tanto en este caso no se cumple la condición de resistencia no drenada y se recomienda

utilizar la resistencia consolidada drenada.

Variables del ensayo Triaxial

Los resultados que pueden ser obtenidos del ensayo Triaxial dependen del tipo de ensayo

y del equipo disponible y se pueden obtener los siguientes resultados:

a. La envolvente de falla con el ángulo de fricción y la cohesión pico.

b. La respuesta de presión de poros al corte (Ensayos no drenado).

c. La respuesta de cambio de volumen al corte (ensayo drenado).

d. Módulos tangente y secante inicial o los correspondientes de descarga y recarga.

e. Las características de consolidación.

f. La permeabilidad a diferentes presiones de confinamiento.

Tamaño de la muestra

Para ensayar suelos residuales, el diámetro de la muestra no debe ser menor de 76 mm.,

debido a que diámetros menores no se consideran representativos para tener en cuenta los

efectos de escala, relacionados con las fisuras y juntas en el suelo.

Adicionalmente, el diámetro no debe ser menor de 8 veces el tamaño máximo de la

partícula. La relación largo – diámetro no debe ser menor de 2 – 1.

Consolidación antes del Corte

La muestra es consolidada o no consolidada, de acuerdo al tipo de ensayo que se realice.

En suelos saturados (arcillas y limos) para una serie de ensayos a la misma profundidad,

la resistencia a la compresión para ensayos no consolidados no drenados se encontró que

es independiente de la presión de la celda, con excepción de las arcillas fisuradas.

a. Ensayo a un nivel muy alto de esfuerzos

La envolvente del círculo de Mohr tiene una forma curva y si se trabaja con niveles altos de

esfuerzos se puede sobreestimar la resistencia para el caso real de esfuerzos menores; por

ejemplo, para esfuerzos de confinamiento entre 100 y 400 kPa, las resistencias se pueden

sobreestimar hasta en un 300 %. Por lo tanto, es importante que el ensayo Triaxial se realice

al nivel de esfuerzos de confinamiento reales en el talud analizado.

b. Saturación incompleta

Comúnmente, las muestras inalteradas no son ensayadas con saturación total debido a que

por gravedad es difícil obtener la saturación. El resultado es un aumento en el valor de la

resistencia de laboratorio, comparativamente con la resistencia real en campo, para el caso

saturado.

c. Ensayo a una rata muy alta de deformación

Las ratas altas de deformación no permiten disipar la presión de poros en el ensayo

consolidado drenado.

El ensayo cíclico se ejecuta en una celda similar a la del ensayo triaxial con excepción de

que la parte alta de la celda tiene un pistón más largo que puede transmitir cargas cíclicas

sobre la parte superior de la muestra a ensayar. El equipo tiene que aplicar una carga

uniforme sinusoidal a una frecuencia entre 0.1 y 2 ciclos por segundo (Hz) (figura 3A-22).

La frecuencia más común utilizada es de un ciclo por segundo. Las mediciones de carga

axial se realizan mediante una celda electrónica y las presiones de poro se monitorean con

un equipo de alta precisión capaz de medir variaciones de + 0.25 psi.

El objetivo principal de un programa de ensayo de triaxial cíclico es el determinar el

potencial de licuación de los suelos. Después de realizar los ensayos cíclicos se realiza un

ensayo triaxial convencional no-drenado.

Ensayo de superficie ancha plana

En deslizamientos en común que el ancho del deslizamiento sea mayor que su profundidad.

En estos casos la falla ocurre por cortante en una superficie plana de deformaciones. Por

esta razón, algunos autores (Cornforth, 2005) recomiendan realizar ensayos en superficies

anchas planas. Aunque no existen equipos comercialmente disponibles para estos

ensayos, algunos laboratorios en EEUU e Inglaterra disponen de estos equipos el cual fue

desarrollado inicialmente por Bishop (figura 3A- 24) .

Ensayo de Corte Directo en caja

En el ensayo de corte directo en caja se coloca una muestra dentro de una caja partida en

dos mitades de forma rectangular, cuadrada o circular. Para realizar el ensayo una de las

dos mitades se mueve con respecto a la otra mitad y el suelo se rompe a lo largo del plano

entre los dos elementos de la caja. Este ensayo es el más común para obtener la resistencia

de los suelos en los estudios de deslizamientos. Este ensayo es simple y económico de

realizar pero presenta los inconvenientes del poco control que se tiene sobre las

condiciones de drenaje, la dificultad para medir presiones de poro y algunos problemas

inherentes a los mecanismos de las máquinas que realizan los ensayos.

Las ventajas de los ensayos de Corte Directo son su facilidad de ejecución, la cual permite

la realización de una cantidad grande de pruebas en poco tiempo y la posibilidad de realizar

ensayos sobre superficies de discontinuidad.

En este ensayo la resistencia al cortante puede medirse en un plano predeterminado,

cortando la muestra con una determinada orientación. La superficie de falla es predefinida

y no depende de las propiedades del suelo, y por esta razón los valores de resistencia

obtenidos tienden a ser mayores que en los ensayos triaxiales.

La muestra se coloca en una caja compuesta por dos anillos (Figura 3.9 ), uno superior y

otro inferior, los cuales pueden desplazarse horizontalmente el uno con respecto al otro al

aplicarse una fuerza de cortante. Las muestras no pueden saturarse completamente pero

un grado de saturación relativamente alto se puede obtener sumergiendo la muestra en

agua por un periodo largo de tiempo, antes del ensayo. Sin embargo, debe tenerse Capítulo

3 Esfuerzo y resistencia al cortante 99 mucho cuidado con los efectos de saturación sobre

algunos materiales, especialmente los suelos expansivos.

Ensayos con deformación controlada o con esfuerzo controlado

El esfuerzo de corte puede ser aplicado incrementando los esfuerzos en forma gradual y

midiendo la deformación producida (Esfuerzo controlado) o moviendo las partes del equipo

a un desplazamiento dado y midiendo el esfuerzo resultante (deformación controlada). Los

ensayos de Esfuerzo controlado no son comúnes; sin embargo son convenientes en el caso

de que se requiera una rata de desplazamiento muy baja y cuando se desea conocer el

comportamiento de los suelos a la reptación. Este tipo de ensayo no puede determinar el

esfuerzo pico y la resistencia residual en forma precisa. El ensayo de deformación

controlada es más fácil de efectuar y permite obtener la resistencia última y la resistencia

residual.

Rata de Corte

La rata de corte depende de las condiciones de drenaje a las cuales se requiere realizar el

ensayo y por lo tanto a la permeabilidad de la muestra.

La naturaleza del ensayo de Corte directo generalmente, no permite obtener una condición

completamente drenada o completamente no drenada en un ensayo a una rata constante

de corte. Sin embargo, en la práctica es posible seleccionar una rata de deformación tal,

que la desviación con las condiciones reales no es significativa.

Head (1982) recomienda un tiempo de falla para un ensayo de Corte drenado:

tf = 12.7 t

100

Donde t100

es el tiempo correspondiente al 100% de la Consolidación primaria.

La Normas ASTM D 3080 recomienda

tf = 50 t

50

Donde t50

corresponde al 50% de la Consolidación primaria.

Una vez determinado el tf, la rata de corte puede ser estimada conociendo

aproximadamente el desplazamiento horizontal para la resistencia pico.

Para suelos residuales de granito Cheung (1988) encontró que no había diferencias en los

parámetros de resistencia obtenidos para ratas de deformación entre 0.007 y 0.6 mm por

minuto. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 100

Una velocidad máxima de 0.08 mm/minuto se considera apropiada para ensayos drenados

de suelos residuales.

Cargas normales

Las cargas normales que se deben utilizar en el ensayo deben incluir los esfuerzos máximos

que se suponen ocurren en el terreno. Al menos, deben realizarse ensayos con cuatro

cargas diferentes para definir una envolvente de falla.

En suelos no cohesivos la envolvente de falla generalmente, pasa por el origen pero con

suelos relativamente cementados debe haber un intercepto de cohesión. Si esta

componente cohesiva es de importancia en la aplicación de ingeniería a analizar, debe

realizarse ensayos con cargas normales muy pequeñas sobre muestras inalteradas,

manejadas con mucho cuidado para evitar alteraciones.

Densidad de la muestra

Cuando se realicen ensayos para analizar taludes de rellenos compactados, se debe definir

lo más preciso posible la densidad a la cual se debe ensayar la muestra, de acuerdo a la

densidad del relleno.

Desplazamiento máximo

En ensayos con deformación controlada generalmente, se requiere conocer la resistencia

residual. En ese caso, una forma es realizar un ensayo devolviendo la muestra después de

pasar por la resistencia pico.

Si no se requiere obtener la resistenciar residual, el ensayo puede detenerse después de

pasar la resistencia pico pero en ningún momento menos de 10 mm. Si el suelo no muestra

resistencia pico por tratarse de un material muy blando, un desplazamiento de 15 mm. es

suficiente.

Tamaño de la muestra

Las cajas para corte son comúnmente cuadradas pero las hay también circulares. En las

cajas cuadradas es más fácil tener en cuenta la reducción de área durante el ensayo. Las

dimensiones típicas para la caja cuadrada son 60 mm o 100 mm y en algunos casos hasta

300 mm o más. En las cajas circulares los tamaños comunes son 50 y 75 mm.

El tamaño máximo de la partícula de suelo determina el espesor de la muestra (Cheung,

1988). De acuerdo a la Norma ASTM D3080 se deben tener en cuenta las siguientes

indicaciones:

a. El espesor de la muestra debe ser al menos seis veces el tamaño máximo de los granos

de suelo y no menos de 12.5 mm.

b. El diámetro de la muestra (o ancho) debe ser al menos dos veces el espesor.

La especificación China para ensayos geotécnicos recomienda un espesor de 4 a 8 veces

el tamaño de grano y un diámetro 8 a 12 veces el tamaño máximo de grano.

Ensayo de corte directo en anillo

Este ensayo consiste en la colocación de un esfuerzo de cortante hasta la falla de una

muestra de suelo en forma de anillo. La fuerza que se aplica consiste en un torque y el

desplazamiento es circular. (Figura 3A-21). La mayor ventaja de este ensayo comparada

con el ensayo tradicional de corte directo en caja es que el movimiento de cortante es

continuo hasta llegar a la condición residual. Este equipo no se encuentra disponible

comercialmente.

Ensayo de Compresión simple

El ensayo de Compresión simple es un ensayo de compresión de una muestra cilíndrica

con una relación diámetro longitud 1: 2. La muestra es comprimida axialmente hasta que

ocurre la falla. La resistencia al cortante se asume que es igual a la mitad de la resistencia

a la compresión.

Debe tenerse en cuenta que los resultados son expresados en términos de esfuerzos

totales, debido a que no se mide ningún tipo de presión de poros y los ensayos en limos o

arenas o materiales _igurados no tienen ninguna validez. El ensayo es solo aplicable a

suelos cohesivos que no permiten la salida de agua durante el proceso de carga.

Generalmente, el valor de la resistencia no drenada se supone igual a la mitad del valor de

la resistencia inconfinada.

Su

= ½ qu

En todos los casos, debido a las incertidumbres asociadas con el ensayo, el muestreo y su

preparación, esta prueba de laboratorio solamente puede utilizarse como un estimado

aproximado de la resistencia en el sitio.

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.

Dónde: 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.

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.

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.

Ensayo de penetrómetro de bolsillo

El penetrómetro manual o penetrómetro de bolsillo es un pistón cargado por un resorte de

¼” de diámetro el cual se entierra ¼” dentro de la superficie de una arcilla. Como la arcilla

de acuerdo a su resistencia resiste la penetración del pistón, se registra la resistencia al

cortante no drenada del suelo. Algunos penetrómetros están calibrados para la resistencia

de la compresión inconfinada equivalente a dos veces la resistencia al cortante C. La

penetración tiene que darse suavemente y es más confiable en arcillas medianamente

duras. En arcillas muy duras o frágiles la penetración rompe el suelo y el resultado no es

confiable. En arcillas blandas no hay suficiente resistencia para que se registre en el

medidor del penetrómetro. Los penetrómetros de bolsillo pueden utilizarse tanto en el

campo como en el laboratorio y se obtiene una medida relativamente “cruda” de la

resistencia, dependiendo en buena parte de la forma como el operador realice el ensayo.

Los datos de penetrómetro de cono no es recomendable utilizarlos para cálculos de

estabilidad sino solamente para describir los materiales.

Ensayo de “Torvane”

El torvane es una cabeza de forma circular con una serie de veletas organizadas

radialmente alrededor de la circunferencia (figura 3A-23).

Las veletas del torvane se penetran dentro del suelo y se aplica un torque a través de un

resorte calibrado hasta que la arcilla falla. La lectura muestra la resistencia al cortante no-

drenada. El torque debe aplicarse muy lentamente. El torvane generalmente tiene dos

cabezas diferentes, una para arcillas duras y otra para arcillas blandas.

El torvane es más confiable para arcillas blandas que para arcillas duras debido a que al

penetrar las veletas se puede romper la arcilla localmente. Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia

al cortante 103

PRUEBA DE CAMPO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA AL ESFUERZO

CORTANTE IN SITU

La utilización de ensayos in situ permite determinar la resistencia al cortante directamente

en el campo, utilizando ensayos sencillos o complejos. Los ensayos de campo son muy

útiles para determinar la resistencia al cortante en suelos residuales por las siguientes

razones:

a. Se elimina la alteración por muestreo, transporte y almacenamiento.

b. El tamaño de la muestra es mayor y más representativo de la masa de suelo.

Hay una gran variedad de ensayos disponibles para medir la resistencia al cortante in situ,

bien sea en forma directa o indirecta, a través de correlaciones empíricas o semiempíricas.

Cuando se planea un programa de investigación que requiere la determinación de los

parámetros de resistencia al cortante, se deben analizar los diversos equipos y sistemas

disponibles y las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos, teniendo en cuenta

las necesidades del diseño y cómo la confiabilidad de esos parámetros van a influenciar el

comportamiento de los diseños.

Los tipos de ensayo más utilizados se indican en la tabla.

Ensayos de resistencia in situ Ensayo Observaciones y limitaciones

Corte directo en el campo Se realiza generalmente en apiques poco

profundos, consume mucho tiempo y es

costoso.

Veleta Recomendable para suelos finos solamente.

Corte en sondeo El área de contacto es limitada y solo se

recomienda para profundidades bajas.

Penetración estandar Utilizado principalmente para suelos granulares

y arcillas secas, duras.

Penetración de cono Para suelos blandos o sueltos a densidad

mediana, predominantemente suelos finos.

Presurómetro Utilizado para todo tipo de suelos. Requiere de

una excelente calidad del perímetro del sondeo.

Es difícil de utilizar en suelos rocosos.

Ensayo de Corte Directo in situ

Es un ensayo muy poco utilizado por su costo relativamente alto. La mayoría de los casos

reportados en la literatura se refieren a ensayos en roca, debido a que no es posible

determinar la resistencia de estos materiales heterogéneos o estratificados mediante

ensayos de laboratorio. El ensayo de Corte directo de campo es particularmente útil para

simular la condición de esfuerzos que existe sobre una superficie plana, potencial de

deslizamiento en una ladera. También permite el corte con cargas normales bajas, como

es el caso de fallas poco profundas. El principal propósito de este ensayo es determinar los

valores de las resistencias pico y residual tanto en material intacto como en

discontinuidades, incluyendo las discontinuidades heredadas. El ensayo generalmente, se

realiza en apiques. La mayoría de los ensayos Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante

104 se organizan en tal forma que el plano es horizontal e idealmente, el plano de corte

debe ser paralelo a un grupo mayor de discontinuidades o coincidir lo más preciso posible

con una discontinuidad mayor.

El tamaño de las muestras debe ser al menos 10 veces el tamaño máximo de partícula.

Tamaños típicos son 300 x 300 mm y 500 x 500 mm para suelos o roca meteorizada. La

excavación del apique y del pedestal (muestra a ensayar) debe hacerse con un cuidado

muy especial para evitar alterar las discontinuidades en la muestra. Una vez se excava el

pedestal debe protegerse de la exposición para evitar cambios de humedad.

Si se desea realizar el ensayo a lo largo de una discontinuidad, la orientación espacial de

la discontinuidad (Rumbo y buzamiento) deben identificarse muy claramente, antes de

iniciar el tallado de la muestra.

El equipo para realizar el ensayo de corte directo en campo consiste de pesos, apoyos y

gatos hidráulicos. Durante el ensayo el alineamiento de la carga vertical debe mantenerse

a medida que avanza el desplazamiento de corte.

Ensayo de penetración estandar

En el ensayo de penetración estándar se entierra un tubo partido, aplicando golpes con un

martillo de 63 Kg. que cae de una altura de 750 mm. El número de golpes requerido para

enterrar el tubo 300 mm. se denomina N de penetración estándar. Con el número de golpes

se puede estimar el valor del ángulo de fricción interna ´ para arenas (Peck, 1974). También

se puede obtener la densidad relativa y con esa densidad relativa obtener el valor de ´

(Schmertmann, 1975).

El ensayo de penetración estándar se desarrolló inicialmente para determinar la resistencia

de suelos no cohesivos y la mayoría de las correlaciones que existen en la literatura son

útiles solamente para gravas y arenas.

Stroud (1974) desarrolló una correlación muy útil del valor de N para arcillas duras y rocas

blandas, en el Reino Unido. La relación de Stroud es la siguiente: cu

= 5N kPa. Esta

correlación es utilizada para obtener la resistencia de suelos residuales arcillosos, cuando

las profundidades del perfil de suelo no son mayores de 5 metros.

Las resistencias no-drenadas de las arcillas pueden ser estimadas en forma general con

base en los resultados de los ensayos de penetración estándar. En la figura 3A-16 se

muestra la variación entre la resistencia no-drenada, el N de penetración estándar y el

índice plástico (Terzaghi y otros, 1996).Esta relación no es muy precisa y debe utilizarse

con cuidado. El ensayo de penetración estándar no es confiable para el análisis de la

resistencia en arcillas saturadas.

Ensayo de penetración de cono

En el ensayo de cono se introduce un cono con un ángulo, utilizando una fuerza Q. La

resistencia al cortante es obtenida por la relación: qc = 2hKQ

Donde:

h = Altura del cono

K = Constante que depende de y de Q Capítulo 3 Esfuerzo y resistencia al cortante 105

Con el valor de la resistencia a la penetración del cono, se puede obtener el ángulo de

fricción ´ o la cohesión, para lo cual existen diferentes correlaciones.

La relación entre la resistencia no-drenada y la resistencia de cono puede darse mediante

la siguiente expresión:

Donde:

Su = resistencia no-drenada al cortante

σv = presión geostática a la profundidad de ensayo

*kN = factor de cono (típicamente igual a 14 + 5 para la mayoría de las arcillas)

La utilización del ensayo de cono en suelos residuales es muy limitada, debido a la dificultad

de penetración. Un desarrollo relativamente reciente es el piezocono, el cual mide la presión

de poros, además de la resistencia no drenada (Figura 3.13).

Presurómetro

El ensayo de Presurómetro también se le utiliza con algunas modificaciones para obtener

la resistencia al cortante y las relaciones Esfuerzo – Deformación (Wroth, 1984). Pavlakis

(1983), presentó resultados de muy buena co-relación entre el presurómetro y los ensayos

triaxiales no consolidados no drenados.

Adicionalmente, existen ensayos de cortante realizados directamente en los sondeos, en la

forma como se indica en el capítulo 2.

TEORÍA DE PRESIÓN DE PORO O PRESIÓN NEUTRA

La presión de poros está definida como la presión que ejerce un fluido en los espacios porosos de la roca. También es llamada presión de formación o presión poral, está en función de los fluidos de formación y de las cargas que están soportando. La presión de poros está clasificada por dos categorías:

Presión normal: es la presión hidrostática de una columna de fluido de la formación que

se extiende desde la superficie hasta una profundidad dada.

Presión anormal: es definida como la presión mayor o menor a la presión de poros

hidrostática, las causas de estas presiones anormales están relacionadas a diferentes eventos geológicos, geoquímicos, geotérmicos y mecánicos. El análisis de esfuerzos efectivos requiere del conocimiento de las presiones de poro en el

campo. Estas presiones de poro pueden ser estimadas si los cambios de Esfuerzo dentro

del suelo se pueden determinar. Para esta estimación se pueden utilizar los parámetros de

presión de poros A y B propuestos por Skempton (1954) para calcular las presiones de poro

en exceso.

MEJORAMIENTO MECÁNICO DE LOS SUELOS

Todos los métodos aquí mencionados se enfoca básicamente en un término muy

importante la cual es la compactación, esta definición es muy importante y beneficioso en

mecánica de suelos ya que este propicia a que aumenta la capacidad para soportar cargas,

es decir, los vacíos se reducen y la incapacidad para soportar cargas pesadas queda nula,

otro beneficio es que impide el hundimiento del suelo y por consiguiente el de la estructura

o edificación.

En los laboratorios determinar el contenido de agua optimo es de vital importancia ya que

dé él depende que el estrato mantenga su estabilidad, es decir, que no sea muy plástico ni

muy seco ya que cada extremo presenta desventajas.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMPACTACIÓN

Como se ha visto en la teoría, la influencia de la humedad del suelo en el proceso de

compactación es importante, por lo que parece obvio que debería controlarse el contenido

de humedad de la capa granular objeto de la compactación.

Si esto no se realizase, las variaciones de humedad que se produzcan después de la

construcción, al provocar cambios de volumen con determinados tipos de suelos, pueden

producir deformaciones.

Un problema es cuando el material que va a formar la capa granular, llega a la obra con

poca humedad, se debe estudiar cual es la humedad que tenía antes en el terreno o en el

acopio, ya que puede suceder que durante las fases de extracción, transporte y extensión

el suelo pierda demasiada humedad. Si esto es así un reestudio de estas operaciones

puede reducir o eliminar el problema.

Pasando ahora al caso de que la humedad es excesiva, se debe estudiar como en el caso

anterior todo el proceso que sufre el material y corregir si se observase algún defecto.

También es importante resolver el problema de la variación de humedad al trabajar con

lluvia.

En el caso de que el estudio del proceso no diera resultado, se debe proceder al oreo del

material que forma la capa, hasta que este alcance la humedad adecuada, o incluso a la

adición de cal.

ENERGÍA DE COMPACTACIÓN

Al compactar varias muestras del mismo suelo con la misma energía de compactación pero

con diferente porcentaje de humedad, nos encontramos como la densidad seca de la capa

compactada se va incrementando al aumentar la humedad, hasta que se alcanza un valor

máximo, a partir del cual el aumento de la humedad lleva a valores decrecientes de la

densidad seca, por el efecto del agua en la compactación que se ha expresado

anteriormente.

Cuando la compactación se realiza con una humedad inferior a la óptima, se dice que la

compactación se realiza del lado seco, mientras que cuando se realiza con una humedad

superior a la óptima se dice que se compacta del lado húmedo.

Al aumentar la energía de compactación para un mismo suelo, la humedad óptima se va

reduciendo, al tiempo que aumenta la densidad seca máxima que se obtiene en el proceso.

En el laboratorio se estudia la humedad óptima del proceso y la densidad seca máxima

esperable mediante el ensayo Proctor.

En este ensayo se compacta una muestra del suelo con una cierta energía y mediante

aportaciones diferentes de agua se obtiene la curva densidad seca versus humedad. De

ella se deducen los valores de la humedad óptima y de la densidad seca máxima.

MÉTODO DE COMPACTACIÓN

La compactación es el procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar

espacios vacíos, aumentando así su densidad y en consecuencia, su capacidad de soporte

y estabilidad entre otras propiedades. Su objetivo es el mejoramiento de las propiedades

de ingeniería del suelo.

Se emplean cuatro métodos principales de compactación:

Ø Compactación estática o por presión: La compactación se logra utilizando una máquina

pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo, sin necesidad de movimiento

vibratorio. Por ejemplo: rodillo estático o rodillo liso.

Ø Compactación por impacto. La compactación es producida por una placa apisonadora

que golpea y se separa del suelo a alta velocidad.

Por ejemplo: un apisonador

Ø Compactación por vibración: La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones

de alta frecuencia. Ideales para suelos granulares por ejemplo: placa o rodillos vibratorios.

Ø compactación por amasado: La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones

distribuidas en áreas más pequeñas que los rodillos lisos. Ideales para suelos cohesivos

Por ejemplo: Un rodillo “Pata de Cabra”.

CANTIDAD DE FRACCIÓN GRUESO

La forma de las partículas gruesas de un suelo influye en la compacidad y estabilidad del

depósito del mismo.

Cuando se examinan las partículas más gruesas del suelo a simple vista o con una lupa

pequeña, se debe tratar de estimar el grado de meteorización. La presencia de materiales

débiles, como latitas y mica, deberá también tenerse en cuenta, ya que estos materiales

pueden influir en la durabilidad o compresibilidad del depósito.

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

Los dos factores que más influyen son el reúso y el logro de una homogénea distribución

del contenido de agua.

En muchos laboratorios es práctica común usar la misma muestra para la obtención de

puntos sucesivos de las pruebas de compactación; ello implica la continuada re

compactación del mismo suelo. Se ha visto que esta práctica es inconveniente en lo

absoluto, toda vez que la experimentación ha demostrado, sin género de duda, que si se

trabaja con suelos re compactados lo pesos volumétricos que se obtiene son mayores que

los que se logran con muestras vírgenes en igualdad de circunstancias, de modo que con

suelos re compactados la prueba puede llegar a dejar de ser representativa. Una

explicación sencilla de este efecto radica en la deformación volumétrica de tipo plástico que

causan sucesivas compactaciones.

Una muestra con una distribución homogénea del contenido de humedad servirá para

realizar pruebas correctas de compactación.

PRUEBAS DE COMPACTACIÓN EN EL LABORATORIO

Prueba proctor estándar

Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en el

laboratorio unas condiciones dadas de compactación de campo. Históricamente, el primer

método, en el sentido de la técnica actual, es el debido a R. R. Proctor, y es conocida hoy

en día como "Prueba Proctor Estándar". La prueba consiste en compactar el suelo en

cuestión en tres capas dentro de un molde de dimensiones y forma determinadas por medio

de golpes de un pisón, que se deja caer libremente desde una altura especificada.

Con este procedimiento de compactación Proctor estudió la influencia que ejercía en el

proceso el contenido inicial del agua en el suelo, encontrando que tal valor era de vital

importancia en la compactación lograda. En efecto observó que a contenidos de humedad

crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por

lo tanto, mejores compactaciones del suelo, pero que esa tendencia no se mantenía

indefinidamente, sino que la pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos

secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones. Proctor puso de

manifiesto que, para un suelo dado y usando el procedimiento descrito, existe una humedad

inicial llamada "óptima", que produce el máximo peso específico seco que puede lograrse

con este procedimiento de compactación.

EQUIPO EMPLEADO:

El objetivo de la práctica es obtener el peso específico seco máximo de laboratorio y la humedad óptima de compactación. El material y equipo utilizado fue el siguiente:

Molde de acero de 4" de diámetro y aprox. 12 cm de altura Martillo de compactación con guía Base y extensión para el molde W del martillo ( prueba estándar): W=

W del martillo ( prueba modificada): W= Malla del No. 4 Cucharón Enrazador Probeta de 100ml 5 cápsulas de aluminio Desarmador plano Charola cuadrada Balanza con aproximación de un gramo Balanza electrónica Vernier o flexo metro

҉ Después de recibir el material y equipo, se comenzó por medir el diámetro y la altura

del molde y a pesarlo; mientras otros compañeros calculaban el número de golpes a aplicar

para cada capa.

҉ Al mismo tiempo otros compañeros cribaban el material por la malla #4. Después se le

comenzó a agregar agua hasta que al apretarlo con la mano formó un grumo que no se

deshacía fácilmente.

҉ Se colocó el molde con la base y la extensión en la base para compactar, se le adicionó

material suelto y se precedió a compactar, se escarifico para agregar la segunda capa y se

compacto, lo mismo se hizo para la tercera capa. Se rasco el perímetro del molde para

evitar que se viniera la tercera capa con la extensión y se enrazó el material excedente; se

pesó el cilindro sin la base pero con el material compactado y por diferencia de pesos se

obtuvo el peso del suelo húmedo.

҉ Hecho lo anterior se procede a extraer el material del cilindro ayudados por un gato

hidráulico y se extrajo una muestra representativa de aproximadamente 100gr. para obtener

el contenido de humedad del material.

҉ Se repite el procedimiento descrito anteriormente hasta que el peso del material húmedo

disminuya en dos ocasiones consecutivas.

PRUEBA PROCTOR MODIFICADO

Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en

laboratorio las condiciones dadas de compactación en terreno. El más empleado,

actualmente, es el denominado prueba Proctor modificado en el que se aplica mayor

energía de compactación que el estándar siendo el que está mas de acuerdo con las

solicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo.

También para algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Proctor de 15

golpes. La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguiente fórmula:

Ee = N * n * W * h V

Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió la influencia que ejercía en el

proceso el contenido inicial de agua de suelo. Observó que a contenidos de humedad

crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por

lo tanto, mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no se mantenía

indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos

secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones en la muestra. Es decir,

que existe una humedad inicial denominada humedad optima, que produce el máximo peso

específico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación y, por

consiguiente, la mejor compactación del suelo.

Los resultados de las pruebas de compactación se grafican en curvas que relacionan el

peso específico seco versus el contenido de agua, lo que se puede apreciar en la Figura

5.17, para diferentes suelos.

PRUEBA PORTER

Este método de prueba sirve para determinar el peso volumétrico seco máximo y la

humedad óptima en suelos con partículas gruesas que se emplean en la construcción de

terracerías; también se puede emplear en arenas y en materiales finos cuyo índice plástico

sea menor que 6. El método consiste en preparar especímenes con material que pasa la

malla de una pulgada, a los que se le agregan diferentes cantidades de agua y se

compactan con carga estática.

Objetivo: En esta práctica se determinara la compactación por carga estática ya que es

igual que la prueba. Proctor se calculara el peso específico seco máximo y contenido de

humedad.

DETERMINACIÓN DE PESOS ESPECÍFICOS SECOS EN EL CAMPO

Cono de arena La calidad durante un proceso de compactación en campo se mide a partir de un parámetro

conocido como grado de compactación, el cual representa un cierto porcentaje. Su

evaluación involucra la determinación previa del peso específico y de la humedad óptima

correspondiente a la capa de material ya compactado. Este método de conocer el grado de

compactación es un método destructivo ya que se basa en determinar el peso específico

seco de campo a partir del material extraído de una cala, la cual se realiza sobre la capa de

material ya compactada.

Se mide el diámetro y altura del cilindro y se calcula el volumen del cilindro; después se

pesa el cilindro con la base, se cierra la válvula del cono, se coloca éste sobre las mariposas

del cilindro evitando que se mueva, se abre la válvula y se llena el molde con arena hasta

que ésta se derrame; se cierra la válvula una vez que ha cesado el movimiento al interior

del frasco y se enraza el cilindro ayudado por un cordell para evitar ejercer presión, se limpia

la base con la brocha y se pesa; por diferencia de pesos se obtiene el peso de la arena que

dividida entre el volumen del cilindro nos proporcionará el peso volumétrico. Se repite el

proceso anterior de 3 a 5 veces dependiendo las variaciones en el peso de la arena.

Para obtener el peso de la arena que llena el cono y la base se procede a hacer lo siguiente:

se pesa el equipo con arena, se coloca la base sobre una superficie plana (en este caso la

charola), se cierra la válvula y se coloca el cono sobre la placa permitiendo que fluya la

arena dentro del cono, cuando se detenga el movimiento de la arena dentro del frasco se

cierra la válvula y, se pesa el equipo con la arena sobrante.

BALON DE DENSIDAD

Método del balón de caucho. A través de este método, se obtiene directamente el volumen

del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se

lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho

que impide la absorción del agua en el terreno.

Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero

entre sus desventajas se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en

adaptarse a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones

agudas lo que lo hacen poco utilizado.

EMPLEANDO ACEITE

Consiste en medir el volumen del orificio mediante la introducción en. El de un volumen

conocido de aceite, el cual debe retirarse al concluir el ensayo. Este método no se

recomienda en el caso de suelos arenosos.

UTILIZANDO EL MATRAZ LE CHATELIER

– Material: balanza (0,1 g), matraz Le Chatelier, embudo, pincel y

mineral con granulometría de 100 % -12# ASTM.

– Se puede utilizar agua o parafina, si el material es soluble se

utilizará parafina.

– El agua o parafina introducida dentro del matraz Le Chatelier

limpio y seco.

– Se enrasa a cero o a cualquier volumen (1era lectura de

volumen).

– Cualquier gota adherida en una sección del vástago es removida con papel toalla.

– Se tara la balanza y se agrega el mineral al matraz por medio de un embudo

cuidadosamente.

– Cualquier partícula de mineral adherida a la parte del vástago del matraz, es

cuidadosamente escobillada dentro del matraz con un pincel.

– El matraz es entonces tapado y es agitado con la mano hasta que todas las burbujas son

removidas y el mineral es mojado homogéneamente. Se mide el volumen (2da lectura de

volumen).

– Luego se pone en la balanza, para saber el peso de mineral agregado:

2.- utilizando el picnómetro

– Material: balanza (0,0001 g), Picnómetro, embudo, pincel y mineral

con granulometría menor que 1 mm.

– Se puede utilizar agua destilada, parafina o alcohol.

– Limpiar bien el Picnómetro, su limpieza se puede efectuar con

Amoniaco o algún disolvente de grasa, enseguida se enjuaga con

agua destilada y se seca en estufa.

– La muestra de ensayo puede estar con su humedad natural o seca

en la estufa (a 80ºC hasta obtener masa constante).

– Pesar el Picnómetro seco, vacío y tapado, se anota su peso W1.

– Se retira de la balanza se agrega el mineral problema dentro del Picnómetro y se pesa

nuevamente W2.

– Se le agrega algo de líquido cuidadosamente evitando la formación de burbujas, hasta

alcanzar aproximadamente ¾ de la capacidad del Picnómetro.

– Remover el aire atrapado por uno de los siguientes procedimientos:

1.- someter el contenido a un vacío parcial (menor de 100 mmHg, para evitar burbujeo

excesivo, se aplica en forma gradual hasta llegar al máximo, el cual deberá mantenerse

durante 10 a 15 minutos para conseguir un desaireado completo. El Picnómetro debe

agitarse suavemente para ayudar a la remoción del aire.

2.- Calentar o hervir por lo menos 10 minutos haciendo girar ocasionalmente el

Picnómetro para ayudar a la remoción del aire. En este caso debe esperarse que el

Picnómetro alcance nuevamente la temperatura ambiente para conseguir la prueba.

– Agregar agua destilada hasta llenar el Picnómetro. Limpiar y secar el exterior con papel

toalla y pesar nuevamente W3.

– Finalmente se vacía todo el contenido y se lava bien el Picnómetro, se vuelve a llenar

completamente con el líquido, se seca exteriormente y se pesa W4.

Donde:

W1-W2 = peso del mineral

W4-W1-W3+W2 = volumen del mineral. Considerando la densidad del líquido ocupado L.

3.- Utilizando la Balanza Marcy

La balanza Marcy está constituida principalmente por una balanza graduada provista de un

recipiente metálico capaz de contener un volumen fijo de 1000 cm3. La balanza debe ser

colgada de manera tal que quede suspendida libremente en el espacio.

Calibración: Llene el recipiente con 1000 cm3 de agua pura y cuélguelo del gancho de la

balanza. La aguja de la balanza deberá marcar 1.000 g en el anillo exterior del dial,

quedando en posición vertical. Si fuese necesario gire la perilla de ajuste ubicada en la

parte inferior, hasta obtener los 1000 g en ese momento la balanza estará calibrada.

Determinación de gravedad específica, % sólidos y densidad de pulpa:

Preparar una muestra de material representativa, seca entre -10 #ty y +100 #ty, cuelgue el

recipiente vacío v seco de la balanza y empiece a llenarlo hasta que la aguja indique 1000

gr. en el anillo exterior del dial. Vacíe la muestra en algún receptáculo. Llene un tercio del

volumen del recipiente asegurándose que cada partícula se moje completamente y se

eliminen las burbujas de aire. Cuelgue el recipiente de la balanza y complete el volumen

con agua hasta las perforaciones de rebalse. Lea la gravedad específica del sólido

directamente en el anillo interior del dial. Al determinar la gravedad específica del sólido, le

permitirá medir % de sólidos y densidad de pulpa.

CONCLUSIÓN

El esfuerzo cortante se puede clasificar en diversas formas pero la características que lo

describe es el esfuerzo cortante que se desarrolla a lo largo de un elemento estructural que

es sometido a cargas, que es igual al esfuerzo en ese mismo punto.

El igual en este tema se vio lo relacionado con el circulo de mohr que es un método

grafico para determinar algunas de las características geométricas de un cuerpo, tales

como momentos de inercia y productos de inercia; tales que se utilizan para determinar la

resistencia de una pieza a los esfuerzos

Las técnicas de mejoramiento de suelo son usadas a nivel mundial, pues posibilitan lograr convertir un suelo de propiedades mecánicas no idóneas, para ser usados como material base de un vial u otra obra de cimentación, en un excelente material; con alta resistencia al corte, se logra disminuir su deformación o acelerar está en un período de tiempo corto.

En obras situadas en zonas donde los suelos no sean los especificados por proyectos, estas técnicas permiten evitar la excavación de los mismos y así disminuir los volúmenes

de movimientos de tierra y por consiguiente el costo de la obra.

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