CURSO : MECANICA DE SUELOS II

TEMA : ENSAYO DE CORTE DIRECTO (CONSOLIDADO Y DRENADO)

DOCENTE : ING. CIP. REYNALDO REYES ROQUE

ALUMNOS : MACEDO TAFUR, Phinio………………

ROJAS LEON, Carlos…………………………..00.0532.9.AI

VIDAL LOPEZ, Cristian………………………...01.0194.6.AO

VILLANUEVA MOSQUERA, Alberto

VALVERDE ALAMO, Luis…………………….03.0872.8.UA

HUARAZ - 2011

I. INTRODUCCION

UNASAM

En el presente informe el ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad

controlada, cerca de un plano de cizalladora determinado por la configuración del

aparato. Ensayaremos 3 muestras usando diferentes cargas para determinar su efecto

sobre la resistencia al corte, al desplazamiento.

Si la estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo, que pueden

ocurrir de tres modos: Por deformación elástica de las partículas, por cambio de

volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los

huecos entre las partículas o por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir

al deslizamiento de una gran masa de suelo.

El primer caso es despreciable para la mayoría de los suelos, en los niveles de

esfuerzo que ocurren en la práctica, el segundo caso corresponde al fenómeno de la

consolidación y el tercer caso corresponde a fallas del tipo catastróficos y para

evitarla se debe hacer un análisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la

resistencia al corte de suelo.

Notamos que es absolutamente imposible independizar el comportamiento de la

estructura y el del suelo. Por tanto el problema de la determinación de la resistencia al

esfuerzo cortante de los suelos puede decirse que constituye uno de los puntos

fundamentales de toda la Mecánica de Suelos. Este método describe y regula el

ensayo de corte para la determinación de la resistencia al corte de una muestra de

suelo.

Los alumnos

II. OBJETIVOS

I.1. OBJETIVO GENERAL

Realizar el ensayo de corte directo para determinar los parámetros de resistencia

para un suelo arcilloso limoso.

I.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Calcular la cohesión (c) y el ángulo de fricción φmáximas.

- Calcular la cohesión (c) y el ángulo de fricción φ residuales.

III. MARCO TEORICO

UNASAM 2

3.1. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL ESFUERZO DE CORTE EN SUELOS

Los tipos de ensayos para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los

suelos en Laboratorio son: Corte Directo, Compresión Triaxial, Compresión

Simple. En este informe se estudió el ensayo de corte Directo.

3.2. RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO

Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la

capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo

contra un muro de contención.

3.3. ECUACIÓN DE FALLA DE COULOMB (1776)

Coulomb observó que si el empuje de un suelo contra un muro produce un

desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de

deslizamiento. Él postuló que la máxima resistencia al corte en el plano de falla,

está dada por:

Donde: σ = Es el esfuerzo normal total en el plano de falla. φ= Es el ángulo de fricción del suelo

c = Es la cohesión del suelo

3.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO

UNASAM 3

τf= c + σ tg φ

El ensayo de corte directo se realiza con el objetivo principal de determinar el

valor de la cohesión, así como el ángulo de fricción interna de un suelo sometido

a esfuerzo cortante. Generalmente se realiza un mínimo de 3 pruebas, cada una

con diferente carga normal.

Este ensayo impone sobre un suelo condiciones idealizadas, o sea indica la

ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado.

Sobre este plano actúan dos fuerzas, una normal con una carga vertical

aplicada y un esfuerzo cortante debido a la acción de una carga horizontal.

Como el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal tienen el mismo significado en

la construcción del Círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de

ecuaciones para c ytgΦ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados

estos valores para los diferentes ensayos y proponer promedio del valor de la

cohesión en el corte en el eje Y yΦ por la pendiente de esta recta (envolvente

de falla). En este ensayo también se puede obtener los parámetros de

resistencia residual.

III.4.1. Clasificación de ensayos de corte directo:

1. Ensayos no consolidados – no drenados: El corte se inicia antes

de consolidar la muestra bajo la carga normal (vertical). Si el suelo es

cohesivo, y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros.

Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial no consolidado – drenado.

2. Ensayo consolidado – no drenado: Se aplica la fuerza normal, se

observa el movimiento vertical del deformímetro hasta que pare el

asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante. Este ensayo puede

situarse entre los ensayos triaxiales consolidado – no drenado y

consolidado drenado.

3. Ensayo consolidado drenado: La fuerza normal se aplica, y se

demora la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el

asentamiento; se aplica a continuación la fuerza cortante tan lento

UNASAM 4

como sea posible para evitar el desarrollo de presiones de poros en

la muestra. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial consolidado

drenado.

3.5. PRINCIPIO DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO:

Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pueden dividirse en cuatro

categorías:

a. Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es

prácticamente independiente del tiempo.

b. Resistencia al corte drenado para suelos cohesivos, en que el

desplazamiento debe ser muy lento para permitir el drenaje durante el

ensayo.

c. Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las

que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes.

d. Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en

que el corte es aplicado en forma rápida.

3.6. ENVOLVENTE DE FALLA

Los valores de residual obtenidos en cada ensayo se llevan a un gráfico en función

del esfuerzo normal (σn), obteniendo dos puntos que permiten trazar la recta que

representa la envolvente de falla del suelo, donde τ va como ordenada y σn como

abscisa. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo Φ y el

intercepto con el eje, la cohesión c.

UNASAM 5

3.7. MODALIDADES DEL ENSAYO

Para determinar los parámetros resistentes, c y φ de un suelo, se utiliza un

equipo de corte directo en el que una probeta de suelo de forma cilíndrica o

rectangular que se encuentra restringida lateralmente por una pared rígida, se

corta a lo largo de un plano horizontal mientras se encuentra sometida a una

presión normal a dicho plano.

Se pueden efectuar los siguientes ensayos:

3.8. TIPO DE MUESTRA

La ejecución del ensayo se puede realizar en muestras inalteradas como

remoldadas en el laboratorio. A partir del cilindro o de la muestra que se

disponga para el ensayo, se ubica en el molde de corte cortando con el cuchillo

aquellas partes que queden por fuera de este, hasta que la muestra entre poco a

poco dentro del molde, una vez sobresalga por la parte superior, se enrasa o

pule por la parte inferior y superior si es necesario. Esta operación debe hacerse

procurando que la muestra no pierda mucha humedad, por lo que se recomienda

hacerlo rápido y ojalá en un cuarto húmedo. De igual manera se debe hacer lo

más suave posible evitando generar en la muestra esfuerzos remanentes que

puedan alterar los resultados.

3.9. DIMENSIONAMIENTO DE LA MUESTRA

El tamaño de la muestra a ensayar dependerá de los dispositivos que se

dispongan en el equipo, en todo caso deben cumplir:

UNASAM 6

Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta la consolidación primaria.Luego se procede a la rotura de la probeta a una velocidad rápida para que no se produzca el drenaje. Se obtienen los

Ensayo Consolidado

Drenado (CD)

Ensayo Consolidado no drenado (CU)

Ensayo no consolidado no drenado (UU)

Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo

hasta la consolidación

primaria. De este ensayo se obtienen

los parámetros resistentes efectivos.

La rotura se inicia nada mas al aplicar la presión normal correspondiente y a una velocidad lo suficientemente rápida para que no se produzca el drenaje. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes totales

Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta la consolidación primaria. Luego se procede a la rotura de la probeta a una velocidad rápida para que no se produzca el drenaje. Se obtienen los

ESFUERZO NORMAL

Donde: = fuerza normalA = área de la sección transversal de la muestra

El diámetro mínimo para muestra circular o el lado mínimo para una

muestra rectangular debe ser de 50 mm.

El espesor mínimo de la muestra debe ser de 12.5 mm, pero no menos

que un sexto del lado mayor o diámetro.

La relación mínima entre el diámetro o lado y espesor es de 2:1.

3.10. APLICACIONES DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO A FALLAS DE

TERRENO

a. Capacidad de carga en bases y fundaciones para estructuras en arcillas

homogéneas saturadas, inmediatamente después de la construcción. El

terreno bajo una fundación, es presionado por la falla y asume fallar por corte,

en la forma como indica la figura 3.a

b. La presión de tierra en el muro de contención, prevalece inmediatamente

después de la construcción. Figura 3.b

c. Presión de tierra contra la entibación de una excavación temporal. Fig. 3c

d. Prevención contra el levantamiento de fondo de las excavaciones. Fig. 3d

e. Estabilidad de los taludes, inmediatamente después de la excavación. Fig. 3e

f. Estabilidad en diques de tierra, durante períodos cortos de construcción.

IV.METODOLOGIA

UNASAM 7

V. HERRAMIENTAS Y EQUIPOS

UNASAM 8

- APARATO DE CIZALLADURA: Instrumento diseñado y construido para

contener de manera segura la caja de corte y aplicar las fuerzas, medir los

desplazamientos y controlar la velocidad de desplazamiento.

- PIEDRAS POROSAS: Bloques permeables que permiten el drenaje en la muestra

a lo largo de los extremos superior e inferior de la muestra.

- CAJA DE CORTE: Es circular o cuadrada hecha de acero bronce o aluminio con

dispositivos para drenaje superior e inferior.

- ANILLO DE CORTE: Sirve para medir la fuerza de cizalladura en condiciones de

ruptura.

- EQUIPO MICELANEO: Bandejas espátulas anillo de corte, etc.

VI. PROCEDIMIENTO PARA ENSAYO EN MUESTRAS REMOLDEADAS

Procedimiento de Laboratorio – Ensayo de Corte Directo

UNASAM 9

1) Antes de proceder al ensayo tenemos que medir la caja de corte de forma diametral, medimos el diámetro y la profundidad.

2) La muestra a ensayar debe de estar húmeda, en estado natural, para obtener un resultado más real y disminuir el error.

3) Colocamos la caja en la máquina, con la consideración de que se pone piedra porosa en la parte baja para que drene el agua, luego la muestra.

4) Al momento de llenar el suelo a la caja de corte, con ayuda de moldes compactamos el suelo, para que su distribución sea de forma uniforme, podemos realizar este procedimiento en 3 capas.

5) Luego otra piedra porosa colocamos en la parte superior y colocamos el soporte encima, donde se medirá la deformación en el plano vertical.

6) Saturamos la muestra en la maquina con agua, lo normal es dejar que el agua sature la muestra por un periodo de una hora.

7) Con ayuda del dial vertical mediremos el esfuerzo normal, y con el dial en forma horizontal, mediremos el esfuerzo tangencial.

8) Para medir la carga usamos la parte mecánica, usaremos pesas de 1Kg, 4 Kg, etc. que se colocan dependiendo del tipo de muestra, esta carga es normal y constante.

9) Para anotar las deformaciones tanto vertical como horizontal, nos apoyaremos en lo que indica la deformación tangencial, esta podemos medir en forma constante, podemos empezar en cero, de ahí pueden ser 10, en 20, en 30 y podemos continuar así de forma constante. Para medir las deformaciones en los diales necesitamos como mínimo dos personas, una que lea el dial vertical y la otra el dial horizontal.

10) El primer ensayo realizamos con 2 Kg de carga normal contante y desaseguramos la caja de corte para que se produzca el corte de manera horizontal, empezamos a aplicarle la carga y anotamos los que marcan los diales.

11) Anotamos valores hasta que los diales empiezan a girar en forma contraria y podemos anotar algunos de estos valores.

12) Observamos que la muestra se ha desplazado en forma horizontal.

13) Realizaremos los mismos procedimientos del 1 - 12 para 2 muestras más, solo que ahora variaremos la carga normal contante, aumentando esta.

14) Luego de terminar cada ensayo.

15) No debemos de olvidarnos limpiar el equipo al final de cada ensayo

UNASAM 10

16) Se repitió el proceso 3 veces con las siguientes cargas verticales: Fv=2kg, Fv=4kg, Fv=8 kg

VII. CALCULOS Y RESULTADOS

FORMULAS A USAR:

ENSAYO DE CORTE DIRECTO (ASTM-D3080)

espécimen 1 espécimen 2 espécimen 3inicial final inicial final inicial final

Altura (h) (cm) 3.6 3.58 3.6 3.44 3.6 3.31Diámetro (d)(cm) 6.4 6.4 6.4

Densidad seca (g/cm3) 1.70 1.70 1.70

Humedad (%) 12.51 12.51 12.51Esfuerzo Normal(kg/cm2) 0.06 0.12 0.25

Área(cm2) 32.17 32.17 32.17

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE (Espécimen 1) - 2kgDeformación

tangencial (%)

fuerza tangencial

fuerza tangencial

(kg)

fuerza normal

fuerza normal

(kg)

esfuerzo normal

(kg/cm2)

esfuerzo de corte

(kg/cm2)

10 20.00 0.051 10.00 0.200 0.006 0.00220 30.00 0.076 16.00 0.320 0.010 0.00230 40.00 0.102 22.00 0.440 0.014 0.00340 40.00 0.102 28.00 0.560 0.017 0.00350 50.00 0.127 32.00 0.640 0.020 0.00460 60.00 0.152 39.00 0.780 0.024 0.00570 70.00 0.178 45.00 0.900 0.028 0.00680 70.00 0.178 55.00 1.100 0.034 0.00690 80.00 0.203 62.00 1.240 0.039 0.006

100 90.00 0.229 72.00 1.440 0.045 0.007120 90.00 0.229 89.00 1.780 0.055 0.007130 100.00 0.254 99.00 1.980 0.062 0.008140 105.00 0.267 110.00 2.200 0.068 0.008200 150.00 0.381 240.00 4.800 0.149 0.012250 190.00 0.483 450.00 9.000 0.280 0.015300 202.00 0.513 740.00 14.800 0.460 0.016340 202.00 0.513 740.00 14.800 0.460 0.016

UNASAM 11

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.5000.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018f(x) = 0.0286233521459839 x + 0.00439779153960469R² = 0.844273142224331

Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn)

Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Esfu

erzo

Cor

tant

e (k

g/cm

2)

tf = c + n * tg σ Φ n = Pv /Aσt f = Ph /A

Angulo de Fricción(ɸ) 1.64°Cohesión(c) 0.0044

0 50 100 150 200 250 300 3500

2

4

6

8

10

12

14

16

Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial

Deformacion Tangencial (%)

Fuer

za N

orm

al (k

g)

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE (Espécimen 2) - 4kgDeformación

tangencial (%)

fuerza tangencial

fuerza tangencial

(kg)

fuerza normal

fuerza normal

(kg)

esfuerzo normal

(kg/cm2)

esfuerzo de corte (kg/cm2)

20 8.00 0.020 14.00 0.280 0.009 0.0006

UNASAM 12

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.5000.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018f(x) = 0.0286233521459839 x + 0.00439779153960469R² = 0.844273142224331

Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn)

Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Esfu

erzo

Cor

tant

e (k

g/cm

2)

40 10.00 0.025 19.00 0.380 0.012 0.000860 12.00 0.030 23.00 0.460 0.014 0.000980 13.00 0.033 28.00 0.560 0.017 0.0010

100 13.00 0.033 35.00 0.700 0.022 0.0010120 14.00 0.036 43.00 0.860 0.027 0.0011140 14.00 0.036 49.00 0.980 0.030 0.0011160 15.00 0.038 56.00 1.120 0.035 0.0012180 16.00 0.041 58.00 1.160 0.036 0.0013200 17.00 0.043 62.00 1.240 0.039 0.0013220 17.00 0.043 65.00 1.300 0.040 0.0013

0.00 0.02 0.04 0.060.0000

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.0010

0.0012

0.0014

0.0016

f(x) = 0.018605879210345 x + 0.000594179712792793R² = 0.910824841714979

Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn)

Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Esfu

erzo

Cor

tant

e (k

g/cm

2)

Angulo de Fricción(ɸ) 1.07°Cohesión(c) 0.001

UNASAM 13

0 50 100 150 200 2500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial

Deformacion Tangencial (%)

Fuer

za N

orm

al (k

g

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE (Espécimen 3) – 8kg Deformación

tangencial (%)fuerza

tangencialfuerza

tangencial (kg)

fuerza normal

fuerza normal

(kg)

esfuerzo normal

(kg/cm2)

esfuerzo de corte (kg/cm2)

20 26.00 0.066 37.00 0.740 0.023 0.00240 39.00 0.099 63.00 1.260 0.039 0.00360 48.00 0.122 85.00 1.700 0.053 0.00480 52.00 0.132 102.00 2.040 0.063 0.004

100 59.00 0.150 115.00 2.300 0.071 0.005120 65.00 0.165 121.00 2.420 0.075 0.005140 70.00 0.178 130.00 2.600 0.081 0.006

UNASAM 14

0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.0900.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

f(x) = 0.0570677674866936 x + 0.00073962178133736R² = 0.983658126557089

Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn)

Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Esfu

erzo

Cor

tant

e (k

g/cm

2)

Angulo de Fricción(ɸ) 3.26°Cohesión(c) 0.001

0 20 40 60 80 100 120 140 1600.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial

Deformacion Tangencial ()

Fuer

za N

orm

al (k

g)

UNASAM 15

- Relacionando la deformación con los esfuerzos cortantes:

COMPARACIÓN DE LOS 3 ESPECIMENESDeformación % E.C.1 E.C.2 E.C.3

20 0.0024 0.0006 0.002140 0.0032 0.0008 0.003160 0.0047 0.0009 0.003880 0.0055 0.0010 0.0041

100 0.0071 0.0010 0.0047120 0.0071 0.0011 0.0051140 0.0083 0.0011 0.0055160 0.0071 0.0010 0.0047

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800.0000

0.0010

0.0020

0.0030

0.0040

0.0050

0.0060

0.0070

0.0080

0.0090 COMPARACIÓN DE LOS 3 ESPECIMENES

E.C.1

E.C.2

E.C.3

UNASAM 16

CONCLUSIONES

El ángulo de fricción interna de nuestro suelo es: φ = 1.07°.

Los valores de ángulo de fricción obtenidos tan bajos como en nuestro caso

concluimos que se trata de un suelo cohesivo o alta plasticidad como es el caso

de las arcillas.

El contenido de humedad de nuestro suelo es 12.47% y su cohesión es 0.044.

La ecuación nos resulta de la siguiente manera:

t f=0.044+σn∗tg 1.07 °

El ensayo nos dio resultados de un suelo arcilloso de alta plasticidad y se

realizaron 3 pruebas de corte con las masas de 2kg, 4kg y 8kg respectivamente.

En el desarrollo de los cálculos nos dimos cuenta que el espécimen 1 (2kg.)

debido a que el tiempo de reposo en agua fue mayor que los otros 2

especímenes.

Los parámetros resistentes de los suelos en nuestro caso son:

Arcillas: con elevada cohesión y ángulo de fricción interna pequeña.

Limos: valores moderados de cohesión y ángulo de fricción interna

Arenas: si están totalmente secas o completamente saturadas no tienen

cohesión para valores intermedios de humedad pueden presentar pequeños

valores de cohesión así que se podrían considerar cero. Y el ángulo de

fricción es elevado.

Al ser un suelo arcilloso se obtuvieron fricciones pequeñas aproximadas casi a 0

como es común en arcillas puras y en este caso también el primer espécimen fue

el de menor fricción y además el de mayor cohesión.

Al comparar los gráficos se distingue que el espécimen uno es el que mayor

esfuerzo de corte tiene, es decir que dio como resultado más resistencia al corte.

UNASAM 17

RECOMENDACIONES

Esperar en caso de arcillas por su baja permeabilidad un tiempo moderado de

acuerdo a la arcilla para iniciar con el ensayo, en la toma de datos.

El aparato de corte antes de hacer funcionar se debe tener en cuenta la

horizontalidad del brazo de palanca donde se coloca la pesa para la fuerza vertical.

El aparato de corte antes de hacer funcionar sacar los tornillos de sujeción mas no

los de nivelación.

BIBLIOGRAFIA

Mecanica de suelos de Peter L. Berry – David Reid

Manual de laboratorio de suelos en ingenieria civil por Joseph E. Bowles.

UNASAM 18

ANEXOS

Equipo para hacer el ensayo de corte directo

Preparando la muestra de suelo para el ensayo de Corte Directo

Equipo armado con la muestra para el ensayo de Corte Directo

UNASAM 19

Muestra después del Corte Directo

Tomando medidas del equipo para saber el volumen del suelo

Caja de corte y las piedras porosas

UNASAM 20