Tema 1 - Resistencia Del Suelo Al Corte

Tema 1.- Resistencia del suelo al corteMECNICA DE SUELOS II - 2014

Profesor Titular: Rolando Armas PhD [email protected] ayudante: Jorge Moscoso Ing. [email protected] ayudante: Enrique Acosta PhD [email protected]

Sesin 1

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SKEMPTON, A. W. (1964). Long-Term Stability of Clay Slopes, Geotechnique, Vol. 14, 77.Tema 1.- Resistencia del suelo al corte

Las deformaciones de la masa de suelo se deben principalmente a los deslizamientos entre distintas partculas. Por esta razn, se debe entender por resistencia de una masa de suelo, su resistencia al esfuerzo cortante.

La resistencia cortante de una masa de suelo es el esfuerzo por unidad de rea que una masa de suelo puede ofrecer para resistir una rotura y deslizamiento a lo largo de un plano en su interior.

Es importante comprender la naturaleza de la resistencia al corte o cizalla para poder analizar problemas de estabilidad de suelos tales como: capacidad portante, estabilidad de laderas y presin lateral en estructuras de contencin de tierras.Tema 1.- Resistencia del suelo al corte

Tema 1.- Resistencia del suelo al corte

Sesin 1 1.1.- Criterio de rotura de Mohr - Coulomb 1.2.- Estado tensional en un plano 1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de Mohr 1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un plano 1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esfuerzo cortante

Mohr (1900) present una teora para la rotura de materiales que afirmaba que un material se rompe o falla debido a la combinacin crtica de esfuerzo normal y esfuerzo cortante o cizalla, y no por un nico esfuerzo normal mximo o un nico esfuerzo cortante mximo. La relacin entre esfuerzo normal y cortante sobre un plano de rotura puede expresarse de la siguiente manera: 1.1.- Criterio de rotura de Mohr - CoulombSegn Mohr, la envolvente de rotura definida por esta ecuacin es una lnea de naturaleza curva. Pero, para la mayor parte de los problemas de mecnica de suelos, el esfuerzo cortante sobre un plano de rotura puede expresarse como una funcin lineal del esfuerzo normal (Coulomb, 1976).c = cohesin = ngulo de friccin interno = esfuerzo normal sobre el plano de roturaTf = esfuerzo de cizallaEsfuerzo cortante sobre el plano de roturaEsfuerzo normal sobre el plano de roturaCriterio de rotura de Mohr - Coulomb basado en esfuerzo total

Recordad que en un suelo saturado el esfuerzo normal total en un punto es la suma del esfuerzo efectivo () y la presin de agua intersticial (u),1.1.- Criterio de rotura de Mohr - Coulombdonde c = cohesin y = ngulo de friccin, basados en el esfuerzo efectivo.El valor de c para arena y limo inorgnico es 0, en arcillas normalmente consolidadas se aproxima a 0, en arcillas sobreconsolidadas es mayor que 0. Los valores del ngulo de friccin en algunos suelos granulares se muestran en la siguiente tabla.y que el esfuerzo efectivo () est soportado por las partculas slidas del suelo. El criterio de rotura de Mohr - Coulomb expresado en trminos de esfuerzo efectivo sera

1.1.- Criterio de rotura de Mohr - Coulomb

1.1.- Criterio de rotura de Mohr - CoulombPodemos explicar el significado de la ecuacin mediante la figura de la izqda. que muestra una porcin elemental de suelo. En ella podemos ver que los esfuerzos normal y cortante que actan sobre el plano ab son y , respectivamente. La fig. de la dcha. muestra la envolvente de rotura definida por la ecuacin anterior. Si las magnitudes de y corresponden a las del punto A, no se producir rotura cortante a lo largo del plano ab.

1.1.- Criterio de rotura de Mohr - CoulombSi las magnitudes de y corresponden a las del punto B, cae en la envolvente de rotura, s se producir rotura cortante a lo largo del plano ab. El caso del punto C no puede existir porque cae por encima de la envolvente de rotura y por lo tanto, la rotura cortante del suelo ya se habra producido.

1.2.- Estado tensional en un planoLa siguiente figura ilustra un elemento bidimensional del suelo sometido a esfuerzos normales y cortantes (y > x). Para determinar el esfuerzo normal y el esfuerzo de corte en el plano EF que forma un ngulo con el plano AB (plano de esfuerzo principal mayor), tenemos que considerar el bloque diagrama EFB de la figura (b). Donde n y n son los esfuerzos normal y cortante, respectivamente, sobre el plano EF.

A partir de esta geometra sabemos queSumando las componentes de las fuerzas que actan sobre el elemento en las direcciones N y T, tenemosooEc. para calcular el esfuerzo normal en un plano inclinado un ngulo 1.2.- Estado tensional en un plano

Y en cuanto a los esfuerzos de corteooLos planos donde no existe esfuerzo de corte se denominan planos principales. Sustituyendo n = 0 en la Ec. anterior tenemos queEc. para calcular el esfuerzo de corte en un plano inclinado un ngulo 1.2.- Estado tensional en un plano

Para determinados valores de xy, x y y , la Ec. anterior proporcionar dos valores de separados entre s 90. Esto significa que hay dos planos en ngulo recto uno respecto al otro en los que el esfuerzo de corte es cero. Estos planos se llaman planos principales. Los esfuerzos normales que actan en los planos principales se denominan esfuerzos principales. Los valores de los esfuerzos principales pueden calcularse sustituyendo la Ec. anterior en la Ec. , lo que da lugar a Ecs. para calcular los esfuerzos principales mayor y menor1.2.- Estado tensional en un plano

EJEMPLO (10.1):Esta porcin de suelo est sometido a los siguientes esfuerzos:

x = 2.000 lb/ft2 = 800 lb/ft2 y = 2.500 lb/ft2 = 20

Determinar la magnitud de los esfuerzos principales.

b) Calcular los esfuerzos normal y cortante en el plano AB. 1.2.- Estado tensional en un plano

EJEMPLO (10.1) - Solucin:

a) Determinar la magnitud de los esfuerzos principales

De las ecuaciones1.2.- Estado tensional en un plano


b) Calcular los esfuerzos normal y cortante en el plano AB. Seale los esfuerzos y sus direcciones en el grfico de Mohr.

De la ecuacinDe la ecuacin1.2.- Estado tensional en un plano

1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de MohrLos esfuerzos normal y cortante que actan en cualquier plano tambin pueden ser determinados dibujando un crculo de Mohr, como el de la siguiente figura. En los grficos o crculos de Mohr se considera que los esfuerzos normales compresivos son positivos y los esfuerzos cortantes son positivos si actan sobre caras enfrentadas del elemento de tal modo que produciran una rotacin en el sentido contrario a las agujas del reloj.

1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de MohrEn el plano AD de la porcin de suelo de la siguiente figura (izqda.), el esfuerzo normal es +x y el esfuerzo cortante es +xy. En el plano AB, el esfuerzo normal es +y y el esfuerzo cortante es -xy.

En la fig. de la dcha, los puntos R y M representan las condiciones de esfuerzo en los planos AD y AB, respectivamente. O es el punto de interseccin del eje de esfuerzo normal con la lnea RM. El crculo MNQRS con centro en O y radio OR es el crculo de Mohr para las condiciones de esfuerzo consideradas.

1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de MohrEl radio del crculo de Mohr es

El esfuerzo sobre el plano EF puede determinarse girando un ngulo 2 (que es dos veces el ngulo en sentido antihorario que forma el plano EF con el plano AB en la fig. izqda.) en sentido antihorario desde el punto M a lo largo de la circunferencia de Mohr hasta alcanzar el punto Q. La abscisa y la ordenada de este punto Q nos dan el esfuerzo normal (n) y el esfuerzo cortante (n) en el plano EF.

1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de MohrLos puntos N y S representan los esfuerzos en los planos principales porque sus ordenadas (esfuerzo cortante) son 0. La abscisa del punto N es igual a 1, y la abscisa del punto S es 3. Recordar las ecuaciones

Como caso especial, si los planos AB y AD fueran los planos mayor y menor, el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en el plano EF podra calcularse sustituyendo xy por 0 en las ecuaciones

y

quedando: y1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de Mohr

El crculo de Mohr para estas condiciones se muestra en la siguiente figura. La abscisa y la ordenada del punto Q proporciona el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante, respectivamente, sobre el plano EF.1.3.- Representacin del estado tensional en el grfico de MohrPorcin de suelo con como planos principales mayor AB y menor AD Crculo de Mohr para la porcin de suelo de la izqda.

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un planoEl mtodo del polo, tambin conocido como mtodo de origen de planos, se muestra en la siguiente figura. La fig. izqda. representa una porcin de suelo (como hasta ahora), y la fig. dcha. es el crculo de Mohr para las condiciones de esfuerzo indicadas. Segn el mtodo del polo, dibujamos una lnea desde un punto conocido del crculo de Mohr, paralela al plano sometido a esfuerzo. El punto de interseccin de esta lnea con el crculo de Mohr se denomina polo.Porcin de suelo sometido a esfuerzos normal y cortanteUso del mtodo de polo para determinar esfuerzos sobre un plano

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un planoste es un punto nico para el estado de esfuerzos en consideracin. Por ejemplo, el punto M sobre el crculo de Mohr representa los esfuerzos sobre el plano AB. La lnea MP se dibuja paralela a AB, de modo que P es el polo (origen de planos) en este caso. Si queremos determinar los esfuerzos en el plano EF, dibujamos una lnea desde este polo y paralela a EF. El punto de interseccin de esta lnea con el crculo de Mohr es Q, cuyas coordenadas dan los esfuerzos en el plano EF. (Nota: El ngulo QOM es dos veces el ngulo QPM).Porcin de suelo sometido a esfuerzos normal y cortanteUso del mtodo de polo para determinar esfuerzos sobre un plano

EJEMPLO (10.1) con Mohr:Esta porcin de suelo est sometido a los siguientes esfuerzos:

x = 2.000 lb/ft2 = 800 lb/ft2 y = 2.500 lb/ft2 = 20

Determinar la magnitud de los esfuerzos principales.


c) Determinar el ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal mayor y menor. Selelo en el grfico de Mohr como 1 y 3.

1.2.- Estado tensional en un plano



De las ecuaciones1.2.- Estado tensional en un plano

EJEMPLO (10.1) - Solucin Mohr:


1.2.- Estado tensional en un plano



De la ecuacinDe la ecuacin1.2.- Estado tensional en un plano

1.2.- Estado tensional en un planoEJEMPLO (10.1) - Solucin Mohr:


1.2.- Estado tensional en un planoEJEMPLO (10.1) - Solucin Mohr:

c) Determinar el ngulo que forma el plano de falla verdadero ( es el propio plano AB) con el plano principal mayor y menor. Selelo en el grfico de Mohr como 1 y 3.

1.2.- Estado tensional en un planoEJEMPLO (10.1) Solucin Mohr:

c) Determinar el ngulo que forma el plano de falla verdadero ( es el propio plano AB) con el plano principal mayor y menor. Selelo en el grfico de Mohr como 1 y 3.

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un planoEJEMPLO (10.2):

Para esta porcin de suelo sometido a esfuerzos determina mediante el mtodo del polo de plano:

El esfuerzo principal mayor El esfuerzo principal menor Los esfuerzos normal y cortante sobre el plano AE. Seala los esfuerzos y sus direcciones en el grfico de Mohr. El ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal mayor y menor. Selalo en el grfico de Mohr como 1 y 3.

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un plano En el plano AE 13EJEMPLO (10.2) - Solucin a), b) y c1):

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un planoEJEMPLO (10.2) - Solucin:

c2) Seala los esfuerzos que actan en el plano AE y sus direcciones en el grfico de Mohr.

1.4.- Mtodo del Polo para determinar esfuerzos sobre un planoEJEMPLO (10.2) - Solucin:

d) El ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal mayor y menor. Selalos en el grfico de Mohr como 1 y 3.

1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esf. cortanteComo ya se ha explicado, la rotura por esfuerzo cortante ocurrir cuando dicho esfuerzo sobre un plano alcance un valor dado por la ecuacinPara determinar la inclinacin del plano de rotura respecto al plano principal mayor, vamos a analizar la siguiente figura, donde 1 y 3 son los esfuerzos principales efectivos mayor y menor, respectivamente. El plano de rotura EF forma un ngulo con el plano principal mayor.Inclinacin del plano de rotura en un suelo con respecto al plano principal mayor

1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esf. cortantePara calcular el ngulo y la relacin entre 1 y 3 vamos a analizar esta otra figura (dcha.), que es un diagrama del crculo de Mohr para el estado tensional de la figura de la izqda.La envolvente de rotura definida por la ecuacin es la lnea fgh. La lnea radial ab define el plano principal mayor (CD en la fig. de la izqda.), y la lnea radial ad define el plano de rotura (EF).Inclinacin del plano de rotura en un suelo con respecto al plano principal mayorCrculo de Mohr y envolvente de rotura

1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esf. cortanteComo puede observarse, el ngulo Por otro lado,

1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esf. cortantePor lo tanto,oSin embargo, y

1.5.- Inclinacin del plano de rotura causado por esf. cortanteEntonces,Si en lugar de trabajar con esfuerzos efectivos, trabajamos con esfuerzos totales, la ecuacin seraEcs. para calcular un esfuerzo principal cuando slo conocemos y el otro esfuerzo principal



Sesin 2


Sesin 21.6.- Ensayos de laboratorio para determinar los parmetros de la resistencia al corte

1.7.- Ensayo de corte directo

1.6.- Ensayos de laboratorio para determinar los parmetros de la resistencia al corteEn la actualidad existen varios mtodos de laboratorio par determinar los parmetros de resistencia al corte de una muestra de suelo (ej: c, , c, ). Estos mtodos son:

- Ensayo de corte directo - Ensayo triaxial - Ensayo de corte directo simple - Ensayo triaxial de deformacin plana - Ensayo de corte de anillo torsional


Sesin 21.6.- Ensayos de laboratorio para determinar los parmetros de la resistencia al corte

1.7.- Ensayo de corte directo

1.7.- Ensayos de corte directoEs el ms antiguo y simple de los ensayos de corte. En la siguiente figura se muestra un esquema del aparato de corte directo. El equipo de ensayo consiste en una caja metlica de corte en el que se coloca la muestra de suelo. La muestra puede ser cuadrada o circular en planta. El tamao suele ser 51 x 51 mm 102 x 102 mm (2 x 2 pulgadas 4 x 4 pulgadas) en horizontal y 25 mm (1 pulgada) en vertical.

1.7.- Ensayos de corte directoEncima de la muestra se dispone una placa de reparto de carga vertical normal, que puede ser mayor de 1050 kN/m2 (150 lb/in2). La caja est dividida horizontalmente en dos mitades. La fuerza de corte se aplica moviendo la mitad inferior de la caja respecto a la superior para provocar la rotura o falla en la muestra de suelo.

1.7.- Ensayos de corte directoDependiendo del equipo, el ensayo de corte puede estar controlado tanto en esfuerzo como en deformacin. En los ensayos de esfuerzo controlado, la fuerza de cizalla o cortante se aplica en incrementos iguales hasta que la muestra se rompe. La rotura se produce a lo largo del plano de separacin de la caja de corte.

1.7.- Ensayos de corte directoDespus de la aplicacin de cada incremento de carga, el desplaza-miento de cizalla de la mitad superior de la caja se mide mediante un indicador horizontal. El cambio de altura de la muestra (y por lo tanto el cambio de volumen) durante el ensayo puede obtenerse mediante las lecturas del indicador que mide el movimiento vertical de la placa de carga superior.

Una prueba completa sobre un determinado suelo consiste en ensayar tres muestras idnticas del mismo material bajo 3 cargas verticales distintas (N1, N2 y N3), o lo que es lo mismo, bajo 3 esfuerzos normales diferentes. Basta dividir la carga N por la seccin So de la muestra para obtener la tensin o esfuerzo normal actuante.

1.7.- Ensayos de corte directoEn los ensayos de deformacin controlada, se aplica una tasa constante de desplazamiento de cizalla a una mitad de la caja mediante un motor que acta mediante engranajes. La tasa constante de desplazamiento de cizalla se mide por medio de un indicador horizontal. La resistencia al corte de la muestra de suelo correspondiente a cualquier desplaza-miento puede medirse por medio de un anillo horizontal o celda de carga. El cambio de volumen de la muestra durante el ensayo se obtiene de manera similar a la del ensayo de esfuerzo controlado.

1.7.- Ensayos de corte directoste es un equipo de ensayo de corte directo de esfuerzo controlado:Cortesa de Braja M. Das, Henderson, NevadaVdeo:http://www.youtube.com/watch?v=otpGWRfCoSo

1.7.- Ensayos de corte directoFotografa de la parte del equipo donde se encuentran los indicadores y el anillo celda de carga.Cortesa de Braja M. Das, Henderson, NevadaDeform. verticalDeform. horizontalLectura de carga

1.7.- Ensayos de corte directoLa ventaja del ensayo de deformacin controlada es que en el caso de arenas densas, podemos observar y registrar la resistencia al corte mxima (en la rotura) as como la resistencia residual al corte o ultimate shear strength (despus de la rotura). En ensayos de esfuerzo controlado no podemos observar ni registrar sta ltima. La resistencia pico o mxima es aproximada porque la rotura se produce a un nivel de esfuerzo comprendido entre la carga previa a la rotura y la carga que ha producido la rotura. Sin embargo, comparado con los ensayos de deformacin controlada, los de esfuerzo controlado probablemente modelizan mejor las situaciones reales de campo.

1.7.- Ensayos de corte directoEsta figura muestra el tpico grfico de resistencia al corte (arriba) y cambio en la altura de la muestra de suelo (abajo) vs el desplazamiento de cizalla para arenas secas sueltas y densas.Estos grficos se obtuvieron de un ensayo de deformacin controlada.En relacin al grafico de arriba, podemos generalizar que:

1) En las arenas sueltas, la resistencia al corte aumenta con el desplazamiento de cizalla hasta alcanzar el esfuerzo cortante de rotura f. Despus de eso, la

1.7.- Ensayos de corte directoresistencia al corte permanece aproximadamente constante para cualquier incremento adicional en el desplazamiento de cizalla (ya rompi).2) En las arenas densas, la resistencia al corte aumenta con el desplazamiento de cizalla hasta alcanzar la rotura en f. A este f se le llama resistencia al corte pico. Despus de la rotura, la resistencia al corte disminuye gradualmente a medida que el desplazamiento de cizalla contina hasta alcanzar un valor constante denominado resistencia residual al corte o ultimate shear strength.

1.7.- Ensayos de corte directoComo se observa en el grfico inferior, la altura de la muestra de suelo cambia durante el desplazamiento de cizalla, y por lo tanto, tambin cambiar la proporcin o relacin de poros de la arena, al menos en las proximidades de la divisin de la caja de cizalla.

1.7.- Ensayos de corte directoEsta otra figura ilustra la variacin de la relacin de poros en la arena suelta y en la densa sometidas a cizalla. Despus de un considerable desplazamiento de cizalla, la relacin de poros de la arena suelta y densa pasan a ser prcticamente iguales, y a este valor se le denomina relacin de poros crtica. Importante: En arena seca c = 0 y =

1.7.- Ensayos de corte directoLos esfuerzos normales y los correspondientes valores de f obtenidos en diversos ensayos de corte directo en arenas secas se muestran en el siguiente grfico, a partir del cual determinamos los parmetros de resistencia al corte (slo , arenas secas no tienen cohesin).Resistencia al corteResistencia residual al corte

1.7.- Ensayos de corte directoLa ecuacin para la lnea promedio de resistencia al corte (lnea continua) obtenida de resultados experimentales es As que el ngulo de friccin sera:Resistencia al corteResistencia residual al corte

1.7.- Ensayos de corte directoSi los ensayos son de deformacin controlada, tambin obtenemos valores de ult (resistencia residual al corte), los representamos en el grfico y dibujamos la lnea discontinua cuya ecuacin sera:As que el ngulo de friccin sera:Resistencia al corteResistencia residual al corte

1.7.- Ensayos de corte directoMs vdeos sobre ensayos de corte directo:http://www.youtube.com/watch?v=QLI9SSv2GIg Preparacin de una muestra arenosahttp://www.youtube.com/watch?v=zzcGOxk5DQQ Ensayo de deformacin controlada

1.7.- Ensayos de corte directoPROBLEMA (12.1):

En un ensayo de corte directo en arena seca tenemos los siguientes datos:

Tamao de la muestra: 75 mm x 75 mm x 30 mm (altura) Esfuerzo normal: 200 kN/m2 Esfuerzo de cizalla en la rotura: 175 kN/m2

a) Calcula el ngulo de friccin b) Para un esfuerzo normal de 150 kN/m2, qu fuerza de cizalla sera necesaria para romper la muestra B? c) Cunto valen los esfuerzos principales en la muestra B? d) Cul es la direccin y ngulo de los planos principales mayor y menor en la muestra B?

1.7.- Ensayos de corte directoPROBLEMA (12.1) - Solucin:

a) Calcula el ngulo de friccin


b) Para un esfuerzo normal de 150 kN/m2, qu fuerza de cizalla sera necesario para romper la muestra?


c) Cunto valen los esfuerzos principales en la muestra B?


d) Cul es la direccin y ngulo de los planos principales mayor y menor en la muestra B?


d) Cul es la direccin y ngulo de los planos principales mayor y menor en la muestra B?Con el Plano ppal. mayorCon el Plano ppal. menor

1.7.- Ensayos de corte directoPROBLEMA (12.2):

Para una muestra de arena seca en una caja de corte, se obtienen lo siguientes resultados:

ngulo de friccin: 38 Tamao de la muestra: 2 in. x 2 in. x 1.2 in. (alto) Esfuerzo normal: 20 lb/in.2

Determina la fuerza de corte necesaria para romper la muestra. Determina los esfuerzos principales en la muestra Cul es el ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal menor?


Determina la fuerza de corte necesaria para romper la muestra.


b) Determina los esfuerzos principales en la muestra


c) Cul es el ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal menor?Con el Plano ppal. mayorCon el Plano ppal. menor


c) Cul es el ngulo que forma el plano de falla verdadero con el plano principal menor?



Sesin 3


Sesin 31.8.- Ensayo de corte directo drenado en arena y arcilla saturadas

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directo

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasEn la disposicin del ensayo de corte directo, la caja de corte que contiene la muestra de suelo se mantiene generalmente dentro de un recipiente que puede ser llenado con agua para saturar la muestra. Un ensayo drenado en una muestra de suelo saturado se realiza manteniendo la velocidad de carga lo suficientemente lenta para que el exceso de presin de poros generado en la muestra de suelo se disipe completamente por el drenaje. El agua de los poros de la muestra se drena a travs de dos piedras porosas

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasDebido a que la conductividad hidrulica de arena es alta, el exceso de presin de poros generado debido a la carga (normal y de cizallamiento) se disipa rpidamente. Por tanto, el ngulo de friccin , obtenido a partir de un ensayo de corte directo drenado de arena saturada ser el mismo que el de una muestra similar de arena seca.La conductividad hidrulica de la arcilla es muy pequea en comparacin con la de la arena. Cuando se aplica una carga normal a un espcimen de suelo de arcilla, debe transcurrir un periodo de tiempo suficiente para la consolidacin total, es decir, para la disipacin del exceso de presin de poros. Por esta razn, la carga de cizallamiento debe ser aplicada muy lentamente. La prueba puede durar de dos a cinco das.

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasLa siguiente figura muestra los resultados de una prueba de corte directo drenado en una arcilla sobreconsolidada.

De manera similar a como hemos obtenido la resistencia ltima al corte de la arena tras grandes desplazamientos de cizalla (recordar fig. dcha), podemos obtener la resistencia residual al corte de arcillas r en un ensayo drenado.

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasEsta figura muestra el grfico de f vs obtenido a partir de un nmero de ensayos de corte directos drenados en una arcilla normalmente consolidada y una arcilla sobreconsolidada. Tener en cuenta que en arcillas normalmente consolidadas c 0. Tambin se representa r vs .

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasEl ngulo de rozamiento interno drenado de arcillas normalmente consolidadas disminuye con el ndice de plasticidad del suelo. Esto puede observarse en la siguiente figura para una serie de datos de arcillas estudiadas por Kenney (1959).

1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasSkempton (1964) proporciona los resultados de la variacin del ngulo de friccin residual r de un nmero de suelos arcillosos con presencia de la fraccin granulomtrica . Esta tabla muestra un resumen de los resultados.

EJEMPLO (12.1):

Segn los siguientes resultados de 4 ensayos de corte directo drenados en una arcilla sobreconsolidada:

Dimetro de la muestra: 50 mm Altura de la muestra: 25 mm

Determina las relaciones del esfuerzo cortante pico (f) y el esfuerzo de corte residual (r).1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas


El rea de la muestra es

Y preparamos la siguiente tabla:1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadasCalculadoCalculadoCalculado


Representamos los valores de f y r vs en un grfico y encontramos que:1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

PROBLEMA (12.3):

Un ensayo de corte directo drenado en arcillas normalmente consolidadas da los siguientes resultados:

Siendo el tamao de la muestra: 60 x 60 x 30 (altura) mm Dibuja un grfico para el esfuerzo de corte de rotura frente al esfuerzo normal y determina el ngulo de friccin drenado a partir del grfico.b) Cules seran los esfuerzos normal y de corte en un plano a 50 del plano principal mayor?1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

PROBLEMA (12.3) - Solucin:rea de la muestra, Am = 60 mm x 60 mm = 3600 mm2 = 0,0036 m2

Dividimos las fuerzas (N) por el rea (m2) y obtenemos los esfuerzos1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

MuestraFuerza normal (N)Esfuerzo normal (kN/ m2)Fuerza de cizalla en la rotura (N)Esfuerzo cizalla en rotura (kN/ m2)120055,615543,1230083,323063,93400111,131086,14500138,9385106,9

PROBLEMA (12.3) - Solucin:a) Dibuja un grafico para el esfuerzo de corte de rotura frente al esfuerzo normal y determina el ngulo de friccin drenado a partir del grfico.1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

PROBLEMA (12.3) - Solucin:

b) Cules seran los esfuerzos normal y de corte en un plano a 50 del plano principal mayor?1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

PROBLEMA (12.3) - Solucin:

b) Cules seran los esfuerzos normal y de corte en un plano a 50 del plano principal mayor?1.8.- Ensayos de C.D. drenado en arena y arcilla saturadas

MuestraFuerza normal (N)Esfuerzo normal (kN/ m2)Fuerza de cizalla en la rotura (N)Esfuerzo cizalla en rotura (kN/ m2)n a 50 del PPM a 50 del PPM120055,615543,179,553,7230083,323063,9117,478,73400111,131086,1160,7108,54500138,9385106,9195,7131,5


Sesin 31.8.- Ensayo de corte directo drenado en arena y arcilla saturadas

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directo

Ventajas: Es un ensayo rpido y econmico. Sus principios bsicos son elementales. La preparacin de las muestras es sencilla. Con cajas de corte grandes se pueden ensayar materiales de grano grueso. Con algunas limitaciones, se pueden emplear los mismos principios para determinar la resistencia de discontinuidades en roca, contacto hormign-suelo, etc. (Ver ms adelante) Se puede emplear para medir la resistencia residual en arcillas.1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directo

Desventajas: La superficie de rotura es forzada, no rompe por el plano ms dbil. La distribucin de esfuerzos cortantes a lo largo de la superficie de cizalla de la muestra no es uniforme. No se puede medir, en general, presiones intersticiales, de forma que la nica manera de controlar el drenaje es variando la velocidad del desplazamiento horizontal. El rea de contacto del plano de corte o rotura disminuye a medida que se produce el desplazamiento horizontal relativo entre ambas mitades de la caja.1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directo

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directoEn muchos problemas de diseo de cimentaciones debemos determinar el ngulo de friccin entre el suelo y el material de la cimentacin (hormign, acero, madera). El esfuerzo de cizalla a lo largo de la superficie de contacto seradondeCa = Adhesin = ngulo de friccin efectivo entre el suelo y el material de la cimentacinEstos parmetros pueden estimarse mediante un ensayo de corte directo

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directoEstos parmetros (Ca y ) pueden estimarse mediante un ensayo de corte directo. El material de la cimentacin se situara en la parte inferior de la caja de corte.

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directoEsta figura muestra los resultados de ensayos de corte directo entre una arena cuarzosa frente a hormign, acero y madera, como materiales de cimentacin, con = 100 kN/m2.Al principio de este captulo dijimos que la envolvente de rotura de Mohr es de naturaleza curva, y que la ecuacin de rotura de Mohr-Coulomb es slo una aproximacin.

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directoEste hecho debe tenerse en cuenta cuando nos enfrentamos a problemas con presiones de confinamiento ms elevadas. Esta figura muestra la disminucin de y con el aumento del esfuerzo normal para los tres materiales de cimentacin de la figura de la diapo anterior.

1.9.- Comentarios generales sobre el ensayo de corte directoEste hecho puede explicarse si observamos esta otra figura, que muestra una envolvente de rotura de Mohr curva. Si se realiza un ensayo de corte directo con = (1), el esfuerzo de corte sera f(1). Por lo tanto,f(1) = (1) tan (1)y

Si el ensayo se realiza con = (2), entonces(2) < (1) porque (2) > (1)



Sesin 4


Sesin 41.10.- Ensayo de corte triaxial (General)1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)1.14.- Ensayo de compresin no confinado en arcilla saturada1.15.- Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y la presin de enterramiento efectiva (0)

1.10.- Ensayo de corte triaxial (General)Es el ms fiable de todos los mtodos existentes para determinar los parmetros de la resistencia al corte. Esta figura ilustra el diseo de un ensayo triaxial.

1.10.- Ensayo de corte triaxial (General)La muestra de suelo normalmente mide 36 mm de dimetro y 76 mm de largo. La muestra est encerrada por una membrana de goma fina y se coloca dentro de una cmara cilndrica de plstico que por lo general se llena con agua o glicerina.

1.10.- Ensayo de corte triaxial (General)La muestra se somete a una presin de confinamiento por la compresin del fluido en la cmara. (Nota: El aire se utiliza a veces como medio de compresin). Para causar falla por corte en la muestra, se debe aplicar la tensin axial a travs de un ariete de carga vertical (a veces llamado esfuerzo desviador). Este esfuerzo puede ser aplicado de dos maneras:

1.10.- Ensayo de corte triaxial (General)1) Aplicacin de pesos muertos o presin hidrulica en incrementos iguales hasta que falla la muestra. La deformacin axial de la muestra, resultado de la carga aplicada a travs del ariete, se registra en un reloj de medicin. sta es una prueba de esfuerzo controlado.

2) Aplicacin de la deformacin axial a una velocidad constante por medio de la carga de una prensa motorizada o hidrulica. sta es una prueba de deformacin controlada.

La carga axial aplicada por el ariete de carga correspondiente a una deformacin axial dada se mide por un anillo o clula de carga unida al ariete.

1.10.- Ensayo de corte triaxial (General)Este ensayo ofrece la posibilidad de medir el drenaje dentro o fuera de la muestra as como la presin de agua en los poros. Los tres tipos de ensayos triaxiales estndar son:

1. Consolidado - drenado o ensayo drenado (ensayo CD) 2. Consolidado - no drenado (ensayo CU) 3. No consolidado - no drenado o ensayo no drenado (ensayo UU)

Los procedimientos generales y las implicaciones de cada uno de estos tres ensayos en suelos saturados se describen en las siguientes secciones.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)En el ensayo CD, la muestra saturada primero se somete a una presin de confinamiento 360 (3) por la compresin del fluido de la cmara (Fig. a). A medida que se aplica la presin de confinamiento, la presin de poros de la muestra aumenta en uc (si se impide el drenaje). Este aumento en la presin del agua intersticial puede ser expresado como un parmetro adimensional en la formaa)b)dondeB = Parmetro de presin de poro de Skempton (1954).

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)En suelos blandos saturados B 1. Sin embargo, en suelo duros saturados B puede ser menor que 1. Black and Lee (1973)

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)Si la conexin para el drenaje est abierta, se producir una disipacin del exceso de presin de poro y por lo tanto, una consolidacin. Con el tiempo uc llegar a ser 0. En suelo saturado, el cambio en el volumen de la muestra (Vc) que tiene lugar durante la consolidacin puede obtenerse a partir del volumen de agua drenado de los poros (fig. a).

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)A continuacin, el esfuerzo desviador (d) en la muestra se incrementa muy lentamente (fig. b). La conexin de drenaje se mantiene abierta y la lentitud de la aplicacin de esfuerzo desviador permite la disipacin completa de cualquier presin de poros que se desarroll como resultado (ud = 0).a)b)

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)La variacin del esfuerzo desviador frente a la deformacin en una arena suelta y arcilla normalmente consolidada (no cohesin) se muestra en la fig. b.

La fig. c muestra un grfico similar para arenas densas y arcillas sobreconsolidadas.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)El cambio de volumen (Vd) de muestras debido a la aplicacin del esfuerzo desviador en varios suelos se muestra en las figuras d y e.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)Como la presin de agua intersticial se disipa totalmente durante el ensayo, tenemos que el esfuerzo de confinamiento total es igual al esfuerzo de confinamiento efectivo

Y el esfuerzo axial total de rotura es igual al esfuerzo axial especfico de rotura

En un ensayo triaxial, 1 es el esfuerzo efectivo principal mayor de rotura y 3 es el esfuerzo efectivo principal menor de rotura.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)Pueden realizarse varios ensayos sobre muestras similares variando la presin de confinamiento. Con los esfuerzos principales mayor y menor de rotura en cada ensayo, podemos dibujar los correspondientes crculos de Mohr y obtener la envolvente de rotura. La figura muestra el tipo de envolvente de rotura de esfuerzo efectivo obtenidos en ensayos sobre la arena y arcilla normalmente consolidada. Las coordenadas del punto de tangencia de la envolvente de rotura con un crculo de Mohr (es decir, el punto A) dan los esfuerzos (normal y cortante) en el plano de falla de esa muestra ensayada.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)Segn esta figura, para arcillas normalmente consolidadas Adems, el plano de rotura formar un ngulo

con el plano principal mayor

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)La sobreconsolidacin o preconsolidacin tienen lugar cuando una arcilla se consolida inicialmente por el esfuerzo c (= c) en la cmara de presin 360 y posteriormente hacemos que se hinche reduciendo la presin de la cmara a 3 (= 3). La envolvente de falla obtenida de ensayos triaxiales CD en estos casos muestra dos tramos distintos (ab y bc). El tramo ab tiene una pendiente ms suave y le correspondera una cohesin c. Su ecuacin de resistencia al corte sera Envolvente de rotura de esfuerzos efectivos para arcilla preconsolidada

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)El tramo bc representa un estado del suelo normalmente consolidado y sigue esta ecuacinSi conocemos los resultados del ensayo triaxial de dos muestras de suelo sobreconsolidado, podemos determinar 1 y c de la siguiente manera. Para la muestra 1:

Para la muestra 2:

restandoRecordar (1.5)

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)Por lo tanto,

Una vez conocido el valor 1 podemos obtener cUna prueba triaxial consolidado drenado en un suelo arcilloso puede tardar varios das en completarse. Se requiere esta cantidad de tiempo porque el esfuerzo desviador debe ser aplicado muy lentamente para asegurar el drenaje completo de la muestra de suelo. Por esta razn, el tipo de CD de prueba triaxial es poco comn.Ec. para calcular 1 a partir de dos ensayos triaxiales CDEc. para calcular c a partir de dos ensayos triaxiales CD.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)EJEMPLO (12.2):

Un ensayo triaxial CD realizado en una arcilla normalmente consolidada aporta los siguientes resultados:

3 = 16 lb/in.2 (d)f = 25 lb/in.2

Calculara) ngulo de friccin b) ngulo que el plano de rotura forma con el plano principal mayorc) Esfuerzo normal y de corte f en el plano de roturad) Esfuerzo normal efectivo en el plano de mximo esfuerzo de corte

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)EJEMPLO (12.2) - Solucin:

a) ngulo de friccin En suelos normalmente consolidados porque C = 0En el ensayo triaxial los esfuerzos principales mayor y menor efectivos son de la siguiente manera

y


a) ngulo de friccin El crculo de Mohr y la envolvente de rotura son los siguientes:Grficamente = 26


b) ngulo que el plano de rotura forma con el plano principal mayorGrficamente = 58


c) Esfuerzo normal y de corte f en el plano de roturaGrficamente = 23 lb/in.2f = 11 lb/in.2


c) Esfuerzo normal y de corte f en el plano de roturaEc. para calcular el esfuerzo normal en un plano inclinado un ngulo


c) Esfuerzo normal y de corte f en el plano de roturaEc. para calcular el esfuerzo de corte en un plano inclinado un ngulo


d) Esfuerzo normal efectivo en el plano de mximo esfuerzo de corteGrficamente = 28,5 lb/in.2


d) Esfuerzo normal efectivo en el plano de mximo esfuerzo de corteEl valor arrojado por la ecuacin para determinar el esfuerzo de corte en un plano inclinado un ngulo ser mximo cuando sin 2 = 1, es decir que = 45

Sustituyendo = 45 en la Ec. para calcular el esfuerzo normal en un plano determinado tenemos

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)EJEMPLO (12.5):

Los resultados de dos ensayos triaxiales drenados en una arcilla saturada son:

Muestra 1: Muestra 2:

Determinar los parmetros de resistencia al corte


Conociendo los esfuerzos de confinamiento de la cmara de presin (3) y (d)f , obtenemos 1 = 3 + (d)f

Muestra 1 Muestra 2

1 = 200 kN/m2 1 = 383,5 kN/m2


Grficamente: Muestra 1 Muestra 2

1 = 200 kN/m2 1 = 383,5 kN/m2

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.5):

La ecuacin de la envolvente de rotura de esfuerzo efectivo de un suelo arcilloso normalmente consolidado es . Se ha realizado un ensayo triaxial CD con una presin de cmara de 10 lb/in.2.

a) Calcular el esfuerzo desviador en el momento de la rotura.b) Determina el ngulo que forman el plano de rotura y el plano principal mayor.c) Calcula los esfuerzos normal y de corte en un plano, en el momento de la rotura, en un plano que forma un ngulo de 30 con el plano principal mayor. Adems, explica porqu la muestra no rompi a lo largo de este plano durante el ensayo.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.5) - Solucin:

La cohesin es 0. Por lo tanto


La relacin entre la densidad relativa Dr y el ngulo de friccin de una arena es (Dr est en %). Se ha realizado un ensayo triaxial CD en esta arena con una presin de confinamiento de cmara de 18 lb/in2. La densidad relativa de compactacin fue del 60 %.

Calcular el esfuerzo principal mayor de rotura.


Si la densidad relativa de compactacin fue del 60%

Entonces

y


Un ensayo triaxial CD en una arcilla normalmente consolidada proporcion los siguientes resultados:

Presin de confinamiento de cmara: 15 lb/in2 Esfuerzo desviador de rotura: 34 lb/in2

Determinar el ngulo de friccin

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.8) - Solucin:1 = 3 + (d) = 15 + 34 = 49 lib/pul2


C = 01 = 49 lib/pul23 = 15 lib/pul2


Para una arcilla normalmente consolidada el ngulo de friccin es 24. En un ensayo triaxial CD la muestra se rompi cuando el esfuerzo desviador era 175 kN/m2.

Cul era la presin de confinamiento de cmara 3?


Los resultados de un ensayo triaxial CD en una arcilla normalmente consolidada fueron:

Determinara) El ngulo de friccin b) El ngulo que forma el plano de rotura con el plano principal mayorc) El esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo de cizalla en el plano de rotura.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.11) - Solucin:a) El ngulo de friccin .

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.11) - Solucin:b) El ngulo que forma el plano de rotura con el plano principal mayor.

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.11) - Solucin:b) El ngulo que forma el plano de rotura con el plano principal mayor.

= 21

1.11.- Ensayo triaxial consolidado y drenado (CD)PROBLEMA (12.11) - Solucin:c) El esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo de cizalla en el plano de rotura.


Los resultados de dos ensayos triaxiales CD de una arcilla saturada fueron:

Muestra 1Presin de confinamiento de cmara: 15 lb/in2Esfuerzo desviador: 31,4 lb/in2

Muestra 2Presin de confinamiento de cmara: 25 lb/in2Esfuerzo desviador: 47 lb/in2

Determinar los parmetros de resistencia al corte de suelo.


Recordar este grfico. Estamos frente a una arcilla preconsolidadada o sobreconsolidada.


Un suelo arenoso tiene un ngulo de friccin drenado de 38. En un ensayo triaxial CD el esfuerzo desviador es de 175 kN/m2.

Cul es la presin de la cmara de confinamiento?

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)La prueba consolidada sin drenaje (CU) es el tipo ms comn de prueba triaxial. En esta prueba, la muestra de suelo saturado se consolida primero por la presin del fluido de la cmara, 3, lo que produce el drenaje (Figuras a y b)

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Despus de que se disipe la presin del agua de poro generado por la aplicacin de la presin de confinamiento, se aplica el esfuerzo desviador, d, para causar la falla de cizalla en la muestra (Figura c). Durante esta fase de la prueba, la lnea de drenaje de la muestra se mantiene cerrada. Debido a que no se permite el drenaje, la presin de poros, ud, aumentar. Durante la prueba, se realizan mediciones simultneas de d y ud. El aumento en la presin del agua de los poros, ud, se puede expresar en una forma adimensional comodonde es el parmetro de presin de poro de Skempton (1954).

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Los patrones generales de variacin d y ud con la deformacin axial para suelos arenosos y arcillosos se muestran en las figuras d) - g). En la arena suelta y arcilla normalmente consolidada, la presin del agua de poro aumenta con la tensin. En la arena densa y arcilla sobreconsolidada, la presin del agua de los poros aumenta con el esfuerzo hasta un cierto lmite, ms all del cual disminuye y se hace negativo (respecto a la presin atmosfrica). Esta disminucin se debe a la tendencia de la tierra a dilatar.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)A diferencia de la prueba consolidada drenada (CD), los esfuerzos totales y efectivos principales no son los mismos en esta prueba consolidada no drenada (CU). Gracias a las medidas de presin del agua de los poros durante esta prueba, incluida la rotura, los esfuerzos principales se pueden analizar de la siguiente manera:

Esfuerzo de rotura principal mayor total:

Esfuerzo de rotura principal mayor efectivo:

Esfuerzo de rotura principal menor total:

Esfuerzo de rotura principal menor efectivo:

(ud)f es la presin de poro en el momento de rotura.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Para determinar los parmetros de resistencia al corte se realizan ensayos en varias muestras similares con diferentes presiones de confinamiento. La figura muestra los crculos de Mohr para los esfuerzos total y efectivo de rotura obtenidos a partir de ensayos triaxiales consolidados no drenados en arena suelta o arcilla normal. consolidada.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)A y B son los crculos de Mohr de esfuerzos totales obtenidos en dos ensayos. C y D son los crculos de Mohr de esfuerzos efectivos correspondientes a los crculos de esfuerzo total A y B, respectivamente. Los dimetros de los crculos A y C son iguales, y lo mismo sucede entre los dimetros de los crculos B y D.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)La envolvente de rotura del esfuerzo total se puede obtener al trazar una lnea tangente a los de crculos de Mohr de esfuerzo total. Para arena suelta y arcilla normalmente consolidadas, esta lnea ser aproximadamente una recta que pasa por el origen y puede ser expresada por la ecuacin

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Del mismo modo, la envolvente de rotura del esfuerzo efectivo se puede obtener al trazar una lnea tangente a los de crculos de Mohr de esfuerzo efectivo. Para arena suelta y arcilla normalmente consolidadas, esta lnea ser aproximadamente una recta que pasa por el origen y puede ser expresada por la ecuacin

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Para arenas sueltas y arcillas normalmente consolidadas podemos escribirEc. para calcular en una arcilla consolidada-no drenada

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)o en trminos de esfuerzos efectivosEc. para calcular en una arcilla consolidada-no drenada

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)En arcillas sobreconsolidadas la envolvente de rotura del esfuerzo total obtenida en ensayos consolidados no drenados tiene la forma que se muestra en esta figura. La lnea recta ab est representada por la ecuacin roja y la lnea recta bc est representada por la ecuacin verde.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Los ensayos drenados consolidados (CD) en los suelos arcillosos requieren un tiempo considerable. Por esta razn, los ensayos consolidados no drenados (CU) se realizan en tales suelos con mediciones de la presin de poro para obtener los parmetros de resistencia al corte drenados. Debido a que el drenaje en estos ensayos no est permitido durante la aplicacin de esfuerzo desviador, stos se pueden realizar rpidamente.

El parmetro de presin de poros de Skempton

en la rotura podra expresarse as

El rango de valores de este parmetro en la mayor parte de los suelos arcillosos oscilan entre 0,5 y 1 para arcillas normalmente consolidadas y entre -0,5 y 0 en sobreconsolidadas.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Esta tabla muestra algunos valores de para algunas arcillas normalmente consolidadas (Fuente: Instituto Geotcnico Noruego).

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)Los ensayos de laboratorio triaxiales de Simons (1960) sobre la arcilla de Oslo, arcilla Weald, y la arcilla de Londres mostraron que se convierte en aproximadamente cero a un valor sobreconsolidacin de unos 3 o 4.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)EJEMPLO (12.6):

Una muestra de arena saturada no cohesiva fue consolidada bajo una presin de confinamiento de cmara de 12 lb/in2. Entonces se aplic el esfuerzo axial y se impidi el drenaje. La muestra se rompi cuando el esfuerzo desviador alcanz 9,1 lb/in2. La presin de poro en la rotura fue 6,8 lb/in2. Calcula:

a) El ngulo de resistencia a la cizalla CU, b) El ngulo de friccin drenado, c) Cul sera el esfuerzo desviador de rotura (d)f si se realizara un ensayo drenado con la misma la presin de cmara.

1.12.- Ensayo triaxial consolidado y no drenado (CU)EJEMPLO (12.6) - Solucin:

El ngulo de resistencia a la cizalla CU,

Tenemos que:3 = 12 lb/in21 = 12 + 9,1 = 21,1 lb/in2(ud)f = 6,8 lb/in2


b) El ngulo de friccin drenado,

Tenemos que:3 = 12 lb/in21 = 12 + 9,1 = 21,1 lb/in2(ud)f = 6,8 lb/in2


b) El ngulo de friccin drenado,

O bien tenemos que:(ud)f = 6,8 lb/in23 = 12 - 6,8 = 5,2 lb/in2 1 = 912 + 9,1 - 6,8 = 14,3 lb/in2


Grficamente a) y b)

(ud)f = 6,8 lb/in2, 3 = 12 - 6,8 = 5,2 lb/in2 , 1 = 912 + 9,1 - 6,8 = 14,3 lb/in2


c) Cul sera el esfuerzo desviador de rotura (d)f si se realizara un ensayo drenado con la misma la presin de cmara.

Tenemos quec = 03 = 3 = 12 lb/in2 = 27,8

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)En los ensayos no consolidados y no drenados, el drenaje de la muestra de suelo no se permite durante la aplicacin de la presin de la cmara 3. La muestra de ensayo se somete a cizalla hasta la rotura aplicando el esfuerzo desviador d y se impide el drenaje. Debido a que el drenaje no se permite en ninguna etapa, la prueba se puede realizar rpidamente. Como consecuencia de la aplicacin de la presin de confinamiento 3 de la cmara, la presin del agua de los poros en la muestra de suelo se incrementar en uc. Un nuevo aumento de la presin de poros ud se producir por la aplicacin de esfuerzo desviador. Por lo tanto, la presin del agua de poro total u en la muestra en cualquier etapa de aplicacin de esfuerzo desviador se puede dar como

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)De las ecuaciones y yEsta prueba por lo general se lleva a cabo en muestras de arcilla y depende de un concepto de fuerza muy importante para suelos cohesivos si el suelo est completamente saturado. El esfuerzo axial aadido en la rotura (d)f es prcticamente el mismo independientemente de la presin de confinamiento de cmara.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)Esta propiedad se muestra en esta figura. La envolvente de rotura para el crculo de Mohr de esfuerzo total se convierte en una lnea horizontal y por lo tanto se llama una condicin = 0.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)De la ecuacin con = 0, obtenemos

donde cu es la resistencia al corte no drenada y es igual al radio de los crculos de Mohr. Tener en cuenta que el concepto = 0 es aplicable slo a arcillas y limos saturados.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)La razn por la que el esfuerzo axial (d)f es siempre el mismo independientemente de la presin de confinamiento, puede explicarse de la siguiente manera. Si una muestra de arcilla (n1) se consolida a una presin de cmara 3 y a continuacin se somete a cizallada sin drenaje hasta la rotura, las condiciones de esfuerzo total de rotura pueden ser representados por el crculo de Mohr P en la esta figura.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)La presin de poro desarrollado en la muestra al alcanzar la rotura es igual a (ud)f. As, los esfuerzos efectivos principales mayor y menor de rotura son, respectivamente,

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)Q es el crculo de Mohr de esfuerzo efectivo dibujado con los anteriores esfuerzos principales. Tener en cuenta que los dimetros de los crculos P y Q son los mismos.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)Ahora consideremos otra muestra de arcilla similar (n 2) que se ha consolidada bajo una presin de cmara 3 con la presin de poro inicial igual a cero. Si la presin de la cmara se incrementa 3 sin drenaje, la presin de poros se incrementar en una cantidad uc.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)Para suelos saturados sometidos a esfuerzos isotrpicos, el aumento de la presin del agua de poro es igual al aumento total del esfuerzo, por lo que . En este momento, la presin de confinamiento efectiva es igual a

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)sta es la misma que la presin de confinamiento eficaz de la muestra n 1 antes de la aplicacin de esfuerzo desviador. Por lo tanto, si la muestra n 2 se somete a cizalla hasta la rotura mediante el aumento del esfuerzo axial, debe fallar al mismo esfuerzo desviador (d)f que fue obtenido para la muestra n 1.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)El crculo de Mohr de esfuerzo total de rotura ser el R. El aumento de la presin de poro aadido causado por la aplicacin de (d)f ser (ud)f.

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)En la rotura, el esfuerzo efectivo principal menor es

y el esfuerzo efectivo principal mayor es

1.13.- Ensayo triaxial no consolidado y no drenado (UU)Por lo tanto, el crculo de Mohr de esfuerzo efectivo seguir siendo Q porque la fuerza es una funcin del esfuerzo efectivo. Tener en cuenta que los dimetros de los crculos P, Q, y R son todos iguales. Cualquier valor de 3 podra haber sido elegido para ensayar la muestra 2. En cualquier caso, el esfuerzo desviador (d)f para causar el fallo habra sido el mismo, siempre y cuando el suelo estuviera completamente saturado y sin drenar durante ambas etapas del ensayo.

1.14.- Ensayo de compresin no confinado en arcilla saturadaElensayo de compresin no confinada, tambin conocido con el nombre de ensayo de compresin simple o ensayo de compresin uniaxial, es un tipo especial de ensayo triaxial UU frecuentemente usado para muestras arcillosas. En este ensayo la presin de confinamiento 3 es 0. La carga axial se aplica rpidamente a la muestra para provocar la falla. En la rotura el esfuerzo principal menor es 0 y el esfuerzo principal mayor total es 1.

1.14.- Ensayo de compresin no confinado en arcilla saturadaDebido a que el esfuerzo cortante no drenado es independiente de la presin de confinamiento, siempre y cuando el suelo est completamente saturado y no drenado, tenemos

donde qu es la resistencia a la compresin no confinada. Esta tabla da las consistencias aproximadas de arcillas sobre la base de su qu.

1.14.- Ensayo de compresin no confinado en arcilla saturadaEstas son imgenes del equipo de compresin simple y de las muestras tras el ensayo.Rotura por fallaRotura por abultamiento

1.14.- Ensayo de compresin no confinado en arcilla saturadaEn teora, para las muestras de arcilla saturadas similares, los ensayos de compresin no confinada y los ensayos triaxiales-no consolidados no drenados deben producir los mismos valores de cu. En la prctica, sin embargo, los ensayos de compresin no confinada en arcillas saturadas producen valores ligeramente ms bajos de cu que los obtenidos a partir de ensayos no consolidados no drenados.

1.15.- Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y la presin de enterramiento efectiva (0)Se han propuesto varias relaciones empricas entre cu y la presin de enterramiento efectiva 0. La relacin ms citada es la de Skempton (1957) que se puede expresar como

(para arcillas normalmente consolidadas)

donde cu(VST) = esfuerzo de corte no drenado del ensayo de corte Vane (Vane Shear Test); y PI = ndice de plasticidad (%).

Chandler (1988) sugiri que la relacin anterior es vlida para suelos sobreconsolidados con una precisin del 25%. Esto no incluye las arcillas sensibles y agrietadas. Ladd, et al. (1977) propusieron que

1.15.- Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y la presin de enterramiento efectiva (0)EJEMPLO (12.8):

Un depsito de arcillas sobreconsolidadas ubicado bajo el nivel fretico tiene las siguientes caractersticas:

Presin de enterramiento efectiva: 160 kN/m2 Ratio de sobreconsolidacin: 3,2 ndice de plasticidad: 28

Estima el esfuerzo de cizalla no drenado medio de esta arcilla, cu(VST).

1.15.- Relaciones empricas entre cohesin no drenada (cu) y la presin de enterramiento efectiva (0)EJEMPLO (12.8) - Solucin:



Sesin 5


Sesin 51.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcilla

Resolucin de dudas y problemas de todo el Tema 1

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaPara muchos suelos naturales de arcilla, la resistencia a la compresin no confinada (compresin simple) se reduce en gran medida cuando las muestras de suelo se ensayan despus de remoldear sin ningn cambio en el contenido de humedad, como se muestra en esta figura.

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaEsta propiedad de los suelos arcillosos se llama sensibilidad. El grado de sensibilidad puede ser definido como la relacin de la resistencia a la compresin simple en un estado no perturbado y en un estado remoldeado.

La relacin de sensibilidad de la mayor parte de las arcillas oscila entre 1 y 8. Sin embargo, hay un tipo de arcillas marinas floculentas que pueden tener ratios de sensibilidad entre 10 y 80. Otras arcillas se vuelven fluidos viscosos al remoldearlas. Rosenqvist (1953) clasific las arcillas en funcin de su sensibilidad, ver siguiente diapo.

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaLa prdida de resistencia de las arcillas al remoldearlas se debe fundamentalmente a la destruccin de la estructura de sus partculas que fue creada durante el proceso original de sedimentacin.Si por el contrario, despus del remoldeo, una muestra de suelo arcilloso se mantiene en un estado inalterado, es decir, sin cambios en su contenido de humedad, continuar adquiriendo resistencia con el tiempo. Este fenmeno se llama tixotropa.Clasificacin de arcillas segn su sensibilidad

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaLa tixotropa es un proceso reversible dependiente del tiempo en el que los materiales de composicin y volumen constante se ablandan cuando son remoldeados. Este prdida de resistencia se recupera gradualmente con el tiempo cuando dejamos reposar a los materiales. Ver figura.Material 100% tixotrpico

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaLa mayor parte de los suelos son parcialmente tixotrpicos, es decir, parte de la prdida de resistencia por el remoldeo nunca se recupera con el tiempo. En esta figura se ilustra el patrn de la variacin resistencia / tiempo de materiales parcialmente tixotrpicos.Material parcialmente tixotrpico

1.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcillaSeed and Chan (1959) realizaron varios ensayos en tres arcillas compactadas con un contenido en agua prximo al lmite plstico para estudiar las caractersticas de la recuperacin de la resistencia tixotrpica de las arcillas. Los resultados se muestran en esta figura.Incremento de la resistencia tixotrpica con el tiempo en tres arcillasRatio de resistencia tixotrpica


Sesin 51.16.- Sensibilidad y tixotropa de la arcilla

Resolucin de dudas y problemas de todo el Tema 1



Sesin 6


Sesin 6Prueba N 1 sobre los conceptos y aplicaciones prcticas del Tema 1



Fin Tema 1

Tema 1 - Resistencia Del Suelo Al Corte

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