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Ensayo corte directo - Principio del ensayo de corte directo, Ensayos de resistencia al esfuerzo de corte en suelos, Ventajas del ensayo de corte directo



Corte Directo

El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. Es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga.
Para conocer una de esta resistencia en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (Ph) creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra (ïst).



Principio del ensayo de corte directo:

 

 
El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos
- Un esfuerzo normal (δn), aplicado externamente debido a la carga vertical (Pv).
- Un esfuerzo cortante (ïst), debido a la aplicación de la carga horizontal.

Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (A) de la muestra o de la caja de corte y deberían satisfacer la ecuación de Coulomb: ïst = c + δn * Tg )
Según esta ecuación la resistencia al corte depende de la cohesión (c) y la fricción interna del suelo (Ø).
Al aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo las deformaciones y con estos valores es posible graficar la tensión de corte (ïst ), enfunción de la deformación (ع) en el plano de esta tensión de corte. De la gráfica es posible tomar el punto máximo de tensión de corte como la resistencia al corte del suelo.
Los valores de ïst se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal (δn), obteniendo la recta intrínseca, donde ïst va como ordenada y δn como abscisa. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo Ø y el intercepto con el eje , la cohesión c.



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Recta intrínseca.
Los ensayos de corte directo en laboratorio se pueden clasificar en tres tipos según exista drenaje y/o consolidación de la muestra, por lo tanto los valores de c y Ø dependen esencialmente de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad del suelo.

Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pueden dividirse en cuatro categorías
Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es prácticamente independiente del tiempo.
Resistencia al corte drenado para suelos cohesivos, en que el desplazamiento debe ser muy lento para permitir el drenaje durante el ensayo.
Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes.
Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en que el corte es aplicado en forma rápida.
 

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.
Durante muchos años, la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamentela única usada para la determinación de la resistencia de los suelos: hoy, aún cuando conserva interés práctico debido a su simplicidad, ha sido sustituida en buena parte por las pruebas de compresión Triaxial.
 
Ventajas del ensayo de corte directo
 
o El ensayo es relativamente rápido y fácil de llevar a cabo.

o El principio básico es fácilmente comprensible.
o La preparación de la muestra no es complicada.
o El principio puede aplicarse a suelos granulares y otros materiales que contienen grandes partículas que serían muy caras de ensayar por otros medios.
o Puede medirse el ángulo de fricción entre suelo y roca, o entresuelo y otros materiales.
o El ensayo Triaxial es, relativamente, mucho más difícil de ejecutar e interpretar, especialmente si se toman medidas de presión de poros.
o El tamaño de las muestras hace que efectuar ensayos consolidados no drenados y consolidados drenados no requiere demasiado tiempo, pues el tiempo de drenaje es bastante corto aún para materiales con bajo coeficiente de permeabilidad, debido a que el camino de drenaje es muy pequeño.
o Se ha introducido cajas con muestra cuadrada de forma que la reducción de área durante el ensayo pueda fácilmente tenerse en cuenta si se desea. El uso de cajas cuadradas es relativamente reciente, y la mayoría de las máquinas antiguas todavía en servicio, utilizan cajas circulares.
o La máquina de corte directo es mucho más adaptable a los equipos electrónicos de medición, de forma que no se requiera la presencia continua de un operario para efectuar ensayos consolidados- drenados, que puedan durar varios días.
o Se ha encontrado que los parámetros de suelo ( y c obtenidos porel método de corte directo son casi tan confiable como los valores triaxiales (probablemente esto se debe más a problemas del operador que al hecho de que los equipos tengan igual capacidad de comportamiento). Lo anterior no quiere indicar que el ensayo Triaxial sea indeseable; sino que, si se desean únicamente los parámetros de suelo, los valores que brinda el ensayo de corte directo se han encontrado usualmente bastante aceptables.
 
Limitaciones del ensayo de corte directo
 
o La muestra está obligada a fallar en un plano predeterminado.
o La distribución de esfuerzos en ésta superficie no es uniforme.


o No es posible controlar el drenaje de la muestra, sólo se puede variar la velocidad de desplazamiento.
o No puede medirse la presión de poros.
o Las deformaciones aplicadas están limitadas por recorrido máximo de la caja.
o El área de contacto entre las dos mitades de la muestra disminuye a medida que se realiza el ensayo. Pero como afecta a ( y a σ en la misma proporción, el efecto en la envolvente de Coulomb es despreciable.
o El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes.
o No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson.


 

Ensayo de Laboratorio

El ensayo está normalizado en ASTM 3080.
La caja de corte es del tipo cuadrada de 100 x 100 mm.
El “set” de presiones normales aplicadas a la muestra queda a criterio del constructor. Se recomienda usar valores de 50%; 100%; 150% y 200% del valor de terreno. Es decir si la estructura descarga en su fundación una tensión de compresión de 2 (Kg. /cm²), serecomienda usar valores de 1, 2 y 4 (kg/cm2), lo que traducido a pesos significan 100, 200, 300 y 400 kg respectivamente.

Instrumentos

-     Caja de corte directo.
 
 
 
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-  Máquina de corte Directo.
 
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Preparación de la muestra de Acuerdo al tipo de Arena
El procedimiento depende del tipo de suelo y de las condiciones en que será ensayado. El tamaño máximo de las partículas para la caja de 10 cm. de lado es de 3 mm.
 
• Arena Seca
Se ensaya generalmente a una densidad predeterminada, la muestra se prepara colocando el material en la caja de corte y compactándola en ella, el peso de la muestra se calcula por diferencia entre el peso de la caja con muestra y el peso de la caja vacía. El nivel a que se coloca es del orden de 5 mm por debajo del nivel superior.
Coloque la placa ranurada, en la superficie de la muestra con las ranuras en dirección perpendicular al movimiento. Mida la distancia entre el borde superior de la caja y la superficie de la placa, en las cuatro esquinas o en el centro de los cuatro lados, el promedio de estos valores lo llamaremos X
Determine la altura de la muestra a partir de la expresión siguiente:
 
H = B - ( t1 + 2t2 + X ) [cm]

Donde
B : Altura total de la caja
t2 : p + nqr/L
 
• Arena seca densa
Se recomienda vibrar la muestra al interior de la caja.
 
• Arena seca suelta
Dejar caer la muestra desde una pequeña altura en el interior de la caja. Evite golpear la caja al instalarla, puesto que la arena suelta es muy sensible a los golpes.
 
• Arena saturada
En estas condiciones agregue agua a lamuestra y colóquela en la caja. No se debe obtener densidades bajas, sólo densidades medias o altas.
 

Datos de Laboratorio

1. La muestra es de una calicata a examinar.

2. A la muestra se le obtiene su contenido de humedad ( ), y se parafina un pedazo de suelo para obtener su densidad (γ).

Densidad (γ):

W. de muestra: 203.3 gr
W. de muestra+parafina: 244.7 gr.
W. de muestra+parafina (sumergido): 62.40 gr.

Empuje = W. real – W. sumergido
Vol. cuerpo x γ del agua = W. real – W. sumergido
Vol. cuerpo x 1 gr/cm3 = 244.7 – 62.40
Vol. cuerpo x 1 gr/cm3 = 182.3
Vol. cuerpo = 182.3 cm3

Parafina (p.e.): 0.95
W. parafina: 41.4 gr.

γ = W / volumen
0.95 = 41.4 / volumen
Volumen = 43.58 cm3

Vol. del suelo = Vol. cuerpo – Vol. parafina
Vol. del suelo = 182.3 – 43.58
Vol. del suelo = 138.72 cm3

Densidad de suelo = W / volumen
Densidad de suelo = 203.3 / 138.72 cm3
Densidad de suelo = 1.47 gr cm3

Contenido de Humedad:

Peso de tara : 44.3
Peso de tara + M.H. : 207.1
Peso de tara + M.S. : 200.7
Porcentaje de Humedad : 4.09 %

3. Se extrae 1kg de la muestra y lo llevamos al horno por 24 horas, para eliminar impurezas y rastros de humedad.

4. Pasadas las 24 horas, retiramos la muestra del horno y dejamos enfriar para luego incorporarle el contenido de agua obtenido al inicio del ensayo necesario para realizar el remoldeo adecuado.

Formula para obtener la cantidad de agua

Peso de la muestra seca (W) = 1000 gr.Contenido de humedad (ω%) = 4.09 %

ω% = W. del agua / W. del suelo seco

4.09% = W. del agua / 1000 gr.

W. del agua = 40.9 gr.

5. Luego se vierte el agua en el suelo y se mezcla con el fin de darle la humedad requerida a la muestra.

Se usaron tres moldes.

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6. Se saca la cantidad necesaria para introducirlo en la caja de corte.

Volumen de la caja de corte = 72 cm3
Densidad del suelo = 1.47 gr cm3

γ = W / volumen
1.47 = W / 72
W = 105.84 gr.

Se unta la caja de corte con un lubricante para evitar que se adhiera el suelo al molde, para este caso petróleo.

Se pesa esa cantidad de suelo y se echa en la caja, se compactará con golpes, con la ayuda del pisón de madera y el martillo de goma, el número de golpes se determinará de la siguiente manera

La densidad máxima es: 4.31 gr./cm3
La densidad natural es: 1.47 gr./cm3

1.47/4.31 x 100% = 34%

Interpolando:
100% ---- 25 golpes
34% ---- x

X = 8.5 = 9 golpes por capa.

Los 25 golpes por capa, son del ensayo de compactación.

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7. Después de preparar la caja de corte con la muestra, se introduce la caja.

“Equipo para Ensayo de Corte Directo”





Se acomoda la caja de corte en el recipiente y se ajusta con las tornillos de sujeción, se aplica los pesos que harán de carga vertical, para los 3 ensayos se trabajaron con 2, 4 y 6 kilos. Y se nivelan estos pesos con la regla de nivel, en ese momento se deben fijar todos losdispositivos de manera segura, contrapesos, los medidores de carga vertical, deformimetro, y de carga horizontal. Se retiran los tornillos de seguridad de la caja de corte.

8. Después de instalar los dispositivos, se inicia el ensayo encendiendo el equipo, con una velocidad determinada se presiona el botón RUN y el equipo empieza a realizar los desplazamientos correspondientes.

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9. Tomamos los valores del la carga vertical y carga horizontal, para cada 10 unidades de la deformación. Esto se realiza para 3 ensayos, y se toman valores hasta que los medidores de carga vertical y horizontal no marquen nuevos valores.

10. Todos los datos obtenidos se trabajan y se tienen los resultados correspondientes.

Ensayo 1:

|Vertical |Horizontal |Deformación |
|0 |96 |0 |
|10 |88 |30 |
|20 |87 |52 |
|30 |76 |61 |
|40 |62 |65 |
|50 |49 |67 |
|60 |34 |69 |
|70 |20 |69 |
|80 |5 |69 |

Ensayo 2:

|Vertical |Horizontal |Deformación |
|0 |86 |0 |
|10 |102 |59 |
|20|105 |86 |
|30 |100 |98 |
|40 |91 |104 |
|50 |80 |107 |
|60 |70 |109 |
|70 |62 |111 |
|80 |54 |111 |

Ensayo 3:

|Vertical |Horizontal |Deformación |
|0 |157 |0 |
|10 |185 |48 |
|20 |188 |62 |
|30 |190 |71 |
|40 |191 |78 |
|50 |191 |82 |
|60 |190 |88 |
|70 |186 |93 |
|80 |183 |96 |
|90 |181 |99 |
|100 |178 |102 |
|110 |176 |103 |
|120 |175 |103 |

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