INTRODUCCIÓN

En el presente informe de laboratorio se desarrolla un experimento de acuerdo a la norma Nch 3085 of 2007, que explica el método para determinar la resistencia al corte de una muestra de suelo consolidado y drenado, empleando el método de corte directo.

El experimento se lleva a cabo deformando la muestra a una velocidad controlada, de tal manera que represente la situación real de carga a la cual sería sometida en el lugar de donde se extrajo.

Este ensayo nos permitirá conocer de forma relativamente rápida las propiedades de resistencia de la muestra de suelo drenado y consolidado, información que sería aplicable al lugar del cual se extrajo la muestra.

Al ser aplicado el ensayo, la muestra tendrá un plano de falla en el cual actúan dos esfuerzos: un esfuerzo normal debido a la carga vertical aplicada, y un esfuerzo cortante resultado de la aplicación de carga horizontal.

Es importante agregar que este método no establece la determinación de las envolventes de resistencia, ni el criterio que se debe tener para interpretar y evaluar el resultado del ensayo. Esto es porque los esfuerzos de cizalla dura y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones por cizalla dura. En consecuencia, a partir de este ensayo no pueden determinarse las relaciones esfuerzo-deformación o cualquier otro valor asociado, como el módulo de cizalla dura.

OBJETIVOS GENERALES

Esta método establece el procedimiento para determinar la resistencia a la compresión no confinada de suelos cohesivos en la condición inalterada, remoldeada o reconstituida, bajo carga axial con deformación controlada.

MARCO TEÓRICO

Calibración del aparato

La calibración tiene como finalidad determinar la deformación del artefacto cuando se somete a la carga de consolidación, de modo que para cada carga de consolidación normal la deformación de la caja de corte se puede restar de las deformaciones observadas. Por lo tanto, solamente la deformación debido a la consolidación de la muestra se informa para ensayos completos. Se requiere realizar la calibración de las características de carga-deformación del artefacto cuando éste se utiliza por primera vez o cuando se cambian las partes del artefacto

* Ensamblar el dispositivo de corte directo con un disco o plato de calibración metálico de un espesor aproximadamente igual a la probeta de ensayo deseada y de un diámetro o ancho de al menos 1 mm., pero no mayor que 5 mm. y menor que el diámetro o ancho de la caja de corte.

* Ajustar el indicador de desplazamiento normal de modo que se pueda utilizar para medir la consolidación o expansión a partir del disco de calibración o la lectura del plato. Registrar el cero o la lectura sin carga.

* Aplicar aumentos de fuerza normal en los rangos de operación de carga del equipo y registrar la lectura del indicador de desplazamiento normal y la fuerza normal. Retirar la fuerza normal aplicada en secuencia inversa de la fuerza aplicada y registrar las lecturas del indicador de desplazamiento normal y la fuerza normal.

* Promediar los valores y trazar la deformación de la carga del artefacto como función de la carga normal. Retener los resultados para futura referencia al determinar el espesor de la probeta de ensayo y la compresión dentro del mismo artefacto de ensayo.

* Retirar el disco o placa de calibración.

Muestra de ensayo

Tamaño de la muestra

La muestra de ensayo utilizada en la preparación de las probetas debería ser suficientemente grande, de modo que se puedan preparar tres probetas similares como mínimo. El diámetro mínimo para probetas circulares o el ancho para probetas cuadradas, debe ser de 50 mm. o mayor que 10 veces el diámetro máximo del tamaño de la partícula. El espesor inicial mínimo de la probeta debe ser de 12 mm., pero mayor que seis veces el tamaño máximo de la partícula. La relación mínima en la probeta de diámetro-espesor o ancho-espesor debe ser de 2:1.

Preparación de la muestra

* Determinar la masa inicial de la probeta húmeda que se utiliza, calculando el contenido de agua inicial y el peso unitario de la probeta. Luego el material requerido para la probeta se debe amasar, mezclando minuciosamente el suelo con suficiente agua para producir el contenido de agua deseada. Dejar la muestra en reposo antes de la compactación de acuerdo a la recomendación siguiente:

Tiempo de acondicionamiento de muestras

* Ensamblar y asegurar la caja de corte. Colocar un bloque poroso húmedo en el fondo de la caja de corte

* Determinar la masa de suelo húmedo requerida para una capa compactada y colocarla en la caja de corte. Compactar el suelo hasta que se obtenga el peso deseado de la unidad.

* Las probetas se deben moldear apisonando cada capa hasta que la masa de suelo ubicada en la caja de corte sea compactada a un volumen conocido, lo anterior se consigue ajustando el número de capas y el número de apisonados por capa o bien verificando con la regla de medición. La superficie de cada capa se debe escarificar antes de agregar material a la próxima capa, en la medida que sea posible. Continuar colocando y compactando el suelo hasta que se compacte toda la probeta.

* Los límites de la capa compactada se deben ubicar de modo que no coincidan con el plano de corte definido por las mitades de la caja de corte, a menos que esto sea un propósito establecido para un ensayo en particular.

Datos probeta ensayada

Área = 36 [cm2]

Altura = 2,0 [cm]

Volúmen = 72 [cm3]

Densidad = 1,669 [gr/cm3]

Humedad = 12 %

Masa seca = 120,2 [gr]

Constante del anillo: K = (0,07L) + 1,68 [Kgf/div]

Frecuencia = 6,00 [Hz]

Velocidad por minuto = 0,120

Carga = 3600 [gr]

La tensión nominal de corte que actúa sobre la probeta es:

Dónde:

ζ: tensión nominal de corte [KPa];

F: fuerza de corte [N];

A: área inicial de la probeta [mm2].

La tensión normal que actúa sobre la probeta es:

Dónde:

σn: tensión normal [KPa];

N: fuerza normal vertical que actúa sobre la probeta [N].

DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA

Instrumentación

Equipo de corte

Dispositivo que contiene la probeta confinada lateralmente de manera segura entre dos placas porosas de tal modo que no se aplique un torque a la probeta.

Proporciona un medio para aplicar una tensión normal a las caras de la probeta, medir el cambio de espesor de la probeta, permitir el drenaje del agua a través de las placas porosas colocadas en los extremos superior e inferior de la probeta y para sumergir la probeta en agua.

El equipo debe aplicar una fuerza de corte a la probeta sumergida en un plano de corte predeterminado paralelo a las caras de la probeta. Los armazones que contienen a la probeta deben ser suficientemente rígidos para evitar su distorsión durante el corte. Las diversas partes del equipo de corte se deben fabricar de un material que no sea corrosivo por la humedad o sustancias contenidas en el suelo, por ejemplo, de acero inoxidable, bronce, o aluminio, etc. No se permiten metales diferentes que puedan provocar una acción galvánica.

Caja de corte

Caja circular o cuadrada, fabricada de acero inoxidable, bronce o aluminio, con dispositivos para drenaje en la parte superior e inferior. La caja se divide verticalmente por un plano horizontal en dos mitades de igual espesor que se equipan con tornillos de ajuste, y está equipada con tornillos de separación, que controlan el espacio entre las mitades superiores e inferiores de la caja de corte.

Placas o piedras porosas

Su función permitir el drenaje de la probeta de suelo a lo largo de los extremos superior e inferior y transferir la tensión de corte horizontal desde el bloque hacia los extremos superior e inferior de la probeta. Construidos de carburo de silicio, óxido de aluminio o metal que no esté sujeto a la corrosión por sustancias del suelo o humedad del suelo. La permeabilidad del bloque debería ser sustancialmente mayor que la del suelo, pero debería tener una textura fina para evitar la intrusión excesiva del suelo en los poros del bloque.

El diámetro o ancho del bloque poroso superior o placa debe ser de 0,2 mm. a 0,5 mm. Menos que el del interior del anillo. Si el bloque tiene como función

transferir la tensión horizontal al suelo éste debe ser suficientemente grueso para producir un bloqueo. Esto se puede conseguir con la ayuda de un chorro de arena o maquinado del bloque, pero la superficie del bloque no debería ser tan irregular como para provocar concentraciones importantes de tensión en el suelo.

Dispositivos de carga

Dispositivo para aplicar y medir la fuerza normal

La fuerza normal se aplica mediante un dispositivo de carga directa o de palanca la cual se activa mediante pesos muertos (masas) o mediante un dispositivo de carga neumática. El dispositivo debe ser capaz de mantener la fuerza normal dentro del rango de ±1% de la fuerza especificada, rápidamente y sin excederla.

Dispositivo para aplicar corte a la probeta

El dispositivo debe ser capaz de aplicar corte a la probeta a una velocidad de desplazamiento uniforme, con una desviación que esté en el rango de ± 5% y debería permitir el ajuste de la velocidad de desplazamiento de 0,0025 mm/min a 1,0 mm/min.

La velocidad que se aplica depende de las características de consolidación de los suelos. Generalmente, la velocidad se mantiene con un motor eléctrico y un ajuste de caja de engranajes y la fuerza de corte se determina por medio de un dispositivo que indica la carga como una celda o un anillo de carga.

El peso de la parte superior de la caja de corte debe ser menor que 1% de la fuerza normal aplicada durante el corte: es muy probable que esto requiera que la parte superior de la caja de corte se soporte por una fuerza contraria y que el equipo modificado o la probeta se corte bajo una fuerza mayor normal aplicada.

Dispositivo de medición de la fuerza de corte

Un anillo de prueba o celda de carga con precisión de 2,5 [N] o 1% de la fuerza de corte en condiciones de falla, lo que sea mayor.

Recipiente de la caja de corte

Caja metálica que soporta la caja de corte y provee una reacción contra la mitad de la caja de corte que se apoya o una base sólida para alinear la mitad de la caja de corte, la cual está libre de moverse en la misma dirección de la fuerza de corte aplicada en un plano horizontal.

Balanzas

Una balanza capaz de leer al 0,1 % o mejor.

Indicadores de deformación

Dial comparador o transductores de desplazamiento capaces de medir el cambio en espesor de la probeta, con una resolución de al menos 0,0025 mm. y de medir el desplazamiento horizontal con una sensibilidad de al menos 0,025 mm.

Herramientas y accesorios

Incluye un cronómetro con contador de segundos, agua destilada o desmineralizada, espátulas, cuchillos, nivelador, sierra de alambre, etc. Utilizado para preparar la probeta.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

* Colocar la caja de corte que contiene la probeta compactada y los bloques porosos dentro del recipiente de la caja de corte y ajustar la caja de corte.

* Conectar y ajustar el sistema de carga de fuerza de corte de modo que no se imponga ninguna fuerza en el dispositivo de medición de carga.

* Ajustar y posicionar adecuadamente el dispositivo de medición de desplazamiento horizontal que se utiliza para medir el desplazamiento de corte. Obtener una lectura inicial o fijar el dispositivo de medición para indicar un desplazamiento cero.

* Colocar un bloque poroso humedecido y el plato de transferencia de carga sobre la parte superior de la probeta en la caja de corte.

* Colocar en posición, el pistón de carga de fuerza normal y ajustarlo de modo que la barra de carga esté horizontal.

* Aplicar una pequeña carga normal a la probeta. Verificar que todos los componentes del sistema de carga estén asentados y alineados. Los bloques porosos superiores y el plato de transferencia de carga se deben alinear de modo que no se impida el movimiento del plato de transferencia de carga dentro de la caja de corte. Registrar la carga vertical y horizontal aplicada sobre el sistema.

* Asegurar y ajustar el dispositivo de medición de desplazamiento vertical. Obtener la lectura inicial para el dispositivo de medición vertical y dispositivo de medición de desplazamiento horizontal.

* Si se requiere, llenar con agua la caja de corte y mantenerla llena durante el tiempo que dura el ensayo.

* Calcular y registrar la fuerza normal requerida para alcanzar la tensión normal deseada o el incremento de ésta. Aplicar la tensión normal deseada agregando la masa apropiada al brazo palanca en un incremento o diversos incrementos de carga a la probeta y comenzar a registrar las lecturas de deformación normal contra el tiempo transcurrido. Para todos los incrementos de carga, verificar el término de la consolidación primaria antes de seguir.

Trazar el desplazamiento normal versus el logaritmo de tiempo o la raíz cuadrada del tiempo (min).

Para suelos relativamente firmes puede ser apropiada la aplicación de la fuerza normal en un incremento.

Para suelos relativamente blandos, puede ser necesaria la aplicación de la fuerza normal en diversos incrementos para evitar dañar la probeta.

* Después que se completa la consolidación primaria, retirar los pasadores de alineación o pernos de la caja de corte. Abrir un espacio entre las mitades de la caja de corte de aproximadamente 0,64 mm., utilizando los tornillos espaciadores. Retirar los tornillos espaciadores.

* Seleccionar la velocidad de desplazamiento apropiada. Aplicar corte a la probeta a una velocidad relativamente baja, tal que ningún exceso de presión de poros exista en la falla. Se debe utilizar la ecuación siguiente como guía para determinar el tiempo mínimo requerido desde el inicio del ensayo hasta la falla:

Dónde:

tf: tiempo transcurrido total estimado para la falla [min];

t50: tiempo requerido para que la probeta alcance un 50% de consolidación bajo la tensión normal especificada (o incrementos de ésta) [min].

Dónde:

t90: Tiempo requerido para que la probeta alcance el 90% de consolidación primaria bajo la tensión normal especificada (o incremento de ésta) [min];

4,28: Constante, relaciona el desplazamiento y los factores de tiempo a una consolidación primaria de un 50% y 90%.

Si el material muestra una tendencia a expandirse, el suelo se debe inundar con agua y se debe permitir alcanzar el equilibrio bajo un incremento de tensión normal suficientemente grande para contrarrestar la tendencia de expansión antes que se pueda determinar el tiempo mínimo para la falla. La curva tiempo - consolidación para incrementos posteriores de tensión normal son válidos para la determinación de tf. Algunos suelos, tales como arenas densas y arcillas pre consolidadas, puede que no muestren curvas bien definidas de tiempo - asentamiento.

Por consiguiente, el cálculo de tf puede producir un estimativo inapropiado del tiempo requerido para la falla de la probeta bajo las condiciones de drenado. Para arcillas pre consolidadas que se ensayan bajo tensiones normales e inferiores a la presión de pre consolidación del suelo, se sugiere que se estime un tiempo para la falla, utilizando un valor de t50 equivalente al obtenido a partir del comportamiento tiempo - asentamiento de la consolidación normal.

Para arenas densas limpias que drenan rápidamente, un valor de 10 min se puede utilizar como tf. Para arenas densas con más de 5% de finos se puede

utilizar un valor de 60 min para tf. Si se selecciona un valor alternativo de tf, el criterio de selección se debe explicar con los resultados de ensayo.

* Determinar el desplazamiento apropiado a partir de la ecuación siguiente:

Dónde:

dr: Velocidad de desplazamiento [mm/min];

df: Desplazamiento horizontal estimado en la falla [mm];

tf: Tiempo transcurrido estimado total para la falla, [min].

* Seleccionar y fijar la velocidad de desplazamiento, para algunos tipos de artefactos, la velocidad de desplazamiento se alcanza utilizando combinaciones de ruedas dentadas y posiciones de palanca de cambio. Para otros tipos la velocidad de desplazamiento se alcanza ajustando la velocidad del motor.

* Registrar el tiempo inicial, los desplazamientos verticales y horizontales y las fuerzas normales y de corte.

* Encender el artefacto e iniciar el corte. Obtener las lecturas de los datos de tiempo, el desplazamiento horizontal y vertical y la fuerza de corte en el intervalo de desplazamiento deseado. Las lecturas de datos se deberían tomar en los intervalos de desplazamiento para las primeras lecturas de 0,25% hasta el primer 2% de la deformación de la probeta, ampliando el rango a 0,5%, 1% y 2% para intervalos posteriores de modo de definir exactamente una curva de tensión - deformación.

Nota: Las lecturas adicionales pueden ayudar a identificar el valor máximo de la tensión de corte del sobre consolidado o el material frágil. Puede ser necesario detener el ensayo y espaciar nuevamente las mitades de la caja de corte para mantener el espacio libre entre las mitades de la caja.

* Tener el ensayo, luego de alcanzar la falla la cual puede oscilar entre un 10% y 20% de desplazamiento o deformación con respecto al diámetro o longitud original de la probeta.

* Retirar la fuerza normal de la probeta sacando la masa de la palanca y de la horquilla, o liberando la presión.

* Para probetas de ensayo cohesivas, separar las mitades de la caja de corte con un movimiento deslizante a lo largo del plano de la falla. No desmontar las mitades de la caja de corte perpendicularmente a la superficie de falla, ya que

esto dañaría la probeta. Fotografiar, dibujar o describir en forma escrita la superficie de falla.

Este procedimiento no se aplica para probetas sin cohesión.

* Retirar la probeta de la caja de corte y determinar su contenido de agua en conformidad con el método de ensayo.

* Calcular y graficar la tensión nominal de corte versus desplazamiento lateral relativo.

CONCLUSIONES

En esta oportunidad determinamos la resistencia al corte de una muestra de suelo drenado y consolidado en corte directo, el cual no otorga resultados de

manera directa, sino mediante un análisis de los datos obtenidos mediante el ensayo, rigiéndonos también por la norma establecida.

La finalidad de los ensayos de corte, 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. El ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca de un plano de cizalla dura determinado por la configuración del aparato de cizalla dura.

Es importante realizar este ensayo porque cuando nosotros sometemos a un suelo a cargas este presenta una resistencia al corte, que se da en un plano paralelo a la aplicaron de la carga, además la resistencia al corte de un suelo depende de dos factores muy importantes: el ángulo de cohesión y la fricción. Es por eso que cuando una estructura se apoya sobre la superficie o suelo de una fundación, este presenta esfuerzos, y estos producen deformaciones. Estas deformaciones pueden ser: deformaciones elásticas de las partículas, el cambio de volumen del suelo por consecuencia de evacuaciones del líquido, deslizamientos de masas de suelo. Durante la experiencia pudimos llegar a calcular el ángulo de fricción el cual resultó ser 79.08, que según la norma quiere decir que la muestra ensayada corresponde a un suelo granular correspondiente a un tipo de grava arenosa, de partículas duras y angulosas.

En el presente informe se muestra el método de la norma Nch 3085 of 07 para la determinación de la resistencia al corte de una muestra de suelo drenado y consolidado en corte directo. Y sus respectivos parámetros de resistencia al corte como es el ángulo de fricción interna y la cohesión.

El esfuerzo normal de la probeta en la falla dio como resultado 116,3570 [kg/cm2]; este esfuerzo es consecuencia de la carga axial aplicada. Mientras que el esfuerzo de corte máximo fue 102,2580 [kg/cm2]. Estos últimos valores nos demuestran el hecho sabido ya por todos los alumnos del curso, que es que el suelo falla por corte.