UNIVERSIDAD NACIONAL DE SANTA FACULTAD INGENIERIA E.A.P INGENIERIA CIVIL
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UNIVERSIDAD DE MAGALLANES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION
Ingeniero Constructor
Proyecto de Trabajo de Titulación
Implementación del equipo de Corte Directo y su aplicación en algunos
suelos típicos de Punta Arenas
Alumno: Juan Sebastián Ortiz Bahamondez
Profesor Co-referente: José Cárcamo Romero
Constructor Civil
Profesor Guía: Yasna Segura S.
Ingeniero Constructor
Punta Arenas, Marzo 2010
2
Agradecimientos:
Son muchas las personas que debiesen estar en éstas líneas, pero sólo nombraré a
las de mayor trascendencia para mi, personas de las cuales siempre he recibido un apoyo
incondicional y que han estado a mi lado en cada paso que he dado.
Por sobre todas las personas quisiera agradecer a mi madre, quien me ha guiado,
ha estado a mi lado desde siempre, preocupándose por mí, y dándome todo lo que necesité
mientras me convertía en el hombre que hoy soy.
A mi padre, que siempre estuvo preocupado por mi futuro, indicándome el camino
como persona de bien y asegurándose que nunca me faltara nada.
Mis hermanos, a Gonzalo, gracias por compartir los buenos momentos de la niñez, y
a Nicolás por alegrarme los días con su presencia. Los quiero mucho.
Valoro también el apoyo entregado por mi profesor guía, José Cárcamo y también a
mis compañeras Ay-ling y Melissa, por la colaboración mutua que existió durante el
desarrollo de nuestros trabajos.
De manera muy especial quiero agradecer a José Cárcamo Romero por haberme
guiado en el desarrollo de mi trabajo, aportarme no sólo con sus conocimientos y material de
respaldo para la redacción de éste documento, sino que también por haber realizado las
gestiones necesarias para conseguir el muy preciado apoyo de otras personas e
instituciones..
Agradezco también a las personas que indirectamente me ayudaron a conseguir mis
objetivos, dándome hospedaje mientras recopilaba información y ayudándome con la
extracción y el traslado de mis materiales.
Finalmente, debo agradecer a todas las instituciones, que sin tener la obligación, de
alguna u otra forma me ayudaron a realizar este trabajo con éxito, en especial a IDIEM.
3
Tabla de Contenidos
Agradecimientos: ...................................................................................................................... 2
Tabla de Contenidos .............................................................................................................. 3
Tabla de Ilustraciones, Gráficos y Ecuaciones. ................................................................ 6
RESUMEN ................................................................................................................................ 10
ABSTRACT ................................................................................................................................ 11
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 12
OBJETIVOS ............................................................................................................................... 16
CAPITULO I: MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 17
1.1. INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURA .......................................................... 19
1.2. RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO .................................................................... 20
1.3. TEORIA DE COULOMB - TERZAGHI .......................................................................... 22
1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO ........................................... 29
Ensayo no consolidado-no drenado (UU) ....................................................................... 29
Ensayo consolidado - no drenado (CU) ........................................................................... 30
Ensayo consolidado-drenado (CD) .................................................................................. 31
Ensayo de Corte Residual. ............................................................................................... 32
1.5. CONSOLIDACIÓN ..................................................................................................... 32
1.6. CURVAS TÍPICAS DE ALGUNOS SUELOS EN ENSAYOS DE CORTE DIRECTO
DRENADO. ........................................................................................................................... 35
Curvas en Arenas. ........................................................................................................... 35
Curvas en Arcillas de baja plasticidad (drenada). ........................................................... 43
Curvas en Arcilla de alta plasticidad (drenadas) ............................................................. 46
1.7. TEORÍAS DE FALLA ................................................................................................... 48
Teoría de Rankine o del máximo esfuerzo normal: ........................................................ 49
Teoría de Coulomb (Navier): ........................................................................................... 49
Teoría de Mohr: .............................................................................................................. 50
Teoría de Mohr-Coulomb: .............................................................................................. 50
4
CAPITULO II: NOCIONES BÁSICAS DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO ...................................... 53
2.1. INTRODUCCIÓN AL EQUIPO .................................................................................... 54
2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES ................................................................................ 57
Modo Stand Alone. ......................................................................................................... 58
Modo Red ........................................................................................................................ 58
2.3. INSTALACIÓN. ......................................................................................................... 58
2.4. MENÚ PRINCIPAL .................................................................................................... 60
2.5. TEST RUNNING. ....................................................................................................... 62
Parámetros para el ensayo de Corte directo: ................................................................. 63
Parámetros para el ensayo de corte residual: ................................................................ 64
Recording Mode .............................................................................................................. 65
Comienzo del ensayo. ..................................................................................................... 66
Desmontaje del Soporte Móvil. ...................................................................................... 71
Posicionamiento de los transductores de desplazamiento. ........................................... 74
2.6. GESTIÓN DE LOS BLOQUES DE MEMORIA. ............................................................. 76
Eliminar bloques de memoria ......................................................................................... 76
Descarga de bloques. ...................................................................................................... 77
2.7. OPTIONS (Opciones) ............................................................................................... 77
2.8. CALIBRATION (Calibración) ..................................................................................... 79
Calibración lineal. ............................................................................................................ 80
Calibración Polinominal .................................................................................................. 81
2.9. MANUAL MODE (Modo manual) ............................................................................ 84
2.10. DESCARGA DE DATOS CON HYPER TERMINAL. ................................................... 85
2.11. SYSTEM MENU - MENÚ OCULTO. ....................................................................... 88
CAPITULO III: ENSAYO DE CORTE DIRECTO ............................................................................. 89
Nociones básicas del Ensayo de Corte Directo. .............................................................. 90
3.1. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA. ............................................................................. 91
3.2. Confección de la Probeta: ....................................................................................... 94
Confección de Probetas para Suelos Granulares ............................................................ 94
Confección de Probetas para Suelos Finos ..................................................................... 99
5
3.3. AJUSTES DE LA CAJA DE CORTE ANTES DEL ENSAYO. ........................................... 102
3.4. CONSOLIDACIÓN Y DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE ENSAYO. ................. 103
Determinación de la Velocidad de Corte. ..................................................................... 104
3.5. CORTE DE LA PROBETA ......................................................................................... 106
CAPITULO IV: IMPLEMENTACIÓN DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO .................................... 108
4.1. CALIBRACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES. .............................................................. 109
4.2. CALIBRACIÓN DE LA CELDA DE CARGA. ................................................................ 118
CAPITULO V: ENSAYOS DE CORTE DIRECTO A SUELOS TÍPICOS DE LA CIUDAD DE PUNTA
ARENAS ................................................................................................................................. 126
5.1. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO ARCILLOSO. ........................................ 127
5.2. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO GRANULAR. ........................................ 142
5.3. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN LIMO ARCILLOSO. .......................................... 150
5.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A MAZACOTE (CERECO). ......................................... 160
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 169
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 171
ANEXOS ................................................................................................................................. 172
6
Tabla de Ilustraciones, Gráficos y Ecuaciones.
Ilustración 1: Caja de corte del equipo de Corte Directo ........................................................ 22
Ilustración2: Diagrama de fricción: ......................................................................................... 23
Ilustración3: Diagrama de falla, por esfuerzo cortante en plano de deslizamiento ............... 24
Ecuación 1 ............................................................................................................................... 24
Ecuación 2 ............................................................................................................................... 25
Ecuación 3 ............................................................................................................................... 26
Ecuación 4 ............................................................................................................................... 26
Ilustración4: Gráfico que expresa el corte máximo. ............................................................... 27
Ilustración5: Curva Intrínseca ................................................................................................. 28
Ilustración6: Curvas para suelos Cohesivos Saturados ........................................................... 30
Ecuación 5 ............................................................................................................................... 31
Ecuación 6 ............................................................................................................................... 33
Ilustración7: Proceso de consolidación de un suelo ............................................................... 33
Ilustración8 : Curva de consolidación de un suelo .................................................................. 34
Ilustración9: Curvas de corte drenado sobre muestras granulares de distintas densidades . 37
Ilustración10: Envolventes de rotura en función de la densidad inicial ................................. 40
Tabla 1: Valores referenciales del ángulo de fricción Interno de suelos no cohesivos. ......... 42
Tabla 2: Correlación entre SPT y el ángulo de fricción interno de suelos granulares............. 42
Ilustración11: Curvas de ensayos de corte drenado en arcillas de baja plasticidad ............... 43
Ilustración12: Curva de ensayo de corte drenado en arcillas de alta plasticidad ................. 46
Tabla 3: Valores referenciales del ángulo de fricción interno para arcillas. ........................... 48
Ilustración13: Gráficos de Falla. .............................................................................................. 48
Ilustración14: Curva intrínseca. .............................................................................................. 50
Ilustración15: Diagrama de Esfuerzos principales. ................................................................. 51
Ecuación 7 ............................................................................................................................... 51
Ecuación 8 ............................................................................................................................... 52
Ilustración16: Vista Superior del Equipo de Corte Directo. .................................................... 54
Ilustración17: Vista superior de la Caja de corte .................................................................... 55
Ilustración18: Vista del Panel posterior del Equipo. ............................................................... 59
Ilustración19: Vista del Menú Principal. ................................................................................. 60
Ilustración20: Parámetro para el ensayo de Corte Directo. ................................................... 63
Ilustración21: Parámetros Para el ensayo de Corte Residual. ................................................ 64
Ilustración22: Parámetros para el registro de datos. ............................................................. 66
Ilustración23: Comienzo del Ensayo. ...................................................................................... 67
Ilustración24: Montaje del Marco de carga sobre la placa distribuidora de Carga. ............... 69
Ilustración25: Componentes del equipo utilizados en el desmontaje del soporte móvil. ..... 71
Ilustración26: Desmontaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. ......................... 72
7
Ilustración27: Tornillos Horizontales que aseguran el bloque de carga al equipo. ................ 73
Ilustración28: Montaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. Orificio de fijación. 74
Ilustración29: Transductor de desplazamiento Vertical ya instalado. .................................... 75
Ilustración30: Menú principal ................................................................................................. 76
Ilustración31: La ilustración muestra el submenú de Opciones. ............................................ 77
Ilustración32: Protocolos de comunicación del submenú “text data format output” ........... 78
Ilustración33: Menú de Calibración. ....................................................................................... 80
Ilustración34: Datos de calibración. ........................................................................................ 83
Tabla 4: Configuración para transmisión de datos con Hyper Terminal................................. 86
Ilustración35: Configuración Hyper Terminal. ........................................................................ 87
Tabla 5: Tamaños de las probetas y Valores máximos para el tamaño de las partículas. ...... 93
Ilustración36: Montaje Caja de Corte, paso 1......................................................................... 95
Ilustración37: Montaje Caja de Corte, paso 2......................................................................... 96
Ilustración38: Caja de Corte con la muestra de arena en su interior. .................................... 98
Ilustración39: Colocación de la muestra de suelo fino. ........................................................ 100
Tabla 6: Tiempos de reposo según ASTM D 3080. ................................................................ 101
Ecuación 9 ............................................................................................................................. 104
Ecuación 10 ........................................................................................................................... 104
Ecuación 11 ........................................................................................................................... 105
Ilustración40: Esquema del soporte del Transductor de desplazamiento vertical............... 109
Ilustración41: Posicionamiento del deformímetro en la calibración de los transductores. . 110
Ilustración42: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Horizontal. ............ 111
Tabla 7: Registro Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Horizontal ......... 112
Tabla 8: Registro Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Horizontal ........ 112
Tabla 9:Registro Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Horizontal. ......... 112
Tabla 10: Registro Serie de calibración 4. Transductor de desplazamiento Horizontal. ...... 113
Ecuación 12: Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento horizontal. .............. 113
Ecuación 13: Curva de ajuste para el transductor horizontal, corregida a cero. .................. 114
Ilustración43: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Vertical. ................ 114
Tabla 11: Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Vertical. ......................... 115
Tabla 12: Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Vertical. ......................... 116
Tabla 13:Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Vertical. .......................... 116
Ecuación 14:Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento vertical. .................... 117
Ecuación 15: Curva de ajuste para el transductor vertical, corregida a cero. ...................... 117
Ilustración44: Montaje de la Celda de Carga con los adaptadores. ..................................... 118
Ilustración45: Montaje de la Celda de Carga con el Anillo de Carga CBR. ............................ 119
Ilustración46: Celda de Carga Montada en la prensa CBR.................................................... 120
Ecuación 16: Curva de ajuste del Anillo CBR. ........................................................................ 120
Tabla 14: Serie de calibración 1. Celda de Carga. ................................................................ 121
Tabla 15: Serie de calibración 2. Celda de Carga. ................................................................ 122
8
Tabla 16: Serie de calibración 3. Celda de Carga. ................................................................ 123
Ilustración47: Gráfico de calibración de la Celda de carga. .................................................. 124
Ilustración48: Gráfico de calibración de la Celda de carga, con ajuste a cero...................... 124
Ecuación 17:Curva de ajuste para la celda de carga. ............................................................ 125
Ecuación 18: Curva de ajuste para la celda de carga, corregida a cero. ............................... 125
Ilustración49: Amasado de la probeta de Arcilla. ................................................................. 128
Ilustración50: confección de la probeta con el cortador. ..................................................... 128
Ilustración51: Almacenado e identificación de las probetas. ............................................... 129
Tabla 17: Esfuerzos normales en las probetas de Arcilla. ..................................................... 129
Ilustración52: Curva de Consolidación para Arcillas. ............................................................ 131
Tabla 18: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 27,25 N/cm2. .............. 132
Ilustración53: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 27,25 N/cm2. ................ 133
Ilustración54: Gráfico del Asentamiento a 27,25 N/cm2 para Muestra de Arcilla. .............. 133
Tabla 19: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 22,44 N/cm2. .............. 134
Ilustración55: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 22,44 N/cm2. ................ 135
Ilustración56: Gráfico del Asentamiento a 22,44 N/cm2 para Muestra de Arcilla. .............. 135
Tabla 20: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 13,63 N/cm2. .............. 136
Ilustración57: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 13,63 N/cm2. ................ 137
Ilustración58: Gráfico del Asentamiento a 13,63 N/cm2 para Muestra de Arcilla. .............. 137
Tabla 21: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 6,81 N/cm2. ................ 138
Ilustración59:Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo 6,81 N/cm2. ...................... 139
Ilustración60: Gráfico del Asentamiento a 6,81 N/cm2 para Muestra de Arcilla. ................ 139
Ilustración61: Curva intrínseca Suelo Arcilloso ..................................................................... 140
Ilustración62: Deformaciones verticales de los ensayos del suelo Arcilloso. ....................... 141
Tabla 22: Densidad Relativa para ensayos de Corte Directo en Arenas. .............................. 142
Ilustración 63: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR a la arena ensayada. ................................ 143
Ilustración 64: Gráfico Deformación Vertical vs DLR a la arena ensayada .......................... 144
Tabla 23: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 39,24 N/cm2. .............. 146
Tabla 24:Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 29,43 N/cm2. .............. 146
Tabla 25: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 19,62 N/cm2. .............. 147
Tabla 26: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 9,81 N/cm2. ................ 147
Ilustración 65: Curva Intrínseca para Arena. ......................................................................... 148
Ilustración 66: Ensayo SPT al suelo del Puente Las Minas. ................................................... 149
Ilustración 67: Estratigrafía Calicata Santos Mardones ........................................................ 151
Ilustración 68: Curva de Consolidación para el Mazacote Santos Mardones. ...................... 152
Tabla 27: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 39,24 N/cm2. ........ 154
Tabla 28: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 29,43 N/cm2. ........ 155
Tabla 29: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 19,62 N/cm2. ........ 156
Tabla 30: Registro de Datos del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 9,81 N/cm2. .......... 157
Ilustración69: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote Santos Mardones. ........................ 158
9
Ilustración70: Curva Intrínseca del Mazacote Santos Mardones. ........................................ 159
Ilustración71: Descenso del Mazacote Santos Mardones con respecto al DLR. .................. 160
Ilustración 72: Inserción del tubo de PCV en el suelo. .......................................................... 161
Ilustración 73: Tubo de PVC enterrado completamente en el suelo a extraer. ................... 161
Ilustración 74: Curva de Consolidación del Mazacote CERECO. ........................................... 162
Tabla 31: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 39,24 N/cm2. ...... 164
Tabla 32: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 19,62 N/cm2. ...... 165
Tabla 33: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, a 9,81 N/cm2 ......... 166
Ilustración 75: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote CERECO. ...................................... 167
Ilustración 76: Curva intrínseca del Mazacote CERECO. ....................................................... 168
Ilustración 77: Descenso de las probetas del Mazacote CERECO con respecto al DLR. ....... 168
10
RESUMEN
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo la implementación
de un equipo de corte directo fabricado por la empresa WykehamFarrance,
perteneciente al laboratorio Austro-Umag de la Universidad de Magallanes.
En el desarrollo de éste trabajo investigativo se expone la metodología
de calibración utilizada, así como también los resultados obtenidos durante la
ejecución de la misma.
Fue necesaria la fabricación de algunos elementos para llevar a cabo
esta tarea, que también son detallados en capítulos posteriores.
Además, para comprobar la validez de la calibración y configuración
realizada en el aparato, se realizaron ensayos a suelos típicos de la ciudad
de Punta Arenas, como por ejemplo suelos arcilloso, suelos granulares, y un
suelo muy típico de la zona, de origen fluvioglaciar, denominado mazacote,
entre otros.
Para realizar estos ensayos fue necesario elaborar una metodología
adecuada a las características del equipo, utilizando como referencia la
norma ASTM D 3080. Al finalizar los ensayos se obtuvieron las propiedades
geotécnicas esperadas de estos suelos, tales como el ángulo de fricción
interno, y en los respectivos casos, la cohesión de éstos.
Finalmente, se detallan algunos datos prácticos para la realización del
ensayo, y la hipótesis para convertir el equipo de corte directo en un equipo
para realizar ensayos endométricos.
Como conclusión se puede indicar que los objetivos planteados se
cumplieron a cabalidad, ya que el equipo de corte directo está operativo, y
que fue posible obtener los resultados esperados en los suelos ensayados.
11
ABSTRACT
The present titling work has as objective the implementation of a Direct
Shear machine manufactured by WykehamFarrance enterprise, appertaining
to Austro-Umag laboratory from University of Magallanes.
In the development of this investigative work is exposed the use of
calibration methodology, as well as the results obtained during the execution
of itself.
It was necessary the manufacture of some elements to carry out this
task, that also are detailed in subsequent chapters.
Besides, to check the calibration validity and the settings made in the
device, were performed tests to typical soils of Punta Arenas city, as for
example clayed soils, granular soils, and a very typical soil of the zone, of
fluvial-glacial origin, called stodge, among others.
To perform these studies it was necessary to develop a methodology
suited to the characteristics of the device, using as reference the ASTM D
3080. At the end of tests yielded the expected geotechnical properties of
these soils, such as angle of internal friction, and in the respective cases, the
cohesion of these.
Finally, it is detailed some practical data to the fulfillment of the test,
and the hypothesis to convert the direct shear machine into a machine to do
consolidation tests.
As a conclusion it is possible to indicate that the stayed objectives
were fully achieved, as the direct shear machine is operative, and it was
possible to obtain the expected results in the tested soils.
13
Toda estructura se apoya sobre el suelo y transmite esfuerzos a este,
generando solicitaciones y deformaciones variables dependiendo del tipo de
carga y tipo de suelo. Debido a esto se producen, en el suelo, reacciones
que van desde deformaciones menores (prácticamente despreciables), hasta
fallas con grandes deslizamientos de tierra. Entre ambos casos extremos
también está presente el fenómeno de la consolidación, ya que los esfuerzos
de la estructura expulsan el agua intersticial entre las partículas del suelo.
Cuando existe algún tipo de falla en la relación estructura-suelo, ya
sea por esfuerzos excesivos de la estructura sobre el suelo o por empujes
que genera el suelo sobre la estructura, se producen efectos adversos como
el deslizamiento o volcamiento de ésta,
Para la mayoría de los casos en que se analiza la resistencia al corte
del suelo, es necesario poseer ciertos datos que son propiamente del
material y no de la ubicación o distribución, como lo es su ángulo de
rozamiento, su densidad y eventualmente la cohesión.
Dada importancia que reviste el conocimiento del suelo, por medio de
sus parámetros es que surge la necesidad de implementar el equipo de corte
directo adquirido por el Departamento de Ingeniería en Construcción, para su
aplicación directa a los suelos de la región. El equipo fue adquirido a través
de un proyecto MECESUP, a la empresa Celestron, su origen es Inglés,
modelo 27-WF2521, de la empresa WykehamFarrance, que es la división de
Mecánica de Suelos del Grupo Controls. La no implementación del equipo se
ha debido básicamente a dos motivos:
a) La falta de información acerca de su funcionamiento, y
b) El hecho que el equipo no cuenta con todos sus componentes
necesarios para ser operado.
14
La implementación del equipo pasa por fabricar las piezas faltantes, y
efectuar los ajustes al firmware para que esté en condiciones de ser operado.
Asimismo se requiere desarrollar un documento que sirva como referencia
para su uso, el que será corroborado en la presente tesis mediante la
ejecución de algunos ensayos.
Luego, a medida que se deje en funcionamiento el conjunto de Corte
Directo que dispone el laboratorio Austro-Umag de la Universidad de
Magallanes con su debido manual de funcionamiento y calibración con
ensayos, se dispondrá de una herramienta con la que en la actualidad la
región no cuenta, y que servirá no sólo para la implementación de
asignaturas geotécnicas sino que para servicios que preste el laboratorio de
ésta entidad.
En capítulos posteriores se expondrán conceptos básicos con
respecto a la teoría del ensayo mismo, desde las teorías que dieron origen al
ensayo de corte directo, hasta algunas conclusiones alcanzadas en variados
estudios a través del tiempo.
Es imprescindible el dominio de estos ya que el documento completo
se fundamenta en las teorías planteadas por diversos autores que se
sintetizan en esta introducción.
Comienza describiendo el trabajo de Coulomb con respecto a su
teoría de los planos de falla, y el aporte realizado por Terzaghi a esta teoría
con su concepto de presión de poros o esfuerzos efectivos. Posteriormente
se hace alusión al comportamiento de diferentes suelos en cuanto a
resistencia al esfuerzo cortante, incorporando el concepto de “suelos
expansivos”, y finalmente terminando en las teorías de falla y el principio de
esfuerzos principales.
15
En el segundo y tercer capítulo se profundiza en el equipo de corte
directo y en el ensayo de corte directo en sí. Referente al equipo, se
describen todas sus piezas y funciones, además de los procedimientos
estándares de calibración, y con respeto al ensayo, el capítulo tercero es
básicamente una adaptación de la norma ASTM D 3080.
El capítulo cuarto describe el proceso de implementación del equipo,
así como los métodos de calibración para éste.
Posteriores detalles de la investigación serán expuestos en el capítulo
quinto, desde las tomas de muestras realizadas, hasta los resultados
obtenidos, incluyendo todos los procedimientos realizados. Además se
describen las actividades realizadas para implementar el equipo.
Por último, se presentan las conclusiones obtenidas, además de
algunas interrogantes que surgieron en el desarrollo de este trabajo, y que
posiblemente servirán como antecedentes para trabajos posteriores
relacionados con la materia.
16
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Dejar operativo y de acuerdo a la normativa existente el equipo de corte
directo del Departamento de Ingeniería en Construcción.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Elaborar un manual de uso del equipo de Corte Directo.
Obtener los valores del Ángulo de Fricción Interno (Φ) y la Cohesión (C)
de suelos gruesos y finos de Punta Arenas.
Estudiar las respuestas a cargas cíclicas de algunos de éstos suelos.
Analizar los resultados con proyección a futuras investigaciones sobre el
tema en cuestión.
18
Es necesario para el entendimiento de los resultados de este trabajo
de titulación, el desarrollo previo de diversos tópicos que tienen estrecha
relación con la realización de los objetivos planteados, por lo tanto, se hace
indispensable comprender el concepto del ensayo de corte directo, para qué
se utiliza y cuál es su relevancia dentro de la mecánica de suelos.
La respuesta a la interrogante de la relevancia del ensayo ha sido
destacada por mucho autores, entre ellos Juarez Badillo y Rico Rodriguez
quienes plantean que “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, en efecto, una
valoración correcta de ese concepto constituye un paso previo imprescindible
para intentar, con esperanzas de éxito, cualquier aplicación de la Mecánica
de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras.” (Juárez Baillo & Rico
Rodríguez, 1973). Se deduce que muchos análisis que se realizan en la
actualidad acerca de la estabilidad de las estructuras, se basan
principalmente en la resistencia al corte que poseen los suelos que sustentan
dichas estructuras, ya sean éstas edificios, los estribos de un puente, muros
de contención, estabilidad de taludes verticales, y otros.
Por lo demás, el ensayo de corte directo no es el único método para
determinar la resistencia al corte de un suelo, existen otros métodos como
señala Carlos Crespo Villalaz: “La cohesión de un suelo y su ángulo de
fricción interna, componentes del esfuerzo de corte del mismo, pueden
obtenerse de diferente maneras, y en ellas figuran: a) por medio del aparato
de corte directo ideado por Arthur Casagrande, y b) por la prueba de
compresión Triaxial1. En el caso de las arcillas, la determinación del esfuerzo
1El ensayo Triaxial constituye el método más versátil en el estudio de las propiedades esfuerzo-
deformación. Una muestra cilíndrica de un suelo es sometida a una presión de confinamiento en todas sus caras. A continuación se incrementa el esfuerzo axial hasta que la muestra se rompe. Como no existen esfuerzos tangenciales sobre las caras de la muestra cilíndrica, el esfuerzo axial y la presión de confinamiento, son los esfuerzos principal mayor y principal menor respectivamente. Al incremento de esfuerzo axial, se denomina esfuerzo desviador.
19
de corte de las mismas puede determinarse, además, con la prueba de
compresión axial no confinada o con la prueba de la veleta” (Crepo Villalaz,
2004). En la actualidad, además se cuenta con una correlación del ángulo
de fricción interno del suelo con el número de golpes del SPT2, aún así, esta
relación no es cien por ciento fiable, pero permite conocer el rango en que es
probable que se localice el ángulo de fricción interno del suelos.
1.1. INCIDENCIA DEL SUELO EN LA ESTRUCTURA
Toda estructura tiene que estar inevitablemente apoyada en el suelo,
por lo tanto es de suma importancia estudiar el comportamiento de éste bajo
la estructura ante dicha solicitación. Estas solicitaciones producen
deformaciones en el suelo que se pueden manifestar de tres maneras:
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.
(aunque a veces no hay evacuación de líquido)
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, dentro
del rango de esfuerzo que se utiliza habitualmente. El segundo caso
corresponde al fenómeno de la consolidación. El tercer caso, corresponde a
fallas de tipo catastróficas y para evitarlo se debe hacer un análisis de
estabilidad, requiriéndose para esto, conocer la resistencia al corte de suelo.
El análisis debe asegurar que los esfuerzos de corte solicitantes sean
menores que la resistencia al corte del suelo, con un margen adecuado de
2Ensayo de penetración estándar (SPT). Se realiza durante la ejecución de un sondeo, en el interior del
mismo. Permite calcular el valor N de resistencia a la penetración. Se puede correlacionar con densidades, ángulos de fricción, y asientos. También permite obtener muestras inalteradas para ensayo de laboratorio.
20
modo que la obra siga siendo segura, y sea económicamente factible de
llevar a cabo.
Se deduce que es prácticamente imposible analizar el comportamiento
de la estructura sin analizar también el comportamiento del suelo, por lo
tanto, ambas variables deben ser analizadas en conjunto.
El tema de mayor relevancia en la mecánica de suelos es la
determinación de las propiedades de resistencia al corte del suelo para
soportar el peso de las estructuras, y de alguna manera mitigar los efectos
adversos que se producen al incrementar las cargas sobre estos.
El modo más simple, y por mucho tiempo el más utilizado para este
fin, es la determinación de la resistencia al corte del suelo. Uno de los
primeros ensayos utilizados en investigaciones relativas a la resistencia de
los suelos realizado por Coulomb3(1776) fue el ensayo de corte directo,
tema del presente trabajo de tesis
1.2. RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO
La resistencia al corte de una masa de suelo es la resistencia interna
por unidad de área que la masa de suelo puede oponer, a la falla y al
deslizamiento, a lo largo de algún plano interno. Se debe entender la
resistencia al corte de un suelo para poder analizar problemas de estabilidad
de suelos tales como: capacidad de soporte, estabilidad de taludes y empuje
de tierras sobre estructuras de contención, entre otros.
En los problemas de estabilidad de los suelos tales como: estudio de
cimentaciones, obras de sostenimiento, terraplenes, taludes; además de la
3Charles Coulomb (Angulema, Francia, 1736-París, 1806) Físico francés. Su celebridad se basa sobre
todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb). Además realizó investigaciones sobre las fuerzas de rozamiento, así como también acerca de la elasticidad de los metales y las fibras de seda. La unidad de carga eléctrica del Sistema Internacional lleva el nombre de culombio (simbolizado C) en su honor.(Biografías y Vidas)
21
acción combinada de las fuerzas externas y las fuerzas internas que se
desarrollan en la masa de suelo que crean esfuerzos horizontales capaces
de producir desplazamientos laterales del material, es necesario conocer la
resistencia al corte de los suelos.
Cuando se aplica un sistema de fuerzas a un volumen determinado de
suelo, se desarrollan tensiones de corte, las cuales implican deformaciones
en este. Estas deformaciones son o pueden ser importantes a lo largo de los
llamados “planos de falla” o deslizamiento.
Por lo tanto, se puede definir la resistencia al corte de un suelo como
“la tensión de corte en el plano de falla, en el momento de la falla”.
Uno de los ensayos de laboratorio que se realiza para conocer esta
resistencia del suelo utiliza un aparato de corte directo, en el cual la parte
esencial de este, en su forma más típica, es un recipiente rectangular
dividido horizontalmente en dos mitades que contienen en su interior la
muestra de suelo, a la cual se le aplica una carga vertical de confinamiento y
luego una fuerza tangencial creciente que origina un desplazamiento relativo
entre las dos partes de la caja, produciéndose así el corte de la muestra de
suelo según el mismo plano que divide al recipiente, como se observa en la
Ilustración 1.
22
Ilustración 1: Caja de corte del equipo de Corte Directo4
1.3. TEORIA DE COULOMB - TERZAGHI
Coulomb fue el primero que trató de explicar el origen de la resistencia
al corte de los suelos. En 1776 observó que si el empuje que produce un
suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro,
en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento
esencialmente recto. Basó su teoría en dos conceptos:
Fricción entre partículas: La resistencia al corte del suelo basado en
principios elementales de la física. En la ilustración 2 se observa que la
fuerza F produce un desplazamiento, que es contrarrestado por la Fuerza
μP. La fuerza μP es la representación del roce entre ambas superficies y es
directamente proporcional a la fuerza P, ya que μ es una constante de roce,
diferente para cada superficie.
4 Es la parte esencial del equipo, lo demás componentes serán detallados en el capítulo 2.
23
Ilustración2: Diagrama de fricción:
Los suelos fallan por esfuerzos cortantes a los largo de un planos de
deslizamientos y regidos por el mecanismo de la fricción mencionada
anteriormente, por lo menos en cierto tipo de suelos. En la ilustración 3
generaremos este plano como A-A’, pero a la vez transformaremos las
fuerzas actuantes en esfuerzos al dividirlas por el área sobre la cual actúan,
obteniéndose σ para P y generándose un esfuerzo interno τ producto de la
Fuerza F.
µP
24
Ilustración3: Diagrama de falla, por esfuerzo cortante en plano de deslizamiento
Coulomb postuló que la máxima resistencia al corte, , en el plano de
falla está dada por:
Ecuación 1
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
25
Esta es una relación empírica y basada en los conceptos
anteriormente nombrados, con la inclusión de un término de cohesión c para
incluir la Stiction5 propia del suelo arcilloso.
Esta ecuación no produjo los resultados esperados, ya que el
comportamiento del suelo no concordaba con lo que Coulomb planteaba en
su modelo matemático. Esto se debía principalmente a que los suelos no
están compuestos en un cien por ciento de material sólido, también están
conformados por agua, la cual aporta, en cierto grado, resistencia temporal a
la masa de suelo. Fue Terzaghi6 quien añadió a la fórmula de Coulomb este
concepto, el cual fue llamado “principio de esfuerzos efectivos”, que
matemáticamente se representa mediante la ecuación:
Ecuación 2
Donde u : presión intersticial, o presión de poros
´: esfuerzo efectivo
Se hizo evidente entonces que, dado que el agua no puede soportar
esfuerzos cortantes, la resistencia al corte de un suelo debe ser únicamente
el resultado de la fricción entre las partículas que lo componen, y su
magnitud depende únicamente de la magnitud de los esfuerzos efectivos que
soportan estas. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal
5La traducción literal para esta palabra es “fricción estática”, este término en español es conocido
como cohesión. 6Karl Terzaghi (Praga, 1883-Winchester, 1963) Ingeniero estadounidense de origen austríaco. Fue
profesor en Estambul, Boston y Viena. Establecido en EE UU, ejerció la docencia en Harvard y desarrolló diversas técnicas y aparatos para el tratamiento de los suelos y su adecuación a las obras públicas. Es considerado el creador de la mecánica de los suelos.(Biografías y Vidas)
26
a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte en dicho
plano.
Entonces, si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de
esfuerzos efectivos, se tiene:
Ecuación 3
En la cual los parámetros c´ y ϕ´ son propiedad de la estructura del
suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva,
respectivamente. Esta ecuación es válida para suelos cohesivos. Para suelos
granulares, como no existe cohesión, la ecuación se simplifica a:
Ecuación 4
En vista que la resistencia al corte es netamente producto de los
esfuerzos efectivos que se generan en la masa de suelo, es correcto realizar
los análisis en términos de esfuerzos efectivos, aunque en ciertas
circunstancias es válido analizar los problemas de ingeniería bajo la
perspectiva de esfuerzos totales. Por tanto, la ley de Coulomb posee dos
componentes fácilmente identificables que colaboran a la resistencia al corte
de suelos:
Fricción (tanϕ), que principalmente es el aporte de la trabazón entre
partículas y el roce entre ellas cuando están sometidas a esfuerzos
normales.
27
Cohesión(c), que se debe a fuerzas internas electroquímicas que
mantienen unidas a las partículas en una masa.
Como en la ecuación existen dos cantidades
desconocidas (c’ y ϕ), se requieren por lo menos un par de datos
correspondientes al esfuerzo normal y al corte de falla para resolver el
sistema de ecuación.
Si se grafica la tensión de corte (τ) en función de la deformación
horizontal (δ) en el plano de esta tensión de corte para un suelo denso en
condición drenada, se obtiene el gráfico de la ilustración 4.
Ilustración4: Gráfico que expresa el corte máximo.
De la curva presentada en la ilustración 4, se aprecia un valor máximo
del corte aplicado correspondiente al instante en que las partículas en éste
suelo denso se “sueltan”, por lo tanto disminuye el roce interno entre ellas, y
a su vez disminuye la resistencia al corte de éste suelo hasta alcanzar la falla
con un valor de esfuerzo de corte “τfalla”.
0
6
0 14
τ
δn
Corte Máximo
t falla
28
Los valores de resistencia al corte se suelen obtener realizando como
mínimo un ensayo de tres probetas idénticas de un mismo suelo aplicando
distintas presiones normales, los datos son llevados a un gráfico en función
de la tensión normal ( ). Se obtiene así una recta llamada recta intrínseca,
en la cual el ángulo formado por ésta con el eje de las abscisas es llamado
ángulo (ϕ) (ángulo de fricción interno del suelo) y la ordenada hasta el origen
es el valor C (cohesión del suelo). El gráfico generado es similar al expuesto
en la ilustración 5.
Ilustración5: Curva Intrínseca
El área bajo la curva representa distintas combinaciones de τ y σn en
las cuales el suelo no falla, la curva intrínseca representa la combinaciones
de τ y σn que producen la falla del suelo, y el área sobre ésta recta son los
estados de esfuerzos imposibles de alcanzar ya que el suelo falla antes de
llegar a ellos.
0
6
0 14
τ
σn
Cohesión
Ensayo 3
Ensayo 2
Ensayo 1
Estados Imposibles
Estados no en falla
C
Φ
29
Esta resistencia al corte, medida por medio de este ensayo depende
de la cohesión (c) del suelo y de su fricción interna, donde la cohesión es la
atracción entre las partículas originada por las fuerzas moleculares y las
películas de agua (por lo tanto variará según su humedad) y la fricción
interna es la resistencia al deslizamiento causado por el roce entre la
superficie de contacto de las partículas (depende, por lo tanto, de la
granulometría, forma de las partículas y de la densidad del material).
También dependen esencialmente de la velocidad del ensayo y de la
permeabilidad de los suelos, pues uno de los parámetros determinantes es la
presión intersticial del agua (presión de poros), la cual está ligada
directamente a las condiciones del ensayo.
La desventaja de este ensayo es que cómo se determina el plano de
falla a priori, no es posible conocer los esfuerzos en otros planos, salvo a que
sean ensayados.
1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO
Se definen tres tipos de ensayo en función de si el ensayo es drenado
y si existe consolidación, entendiendo la consolidación como el drenaje de la
muestra hasta que la presión de poros se haya disipado totalmente.
Ensayo no consolidado-no drenado (UU7)
Es un ensayo rápido, en el cual la probeta no sufre ninguna
consolidación del drenaje previo a la tensión normal (σ) del ensayo.
Generalmente, la recta intrínseca del diagrama (τ) vs (σ) es horizontal
(para un suelo cohesivo saturado a igual índice de vacíos), como se observa
en la ilustración 6. Es apto para estudiar la resistencia al corte de suelos en
los que no es posible que exista drenaje, ya sea porque el mismo suelo es
7 UU: siglas en inglés para no drenado – no consolidado.
30
cohesivo, o también en suelos no cohesivos localizados en una estratigrafía
donde no es posible el drenaje (suelo rodeado por arcilla, o suelo bajo cargas
de aplicación rápida como el sismo).
En este ensayo los parámetros resistentes se obtienen en tensiones
totales (Cu, Φu).
Ilustración6: Curvas para suelos Cohesivos Saturados
En el equipo de corte directo del Laboratorio Austro-Umag no es
posible conseguir un ensayo no drenado, ya que al momento de inducir el
corte, la probeta comienza a drenar. Esto se refleja en el descenso vertical
durante el desarrollo del ensayo.
Ensayo consolidado - no drenado (CU8)
En este ensayo la muestra se deja consolidar bajo una carga vertical,
igual a la que será impuesta antes de comenzar a aplicar el esfuerzo
cortante. La tensión de corte es rápida para que no se efectúe drenaje
alguno y para que la presión de poros no pueda disiparse en el transcurso 8(CU) Siglas en Inglés para Consolidado – no drenado.
0
5
0 7
τ
σn
e3
e2
e1
31
del ensayo. Estos ensayos no son posibles en suelos permeables bajo
condiciones normales, además es necesario medir el movimiento vertical
durante la consolidación con el objeto de poder saber con exactitud el
momento en que esta última ha tenido lugar por completo. Éste ensayo no es
posible en el equipo de corte directo la Universidad de Magallanes, ya que la
velocidad máxima de corte no suficiente para producir la condición no
drenada. En este ensayo los parámetros resistentes se obtienen en
tensiones totales (Cu, Φu), y es aplicable a suelos cohesivos.
Ensayo consolidado-drenado (CD9)
Es realizado como el anterior, pero la velocidad de corte es
relativamente lenta para que la presión de poros del agua pueda disiparse y
ser considerada como nula en cada instante (u=0)
Esto es entonces σ=σ’, lo que implica que c y ϕ son también efectivos.
Ecuación 5
Donde: = C efectiva
= ϕ efectivo.
= σ efectivo.
Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial consolidado – drenado.
Para suelos no cohesivos, estos tres ensayos dan el mismo resultado,
esté la muestra saturada o no, y por supuesto, si la tasa de aplicación del
corte no es demasiado rápida. Para materiales cohesivos, los parámetros de
9 (CD) Siglas en Inglés para Consolidado – Drenado.
32
suelos están notoriamente influenciados por el método de ensayo, por el
grado de saturación, y por el hecho que el material esté normalmente
consolidado o sobreconsolidado. Generalmente, se obtienen para suelos
preconsolidados dos conjuntos de parámetros de resistencia: un conjunto
para ensayos hechos con cargas inferiores a la presión de preconsolidación
y un segundo conjunto para cargas normales mayores a la presión de
preconsolidación. Donde se sospeche la presencia de esfuerzos de
preconsolidación en un suelo cohesivo sería aconsejable hacer seis o más
ensayos para garantizar la obtención de los parámetros adecuados de
resistencia al corte.
Ensayo de Corte Residual.
Este ensayo consiste en repetir el corte a una misma probeta para
obtener parámetros residuales de rotura (Cr, Φr). Una vez alcanzada la rotura
con cualquiera de los ensayos antes mencionados, se vuelve a deslizar la
probeta a su posición inicial, y se comienza a aplicar la misma fuerza
horizontal de rotura en varias ocasiones. Un ejemplo de este ensayo puede
observarse en la ilustración 11.c.
1.5. CONSOLIDACIÓN
La consolidación es un fenómeno que ocurre en los suelos arcillosos
que se encuentran saturados y que producto de cargas superficiales o
variaciones en su estado tensional, disminuyen sus vacíos y por lo tanto
expulsan el agua de su interior.
Si tenemos un elemento cualquiera (A) de suelo que se encuentra a
una profundidad Z1 bajo una superficie de terreno en algún momento de su
historia geológica, se conoce el peso específico de esté suelo y las
condiciones del agua intersticial, aplicando algunas propiedades índice, es
33
relativamente fácil calcular la tensión vertical efectiva (σ’v) a dicha
profundidad con la siguiente fórmula.
Ecuación 6
Donde: = densidad saturada del suelo.
= densidad del agua.
= Profundidad.
Si el proceso de sedimentación continúa, el elemento (A) de suelo
cambiará su posición relativa con respecto a la superficie, y por lo tanto
también se modificarán las tensiones verticales efectivas para dicho
elemento. Podemos observar este proceso en la ilustración 7.
Ilustración7: Proceso de consolidación de un suelo (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004).
( )
34
En el instante en que la profundidad del elemento (A) es Z1, éste
tendrá asociado un índice de poros e1. Es posible asociar un índice de poros
en al mismo elemento, pero a diferentes profundidades a medida que se
produce la sedimentación. El aumento de la profundidad da lugar a un
incremento de la tensión vertical efectiva, éste a su vez produce la
compresión del suelo y, por tanto, a una reducción del índice de poros. Al
seguir la sedimentación continuará aumentando la tensión vertical efectiva y
se irá reduciendo aún más el índice de poros. Si se representa esto en un
plano (σ’v,e), se obtiene un gráfico como el de la ilustración 8.
La curva formada por los puntos 1, 2 ,3 y 4 representa la historia
tensional de elemento durante el proceso de sedimentación (carga), y se
denomina curva de compresión noval.
Ilustración8 : Curva de consolidación de un suelo (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004).
Curva de compresión noval.
Rama de descarga
35
Como se observa, la curva disminuye su pendiente a medida que
aumenta la tensión vertical, lo que se traduce en que el suelo es más rígido
(menos deformable) cuanto mayor es su nivel de tensión vertical efectiva.
Si en el proceso de carga se produce una disminución del índice de
poros, al descargar el suelo se produce el efecto contrario, el entumecimiento
o hinchamiento del suelo, producto del aumento del índice de poros. Se
observa además en la ilustración 8, el suelo no regresa por la curva de
comprensión noval al producirse la descarga, si no que sigue un nuevo
camino denominado rama de descarga, conformada por los puntos 4, 3’ y
2’.
De esto se desprenden dos comportamientos del suelo según sea su
estado de carga, ya que un suelo (arcilloso) que ha sido cargado a una
determinada tensión vertical efectiva, mayor a la que ha sido sometido en su
pasado geológico, seguirá la curva de consolidación noval. En estas
condiciones se dice que el suelo está normalmente consolidado, por lo
tanto, la curva de consolidación noval representa los estados normalmente
consolidados.
Si sucede el caso contrario, es decir, si al suelo se le aplica una
tensión vertical efectiva menor a las cargas que ha sido sometido en su
pasado geológico, el suelo seguirá la rama de descarga y se comportará
como preconsolidado, por lo tanto, la rama de descarga representa los
estados preconsolidados de un suelo arcilloso.
1.6. CURVAS TÍPICAS DE ALGUNOS SUELOS EN ENSAYOS DE
CORTE DIRECTO DRENADO.
Curvas en Arenas.
Al realizar un ensayo de corte a suelos granulares, como las arenas, el
comportamiento del suelo dependerá básicamente de la densidad de la
36
muestra, así una muestra que no presenta gran densidad disminuirá su
volumen a causa del reacomodamiento de las partículas de suelo en el plano
de corte a un estado de mayor densidad. Por el contrario, una muestra de
arena que posea gran densidad mostrará un comportamiento inverso al de
las arenas sueltas, ya que en el plano de corte las partículas se posicionarán
unas sobre otras para poder desplazarse, lo que originará un aumento de
volumen en la muestra. El comportamiento que produce un aumento en el
volumen del suelo ensayado es llamado “Dilatancia”.
Supóngase que se ensayan tres muestras de la misma arena en tres
condiciones distintas de densidad. Por simplicidad se supondrá que las tres
muestras se ensayan en condiciones drenadas, de manera que las tensiones
totales y efectivas coincidirán en todo momento. La muestra 1 se encuentra
en un estado muy flojo, con un índice de poros (e1) elevado. La muestra 2
constituida por la misma arena, es algo más densa que la anterior, de forma
que tiene menos volumen de huecos y su índice de poros (e2) es menor que
el de la muestra 1. La última muestra 3, es muy densa, con menor volumen
de huecos que las dos anteriores y por tanto con menor índice de poros (e3)
de las tres. A continuación se montan las tres muestras en los respectivos
aparatos de corte directo, se les aplica la misma tensión efectiva normal y,
finalmente, se las somete a corte de la forma descrita anteriormente. En la
ilustración 9 se representan cualitativamente los resultados de estos
ensayos.
37
Ilustración9: Curvas de corte drenado sobre muestras granulares de distintas densidades (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004).
La ilustración 9.a muestra las curvas de tensión tangencial movilizada-
desplazamiento horizontal. La ilustración 9.b representa la relación
desplazamiento horizontal-cambio de volumen. La ilustración 9.c muestra la
relación índice de poros- desplazamiento, y la ilustración 9.d muestra el
recorrido tensional sufrido en un plano (σ’,τ).
Muestra de baja densidad (1):
La tensión tangencial movilizada aumenta con el desplazamiento
horizontal (δ) hasta alcanzar un valor máximo (τ’f). a partir de ese
instante se mantiene constante aunque el desplazamiento horizontal
prosiga.
38
Desde el inicio del ensayo se observa un asiento del plato distribuidor de
carga, es decir la muestra reduce su volumen al ser sometida a tensiones
constantes. Se llega a una cierta magnitud del desplazamiento horizontal
a partir del cual no se observan cambios apreciables de volumen.
Muestra de densidad media (2):
Como en la muestra (1), la tensión tangencial movilizada aumenta con el
desplazamiento horizontal (δ). En este caso la pendiente de la curva (τ,δ)
es mayor, además se alcanza una tensión tangencial máxima
(resistencia “peak” = τf2) claramente superior a (τf1). Estas observaciones
indican que la muestra (2), más densa que la (1), resulta también más
rígida y resistente. Sin embargo, si prosigue el desplazamiento
horizontal, la tensión tangencial movilizada decrece hasta que termina
por converger con (τf1).
Al principio del ensayo se producen asientos del plato distribuidor de
carga, o lo que es lo mismo, la muestra disminuye de volumen (contrae).
Sin embargo, llegado a un punto pueden comenzar a producirse
levantamientos o aumentos de volumen (dilatación). Finalmente y como
en el caso anterior, con suficiente desplazamiento se alcanza un estado
a partir del cual no se observan cambios apreciables de volumen.
La ilustración 9.c reproduce en términos de índice de poros los cambios
de volumen descritos en el párrafo anterior, pero además muestra un
aspecto interesante de comportamiento cualitativo de los suelos
granulares. Así, en el estado descrito en que dejan de producirse
cambios apreciables de volumen y convergen las tensiones tangenciales
de las muestras (1) y (2), también convergen los índices de poros de
ambas.
39
Muestra de densidad elevada (3)
Este último ensayo muestra una mayor pendiente de la curva (τ,δ), así
como la máxima tensión tangencial movilizada. De hecho, se puede
observar una resistencia peak (τf3) a las máximas tensiones tangenciales
alcanzadas en los otros dos ensayos. En definitiva, la muestra más
densa revela un comportamiento más rígido, y resulta sustancialmente
más resistente. En cualquier caso, como los ensayos realizados sobre
muestras menos densas, con suficiente desplazamiento horizontal la
tensión tangencial movilizada decrece hasta que termina por converger
con (τf1).
Al principio del ensayo pueden producirse pequeños descensos del plato
distribuidor de carga, quizá debido a reajustes en el aparato de corte,
pero rápidamente comienzan a registrarse ascensos netos de la misma.
Este comportamiento indica que la muestra densa resulta claramente
dilatante, tendiendo a aumentar de volumen cuando se la somete a corte.
Como en los casos anteriores, con suficiente desplazamiento se alcanza
un estado a partir del cual cesan los cambios apreciables de volumen.
También la muestra densa tiende a converger hacia un único índice de
poros y llegar a ese estado en el que mayores desplazamientos no
producen más cambios de volumen ni modificaciones en la tensión
tangencial que se mantiene aproximadamente igual a (τf1).
Esto tres ensayos de corte podrían repetirse en muestras idénticas a
las anteriores pero sometidas a tensiones efectivas normales mayores. La
ilustración 10 representa esquemáticamente las tres envolventes de rotura
resultantes, mostrando como el ángulo de rozamiento (peak) depende
directamente de la densidad inicial del suelo.
40
Ilustración10: Envolventes de rotura en función de la densidad inicial (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004).
41
Aunque la compacidad es un factor primario indiscutible, la mayor o
menor resistencia de un suelo granular depende también de algunos otros
factores, entre los que cabe destacar la forma de las partículas, la
distribución granulométrica y el tamaño de los granos. En los tres casos
citados la influencia sobre la resistencia es sencilla e intuitiva. Así, en lo que
respecta a la forma resulta evidente que será más sencillo hacer deslizar o
rodar entre sí partículas redondeadas que granos angulosos o irregulares, de
manera que un suelo constituido por estos últimos mostrará mayor
resistencia al corte. Con relación a la granulometría, en un suelo uniforme la
mayoría de las partículas son de tamaño similar, de forma que el tamaño del
hueco máximo entre partículas depende directamente del tamaño de éstas.
Un suelo bien graduado, sin embargo, posee partículas de muchos tamaños
distintitos, con lo que los granos medianos pueden ocupar los poros de las
partículas más gruesas, las partículas más finas los huecos entre las
medianas, y así de forma sucesiva. Lógicamente ésta mejor posibilidad de
estibación da lugar a que en un suelo bien graduado se puede alcanza una
estructura más densa y más resistente que en un suelo uniforme.
Finalmente, resultará más difícil hacer deslizar y rodar entre si partículas de
gran tamaño que partículas pequeñas.
42
A continuación se presenta una tabla con valores referenciales para
diferentes suelos no cohesivos.
Suelo Φ’ suelto Φ’ Denso
Limo 27º - 30º 30º - 36º
Arena limosa 27º - 33º 30º - 35º
Arena uniforme 28º 34º
Suelo redondeado uniforme 30º 37º
Suelo redondeado bien graduado 34º 40º
Arena bien graduada 33º 45º
Grava arenosa 35º 50º
Suelo anguloso uniforme 35º 43º
Suelo anguloso bien graduado 39º 45º
Tabla 1: Valores referenciales del ángulo de fricción Interno de suelos no cohesivos.
Como se ha visto, la relación entre la densidad o compacidad inicial de
un determinado suelo granular y su resistencia es muy acusada. Tanto es así
que en la práctica habitual se dispone de correlaciones aproximadas entre
dicha compacidad, determinada a través de ensayos in situ como el SPT, y el
ángulo de fricción interno, tal y como se muestra en la tabla 2.
N(SPT) Compacidad ϕ’ (º)
0-4 Muy floja 28º
4-10 Floja 28º-30º
10-30 Medianamente densa 30º-36º
30-50 Densa 36º-41º
>50 Muy densa >41º
Tabla 2: Correlación entre SPT y el ángulo de fricción interno de suelos granulares.
43
Curvas en Arcillas de baja plasticidad (drenada).
En la ilustración 11.a se ha representado el proceso de consolidación
unidimensional de una arcilla de baja plasticidad, reconstituida de en
laboratorio a partir de una suspensión acuosa. Como fue descrito en la
sección de consolidación de éste capítulo, los puntos (1), (2), y (3)
corresponden a estados normalmente consolidados, mientras que los puntos
(4) y (5) corresponderían a estados sobreconsolidados bajo una presión de
preconsolidación igual a la del estado (3).
Ilustración11: Curvas de ensayos de corte drenado sobre muestras arcillosas de baja plasticidad. (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004)
e
44
Una vez alcanzado cada uno de los 5 estados anteriores (finalizada la
consolidación de cada uno de ellos), se somete al suelo a sendos ensayos
de corte directo drenados. En la ilustración 11.b se representan los recorridos
tensionales (,) correspondientes. Para mayor claridad, en esta última
ilustración tan sólo se han representado las curvas de los ensayos sobre las
muestras (2), (3), y (4). Finalmente, se supondrá que se dispone de un
comparador vertical que permite determinar los cambios de volumen durante
el corte. De los resultados obtenidos se pueden deducir las siguientes pautas
de comportamiento.
Muestras normalmente consolidadas (1, 2, y 3)
La tensión tangencial movilizada aumenta con el desplazamiento
horizontal () hasta alcanzar un valor máximo (MÁX) “peak”. Dicho “peak” es
apenas perceptible, ya que desciende de forma muy rápida hasta un valor
(NC MÁX) que se mantiene constante aunque el desplazamiento horizontal
prosiga. Si se realiza un ciclo de descarga recarga se alcanzarían
aproximadamente los mismos niveles de tensión tangencial previos.
La envolvente de rotura queda definida por un ángulo de rozamiento
interno ’NC y una cohesión efectiva nula (c’=0)10.
El suelo tiende a reducir su volumen (es contractante) durante el corte,
si bien, como en el caso de la tensión tangencial, también se llega a una
cierta magnitud del desplazamiento horizontal a partir del cual no se
observan cambios apreciables de volumen.
10
En definitiva, en ausencia de efectos complementarios derivados de la creación de enlaces, envejecimiento, cementaciones, etc., una arcilla normalmente consolidada de baja plasticidad no tiene cohesión.
45
Muestras sobreconsolidadas( 4 y 5):
Las pendientes de las curvas (, ) son mayores que en las muestras
normalmente consolidadas, y movilizan su máxima tensión tangencial con
menores deformaciones que éstas, es decir, son más rígidas.
Las tensiones tangenciales máximas alcanzadas son netamente
superiores a las del suelo normalmente consolidado ensayado bajo las
mismas tensiones normales iniciales. De hecho, los recorridos de tensiones
en el plano (’,) superan claramente la línea de resistencia intrínseca de los
estados normalmente consolidados y alcanzan una resistencia “de pico” por
encima de la envolvente definida por c’=0, ’NC.
Con suficiente deformación, se alcanza un estado en el que pueden
proseguir las deformaciones sin cambios en la tensión tangencial o en el
volumen del suelo.
46
Curvas en Arcilla de alta plasticidad (drenadas)
La ilustración 12 muestra el mismo procedimiento de ensayo de la
ilustración 11, pero en esta ocasión aplicado a una arcilla de alta plasticidad
(o de elevado contenido de mineral de arcilla).
Ilustración12: Curva de ensayo de corte drenado sobre muestras arcillosas de alta plasticidad (Gonzalez de Vallejo, Ferrer, Ortuño, & Otero, 2004).
Como puede apreciarse, al comparar ambas ilustraciones (11 y 12), la
diferencia principal entre ambas arcillas deriva de su comportamiento tras
alcanzar la tensión tangencial máxima. Así, en el caso de los suelos de alto
contenido en arcilla, la resistencia movilizada puede disminuir de forma muy
47
marcada a medida que se acumulan las deformaciones, llegando a
desarrollar una envolvente de resistencia netamente por debajo de la
proporcionada por c’=0, ’NC . Esta resistencia se denomina residual, que
viene definida por los parámetros de resistencia residual c’r=0, ’r<’NC .
El mecanismo que explica la disminución de resistencia hasta
condiciones residuales proviene de la forma laminada de las partículas que
constituyen los minerales de arcilla. Así, a medida que aumenta el nivel de
deformaciones de corte, las partículas se reorientan progresivamente,
terminando por disponerse en paralelo, disposición mas débil que la
original. La reorientación de partículas se concentra habitualmente en una
banda de delgado espesor, en donde se desencadena la rotura.
Evidentemente, la posibilidad de reducción de resistencia en los
suelos de alta plasticidad puede conllevar a situaciones de gran relevancia
en las obras, por ejemplo cuando éstas hayan de ejecutarse en laderas
previamente deslizadas en las que el nivel de deformaciones ya sufrido por el
material haya podido llevarlo a condiciones próximas residuales.
Para estudiar en laboratorio la resistencia residual se puede emplear
el aparato de corte directo. Para alcanzar el nivel de deformaciones
requerido el procedimiento consiste en efectuar varios recorridos completos
de la caja, llevándola atrás una vez llegado el máximo desplazamiento
horizontal permitido por el sistema y repitiendo el ensayo las veces
necesarias.
A continuación se presentan algunos valores referenciales del ángulo
de fricción para arcillas según la consistencia de éstas, y su plasticidad. Es
importante destacar que estos valores pueden variar dependiendo de la
granulometría del material (presencia de material grueso).
48
TIPO DE ARCILLA Φ’
Baja Plasticidad 24º - 32º
Plasticidad Media 20º - 30º
Alta Plasticidad 17º - 27º
SEGÚN LA CONSISTENCIA
Semidura 25º
Blanda 17º
Tabla 3: Valores referenciales del ángulo de fricción interno para arcillas según su plasticidad y consistencia.
1.7. TEORÍAS DE FALLA
En esta sección se expondrán diversos criterios bajo los cuales se
aceptará que la muestra de suelo ha fallado. Aún no existe una definición
general del concepto de falla, debido a que ésta depende de dos parámetros:
Principio del comportamiento inelástico.
Rotura del material.
Si la resistencia del material está expresada en términos del esfuerzo
cortante máximo que resiste el material, podemos llegar a lo siguiente:
Ilustración13: Gráficos de Falla.
0
8
0 25
τ
δ
A
B
49
Se puede definir la resistencia máxima al corte, cuando se presenta
una falla frágil. Caso A.
No se puede definir fácilmente una resistencia al corte máxima cuando
se presenta un comportamiento de falla plástica. Caso B.
Teoría de la deformación unitaria máxima (Saint-Venant):
Se basa en criterios cinemáticos. Define que la falla ocurre cuando se
alcanza la máxima deformación unitaria que experimenta el material en
compresión o flexión, es decir, cuando el material ensayado se rompe o
fractura.
Experimentos demostraron que en un material sujeto a
deformaciones principales iguales en sus tres dimensiones (aplicando alta
presión hidrostática), no hay rotura aunque las deformaciones en los tres
planos sean muy grandes.
Teoría de Rankine o del máximo esfuerzo normal:
La falla ocurre cuando hay rotura o flujo plástico y es determinada por
el esfuerzo principal mayor. Los mismos experimentos anteriores
desarrollados la hacen ver como inadecuada.
Teoría de Coulomb (Navier):
Esta teoría define la falla cuando un esfuerzo cortante en un plano
alcanza un valor límite máximo. Se acepta que dicho valor límite está en
función del esfuerzo normal que actúa en ese plano y que existe una ley de
variación entre ambos esfuerzos.
50
Teoría de Mohr:
La falla por deslizamiento ocurre a lo largo de una superficie particular
en la que la relación del esfuerzo tangencial al normal (oblicuidad) alcance
un cierto valor máximo. Este valor máximo es una función del acomodo y
forma de las partículas y del coeficiente de fricción entre ellas. No fija la
hipótesis de variación lineal entre el esfuerzo tangencial y normal para definir
la oblicuidad de la superficie critica; dicha ley de variación queda
representada en general por una curva intrínseca (Ilustración 14).
Ilustración14: Curva intrínseca.
Teoría de Mohr-Coulomb:
Es la teoría más usada en la actualidad. Se atribuye la falla al esfuerzo
cortante y se acepta que éste depende del esfuerzo normal actuante en el
plano de falla, se acepta que la relación entre ambos esfuerzos no es
constante.
0
6
0 14
τ
σn
τ =c + tanϕ
51
Ilustración15: Diagrama de Esfuerzos principales.
En principio, los resultados del ensayo de corte directo aportan
solamente un punto (F) del círculo de Mohr de rotura, aquel en que el círculo
es tangente a la envolvente de falla y que representa el estado tensional en
rotura de un plano prefijado: el plano horizontal en la ilustración 15. Sin
embargo, si se traza por el punto (F) una recta perpendicular a dicha
envolvente, es posible localizar el centro (C) del círculo de Mohr, quedando
así determinado el radio (r) del mismo:
Ecuación 7
Además, trazando por (F) una recta horizontal (paralela al plano de
falla) que corta al círculo de radio (r) (círculo de Mohr de rotura), se localiza el
polo (P).
A partir de esta construcción, es posible calcular las magnitudes
de las tensiones principales mayor y menor, σ’1 y σ’3, respectivamente:
0
4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
τ
σn
F
r
τ
σ'3 σ'2 σ'1
Plano principal menor
Φ'
Φ'
Plano principal mayor
Plano de falla Envolvente de falla
P
C
52
Ecuación 8
Las orientaciones de los planos principales mayor y menor, en
los cuales las tensiones tangenciales son nulas, se determinan uniendo el
polo P con los puntos de coordenadas (σ1, 0) y (σ3, 0), respectivamente.
Como el esfuerzo cortante () y el esfuerzo normal (σn) tienen el
mismo significado dado en la construcción del círculo de Mohr, en lugar de
resolver una serie de ecuaciones simultáneas para (c) y para (tgϕ), es
posible dibujar en un plano de ejes coordenados los valores de() contra(σn)
para los diferentes ensayos (generalmente con () como ordenada), dibujar
una línea a través del lugar geométrico de los puntos, y establecer la
pendiente de la línea como el ángulo y la intersección con el eje () como la
cohesión(c), que es la metodología que se empleó en este capítulo para
simplificar el entendimiento del concepto de corte en un cuerpo sometido a
diferentes esfuerzos ortogonales.
( )
54
2.1. INTRODUCCIÓN AL EQUIPO
En el desarrollo de éste capítulo se desarrollan variados conceptos
relacionados con las diferentes piezas que componen el equipo de corte
directo AutoShear Machine 27-WF2521,así como también las distintas
funciones que este posee y la forma correcta de emplearlas.
El equipo cuenta con diferentes componentes. A continuación se
describen únicamente los básicos, el resto de los componentes se detallarán
a medida que se desarrolle éste capítulo.
Ilustración16: Vista Superior del Equipo de Corte Directo, (1)Monitor, (2) Panel de Control, (3) Celda de carga.
1 - Panel de Control: El equipo cuenta con un panel de control
constituido por 10 teclas: 4 teclas designadas como F2, F2, F3, y F4, cuyas
funciones varían de acuerdo a lo que muestra la pantalla, 4 teclas de
2 1
3
55
navegación que posicionan el cursor en la ubicación deseada, y 2 teclas con
funciones específicas similares a las de cualquier ordenador, ENT y ESC.
2 - Monitor: Dentro del mismo panel también existe un monitor que al
encender el equipo muestra un menú inicial, desde el cual es posible acceder
a otros submenús y modos de ensayos.
3 - Celda de carga: es la unidad encargada de medir la carga
horizontal aplicada durante el ensayo de corte.
Ilustración17: Vista superior del (5)Soporte de la Caja de corte, (4) Soporte del Transductor Horizontal, Marco de Carga (6), Motor paso a paso (7).
4 - Soporte Transductor Horizontal: Este dispositivo se acopla a
soporte universal, el cual a su vez se acopla mediante un tornillo Alen de
2mm al transductor.
6
4
5
7
56
5 - Soporte de la caja de corte: este recipiente alberga la caja de corte
durante el ensayo, tiene como función principal contener el agua al realizar
ensayos con muestras saturadas. En la mayoría de los dispositivos de corte,
este soporte no es móvil, ya que la mitad de la caja de corte que se mueve
es la mitad superior, pero en el equipo del Laboratorio Austro-Umag sucede
lo contrario, es este soporte que se mueve con la mitad inferior de la caja de
corte, mientras la caja superior se mantiene inmóvil.
6 - Marco de Carga: este dispositivo transmite la carga que producen
las palancas en la parte inferior del equipo mediante pesos muertos (masas),
hacia el plato distribuidor de carga que se ubica en la parte superior de la
caja de corte.
7 - Motor paso a paso: Es el encargado de aplicar la carga horizontal a
la caja de corte, con objeto de hacer que la muestra falle por desplazamiento
durante el ensayo.
También conforman el equipo algunos objetos desmontables y otros,
que se describen a continuación.
Transductor de desplazamiento vertical, junto con dos tornillos de
diferentes tamaños para la sujeción, y una llave Alen. Mide las
deformaciones verticales de la muestra durante el ensayo.
Transductor de desplazamiento horizontal, junto con dos tornillos de
diferentes tamaños para la sujeción en el soporte universal, y una
llave Alen. Mide las deformaciones horizontales de la muestra durante
el ensayo.
Dos Cajas de corte de bronce, cuyas dimensiones son 100 mm x100
mm, y 60 mm x 60 mm respectivamente, un adaptador de color negro
para la caja de corte más pequeña, dos platos de soporte, dos platos
distribuidores de carga y un par de tornillos de alineación.
57
Dos pisones cuadrados para compactar las muestras (100 mm x 100
mm y 60 mm x60 mm)
Dos Cortadores: para dar las dimensiones a las muestras del mismo
tamaño que la sección interna de las cajas de corte.
Placas Ranuradas (8 en total): cuatro porosas y cuatro lisas (un par
para cada caja de corte de cada una), Rejillas porosas metálicas: (4
en total) un par de cada tamaño para cada caja de corte.
2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES
Principio Operativo: El Equipo “AutoShear Machine 27-WF2521” está
diseñado para realizar ensayos de corte directo y residual automáticamente.
Para el ensayo de corte directo se deben preestablecer dos
parámetros antes de comenzar, estos son: la velocidad del ensayo ( ) y el
desplazamiento horizontal estimado en la falla ( )11. El quipo realizará el
ensayo a la velocidad preestablecida hasta lograr el desplazamiento
especificado.
Para el ensayo de corte residual, es posible preestablecer hasta 9
ciclos de desplazamiento horizontal. Cada ciclo se puntualiza por el
movimiento horizontal, hacia delante y atrás de la caja de corte, en los cuales
el desplazamiento horizontal es el mismo en ambas direcciones, sin embargo
es posible que la velocidad difiera. El equipo automáticamente realizará la
cantidad de ciclos preestablecidos (desde 1 hasta 9) a las velocidades
seleccionadas, invirtiendo la dirección del movimiento al alcanzar el
desplazamiento máximo preestablecido para cada ciclo.
El equipo AutoShear Machine 27-WF2521puede operar bajo dos
configuraciones diferentes:
11
Ambos parámetros serán estudiados con mayor profundidad durante el desarrollo del capítulo 4.
58
Modo Stand Alone.
El sistema de control de microprocesador permite al equipo funcionar
de manera automática: las mediciones de prueba (la fuerza y
desplazamientos) se muestra directamente en pantalla y se almacenan en la
memoria de acuerdo con modos predefinidos de grabación. El uso de la PC
es sólo temporal para descargar los datos de prueba a través del puerto
serial RS232, una vez concluida la prueba, o durante el transcurso de la
misma.
Se pueden seleccionar diferentes protocolos de comunicación para la
descarga de datos:
En formato ASCII, para su uso con Windows HyperTerminal.
Formato CONTROLS, para su uso con 82-Q0800/TRM.
Formato de GEOLAB2000, para su uso con 30-T0601/IMP, el cual es
un software diseñado para convertir los datos de los ensayos a un
formato compatible con el software Geolab2000.
Modo Red
El funcionamiento en modo red es utilizado para controlar varios
ensayos a la vez mediante un sólo PC. Para esto es necesario es software
Geolab2000 y otros accesorios físicos que no están disponibles en el
laboratorio Austro-Umag, por lo tanto no se profundizará en este tema.
2.3. INSTALACIÓN.
La maquina debe ser instalada en un sector del laboratorio que sea
adecuada para equipos electrónicos avanzados tanto en la ventilación,
humedad y temperatura (se recomienda contar con un sistema de aire
acondicionado).
59
Se debe montar el sistema de aplicación de carga vertical (marco de
carga y el brazo de palanca), dejándolo correctamente ensamblado y
equilibrado de forma que los pesos puedan ser colocados correctamente.
Posteriormente se deben conectar los cables en el panel posterior de
la consola según indica la ilustración 1812
Ilustración18: Vista del Panel posterior del Equipo.
Fuente de poder.
Conector de la Celda de carga al puerto 1.
Conector del transductor de desplazamiento horizontal en puerto 2.
Conector del transductor de desplazamiento vertical en puerto 3.
12
Este es el sistema estándar de conexión, existen otras configuraciones de conexión (se requiere accesorio especial) en caso que se desee conectar más de un equipo, o conectar los sensores directamente al PC.
Celda de Carga
Transductor Vertical
Transductor Horizontal
Puerto RS 232
60
Cable serie a la RS 232.
Se debe tener especial cuidado de acoplar cada conector en su
respectivo puerto, ya que el equipo sólo acepta sensores de carga en el
puerto indicado para tal fin. No se deben conectar los anillos de carga en los
puertos de los transductores electrónicos de desplazamiento.
Una vez realizada todas las conexiones se debe proceder a conectar
el equipo a la red eléctrica, verificando que el interruptor del costado derecho
del equipo se encuentre abierto. Una vez encendido el quipo se debe
presionar la tecla F1 para regresar la unidad a la posición inicial (HOME).
2.4. MENÚ PRINCIPAL
Cuando la máquina está encendida, el menú principal muestra la
siguiente captura en el monitor: (Ilustración 19).
Ilustración19: Vista del Menú Principal.
Los cuatro iconos que aparecen en la derecha están relacionados con
las cuatro teclas del teclado (F1), (F2) (F3) y (F4) y tienen un uso diferente
con los distintos menús del firmware.
61
En la página del menú principal de los cuatro iconos indican lo
siguiente:
(F1) = posición inicial. Para devolver el pistón horizontal
de nuevoal punto cero (posición inicial). Una vez que la posición cero es
alcanzada, el motor se detiene automáticamente.13
(F2) = flecha arriba. Para mover el cursor una posición
hacia arriba.
(F3) = flecha. Para mover el cursor una posición hacia
abajo.
(F4) = ENTER. Para aceptar la última orden dada, o
confirmar la selección. (F4) La misma función también se
activa pulsando la tecla "ENT".
La parte inferior de la pantalla muestra:
Versión de firmware.
Fecha / hora.
Nivel de carga de la batería de respaldo.
Cuando la batería está completamente cargada la unidad mantendrá
los datos registrados, incluso si la unidad está apagada durante
aproximadamente un año. Cada vez que la máquina se encienda, la batería
se recargará.
13
La tecla (F1) está generalmente asociado a la función ESCAPE (Cancelar): es decir, no aceptar el último comando de entrada o para volver a la pantalla anterior. El mismo comando se puede activar pulsando ESC.
62
Si la máquina no se utiliza durante algún tiempo, el indicador mostrará
que la batería de respaldo no está totalmente cargada, después de unos
minutos es posible observar que el nivel de carga irá en aumento. El tiempo
necesario para cargar completamente la batería (de una condición totalmente
descargada) es de aproximadamente 12 horas. Cuando la máquina se
instala por primera vez, se recomienda dejarla encendida por varias horas a
fin de cargar completamente la batería, incluso si no se lleva a cabo ningún
ensayo.
Selecciones del menú principal:
Test running: Para seleccionar los ajustes de la prueba del tipo: directa
o residual.
DeleteBlocks:Para operar en los bloques de los datos registrados.
Options:Para seleccionar la configuración del equipo: la hora / fecha,
idioma, modo de descarga de datos.
Calibration: Para controlar o calibrar los transductores en unidades
físicas.
Manual mode:Para controlar manualmente y operar la máquina.
Presionar (F2) / (F3) para desplazar hacia arriba o abajo el cursor a la
selección deseada y pulsar ENT (F4).
2.5. TEST RUNNING.
La pantalla propondrá seleccionar el tipo de prueba a realizar:
DirectShear (Corte Directo).
Residual Shear (Corte Residual/cíclico)
63
Parámetros para el ensayo de Corte directo (fig. 20):
Forward speed (velocidad de avance) desde 0,00001 hasta 11,0000
mm/min
Displacementlimit (límite de desplazamiento) desde 0 hasta19 mm,
compatible con el desplazamiento del transductor horizontal.
Forcelimit (kN)(Fuerza límite) generalmente la escala total del
transductor de fuerza.
Time limit (plazo límite) desde 1 hasta 9999 min en la etapa de corte.
Utilice las flechas, las teclas (F2), (F3) para seleccionar e ENTER o
(F4) para confirmar.
Ilustración20: Parámetro para el ensayo de Corte Directo.
Es necesario confirmar las modificaciones efectuadas antes de salir
del menú. Si no, se mantendrán las opciones anteriores.
64
Parámetros para el ensayo de corte residual: (fig. 21)
Number of cycles (número de ciclos) cada uno incluye el avance y
retroceso (hasta 9)
Test speed in mm/min (velocidad del ensayo en mm/min) (avance y
retroceso que pueden diferir la una de la otra dependiendo de las
condiciones en las que se desea investigar.
Displacement limit( desplazamiento límite) (desde 0 hasta 19 mm,
compatible con el desplazamiento del transductor horizontal)
Force limit(fuerza límite) generalmente la escala total de la fuerza del
transductor. (kN)
Time limit(tiempo límite) (desde 1 hasta 99999 min) duración del
ensayo completo.
Usar el cursor, las teclas (F2), (F3) para seleccionar y ENT o (F4) para
confirmar.
Ilustración21: Parámetros Para el ensayo de Corte Residual.
65
Recording Mode (Modo de grabación)
Esta opción está relacionada con el registro de datos durante la
realización de los ensayos, los datos adquiridos son almacenados en
bloques de memoria del sistema”'Automax”, los cuales se mantienen
almacenados hasta que el operador los elimine. Los datos pueden ser
transferidos posteriormente al PC.
Se pueden establecer 3 tipos de modos de grabación:
Lineal
Polynomial ( )
Exponential ( ) ( )
donde:
dT: Intervalo de tiempo en minutos (es decir, una lectura por cada
intervalo de tiempo)
(i): Número de lecturas, partiendo desde el inicio del ensayo (por
ejemplo: 1, 2, 3… mientras el ensayo se esté ejecutando)
T(i): Tiempo de grabación expresado en minutos, en función de (i)
Están disponibles otros 3 modos de grabación, en función algunos
eventos tales como:
Fuerza (N)
Desplazamiento Horizontal (mm)
Desplazamiento Vertical (mm)
Durante el ensayo, cuando la fuerza (o el desplazamiento vertical u
horizontal) sobrepasa un valor preestablecido, se registra una nueva fila de
66
datos14. También es posible combinar 2 modos diferentes (como por ejemplo
“lineal” + “fuerza”).
Ilustración22: Parámetros para el registro de datos.
De la primera fila (MODE)se deben presionar las teclas (flechas) para
seleccionar el modo de grabación y pulsar ENT para confirmar la selección.
Para definir el intervalo de tiempo que definirá la frecuencia grabación
del modo seleccionado, se deben presionar las teclas de funciones (F)
ajustar los dígitos. Las teclas en este modo funcionan de la misma manera
que en el menú principal, y en el caso de la imagen precedente los dígitos
son (1.00)15.
Comienzo del ensayo.
Cuando todos los parámetros se han establecido, acceda al menú
“Start Test”. En general, esta página muestra la situación de la última
prueba realizada:
14
El concepto de fila se refiere a una secuencia de datos en forma horizontal almacenado en un bloque de memoria. 15
En la prueba de corte residual, el modo de grabación debe ser ajustado para cada ciclo.
67
Ilustración23: Comienzo del Ensayo.
La pantalla muestra la siguiente información:
Fecha.
Hora.
Velocidad del Ensayo.
Tipo de ensayo (Corte directo o residual).
Número de ciclos (Sólo para corte residual).
Modo de Grabación.
Estado del ensayo (ejecutándose, completo o en pausa).
Lecturas actuales de los transductores en unidades físicas.
Número del bloque de memoria actualmente en uso.
Comando para borrar (hacer cero) la lectura del canal
correspondiente
Comando para pausar el ensayo.
Comando para crear un nuevo bloque de memoria para guardar los
datos.
68
Comando para descargar el actual bloque de memoria al PC
Comando para descargar todos los bloques de memoria al PC.
Comando para salir del menú.
Comando para volver al inicio (“Home”). Así se inicia el motor con
el fin de devolver el pistón de empuje a su posición inicial. Este
comando se usa habitualmente al final de cada ensayo para dejar
el equipo preparado para el siguiente ensayo.
Antes de insertar la caja de corte con la muestra, pulse la tecla “Home”
para volver a la posición inicial. Se debe preparar el equipo para el ensayo,
colocar la caja de corte con la muestra y los accesorios16.
Se debe insertar el tornillo del marco de carga en la posición
adecuada sobre el conjunto de la caja de corte (Ilustración 24), acomodando
la posición de la palanca al ajustar el tornillo del marco (situado en el centro
de la viga transversal de éste. Es importante tener en cuenta que si se desea
consolidar la probeta por saturación, el tornillo de nivelación inferior debe
estar sosteniendo el peso de la palanca, de manera que la probeta no reciba
carga a través del tornillo del marco, pero al comenzar la consolidación por
carga, es necesario hacer descender éste tornillo, ya que al aplicar la carga,
el volumen de la probeta disminuirá, haciendo descender el tornillo del marco
junto con la palanca, y si el tornillo nivelador de la palanca no se encuentra lo
suficientemente alejado de ésta, quedará apoyada sobre el tornillo,
transmitiéndose la carga a través del tornillo y no a través de la muestra.
16
La preparación de la muestra se detalla en el capítulo 4.
69
Ilustración24: A – Montaje del Marco de carga (8) sobre la placa distribuidora de Carga. Tornillo del Marco de carga (9), Burbuja de Nivelación (10), Tornillo de Nivelación Inferior (11), Palanca
(12).
El siguiente paso es posicionar los transductores de desplazamiento
(completamente extendido el horizontal, y la mitad del recorrido el vertical). El
transductor de desplazamiento horizontal está ensamblado en un bloque de
montaje universal de color negro, y es fácilmente diferenciable del
transductor de desplazamiento vertical, ya que a diferencia de este último,
posee un vástago de dimensiones notablemente superiores. Al desplazar
manualmente los vástagos se deben observar variaciones en el monitor del
equipo. 17
El transductor de Fuerza debe ser tarado en cero después de ser
posicionado correctamente y ser asegurado al conjunto de la caja de corte,
respetando que la lectura de la fuerza sea siempre muy cercana a cero. Si es
necesario no sobrecargar el transductor y la caja de corte, se puede girar la
perilla de ajuste en el lado derecho del transductor de fuerza, para mantener
la cercanía de la lectura de fuerza a cero.
Antes de comenzar la prueba de corte se debe verificar:
Que los tornillos de alineación vertical han sido removidos.
17
En la sección 3.7.4 se profundizará el modo correcto de montar los transductores.
10
8
9
12
11
70
Que los transductores han sido fijados en cero: (el de fuerza horizontal
y, los de desplazamientos).
Para comenzar el ensayo se debe pulsar la tecla ENT, la pantalla
mostrará continuamente en tiempo real las lecturas de la fuerza horizontal,
vertical y el desplazamiento horizontal, además de otra información relativa a
las condiciones de prueba:
Número de ciclo (para el corte residual).
Bloque de memoria en uso.
Para detener/pausar la prueba, simplemente se debe pulsar la tecla de
comando adecuado, y para continuar con el ensayo hay que presionar la
misma tecla con la que se pausó.
Cuando el ensayo está en marcha, siempre es posible:
Descargar los datos de prueba del bloque actual al PC.
Crear un nuevo bloque para los datos posteriores, sin detener el
ensayo actual. (recordar que la capacidad de memoria máxima es de
5000 líneas de lecturas).
La prueba de corte se detendrá automáticamente cuando se cumpla
una de las siguientes condiciones:
Se han completado los ciclos preestablecidos.
La máquina ha alcanzado uno de los límites preestablecidos (fuerza,
el desplazamiento o el tiempo).
El interruptor de seguridad de desplazamiento máximo detiene el
ensayo.
El operador presiona ESC.
71
Cuando se haya completado la prueba, se debe liberar la tensión
horizontal haciendo girar la perilla de ajuste en el lado derecho del
transductor de fuerza, luego quitar el yugo de carga vertical y conjunto de la
caja de corte con la muestra.
Antes de comenzar con una prueba nueva, presionar HOME para
volver el pistón a su posición inicial.
Desmontaje del Soporte Móvil.
Al final de cada ensayo el soporte móvil (F), donde se encuentra el
conjunto de la caja de corte, regresa automáticamente a su posición inicial.
Si es necesario, para la limpieza o mantenimiento o para engrasar los
rodamientosubicados por debajo, el soporte móvil puede ser extraído
fácilmente. Para hacerlo realizar lo siguiente:
Ilustración25: Componentes del equipo de corte directo utilizados en el desmontaje del soporte móvil.
Tornillos Horizontales B Bloque de Carga E
Soporte Móvil F Tornillo Vertical A Tuercas Moleteadas D
72
En primer lugar se debe utilizar un recipiente plástico para extraer y
contener el agua del interior del soporte móvil.
Se debe desenroscar el tornillo vertical moleteado (A) para extraer el
bloque de montaje del transductor de desplazamiento horizontal. El
conjunto del bloque de montaje y el transductor puede ser ubicado en
la parte superior del sistema de bloqueo de la celda de carga
(Ilustración 26).
Posteriormente se procede a desenroscar las tuercas (D) para
remover la célula de carga.18
Ilustración26: Desmontaje del Transductor de desplazamiento Horizontal.
18
No es necesario removerla por completo, basta con desenroscar la tuerca cercana al bloque de carga para poder extraer el Soporte Móvil.
Bloque de Carga E
Sistema de Bloqueo de la celda de Carga
73
A continuación se deben ajustar el par de tornillos horizontales (B)
para liberar la placa vertical adosada al soporte móvil, en el extremo
cercano al bloque de carga.
Si es necesario, también es posible desajustar los dos tornillos
horizontales (C) (Ilustración 27) situados cerca de la base del bloque
de carga (E), (que permite a la fuerza horizontal ser transmitida desde
la célula de carga hasta el conjunto de la caja de corte), y extraerlo.
Ilustración27: Tornillos Horizontales que aseguran el bloque de carga al equipo.
Finalmente es posible extraer el soporte móvil (F).
Tornillos Horizontales A
74
Posicionamiento de los transductores de desplazamiento.
Los transductores de desplazamiento utilizados en el equipo de corte
directo son montados sobre un bloque de montaje universal, y se fijan en las
piezas de soporte pertinente del equipo para la medición del desplazamiento
vertical y horizontal (fig. 28).
Ilustración28: Montaje del Transductor de desplazamiento Horizontal. Orificio de fijación.
Para asegurar el cuerpo del transductor, se debe ajustar el tornillo
ubicado en el orificio de fijación (G) (Ilustración 28) con una llave Allen de 2
mm., sin forzar, para no dañar el cuerpo del transductor.
El transductor para el desplazamiento vertical de 10 mm. de rango,
tiene un recorrido de unos 14 mm. Para obtener una medición correcta se
requiere ampliar el rango al menos 4 mm. desde la posición de máxima
compresión. En teoría el transductor vertical debiese ser instalado desde la
posición de máxima compresión, ya que al aplicar la carga vertical la altura
de la probeta debiese disminuir provocando la descompresión del vástago de
Orificio de Fijación G
75
transductor, pero se debe considerar que es posible que el suelo a ser
ensayado sea un suelo expansivo, lo que provocaría que el transductor
siguiese comprimiéndose, hecho que sería imposible si el transductor fue
instalado en su posición de compresión máxima.
Ilustración29: Transductor de desplazamiento Vertical ya instalado.
Soporte Transductor
Vertical
Transductor Vertical
76
2.6. GESTIÓN DE LOS BLOQUES DE MEMORIA.
Ilustración30: Menú principal, el cursor muestra el submenú con las opciones disponibles para la gestión de los bloques de memoria.
Eliminar bloques de memoria
El número de bloques de memoria, (donde los datos de cada paso de
los ensayos son registrados y almacenados), se incrementa
automáticamente cuando se inicia una nueva etapa.
El límite de este procedimiento automático es el número máximo de
líneas que se pueden almacenar (5000 líneas). Por lo tanto, cuando sea
necesario, es posible restablecer los bloques de memoria y eliminar todos los
datos almacenados. Para esto, desde Menú principal (Fig.30), es necesario
ejecutar el comando "Delete Blocks"(eliminar bloques). El equipo pedirá la
confirmación para esta acción, mostrándose en pantalla la advertencia
“Confirm?" (¿Confirmar?). Para confirmar de debe pulsar la tecla ENT, o ESC
para abortar. Si se confirma la orden, la pantalla mostrará: "Are you really
77
sure?"(¿Está realmente seguro?). Pulse nuevamente ENT para continuar o
ESC para cancelar19.
Descarga de bloques.
Los datos registrados en un ensayo se almacenan en un solo bloque,
para descargar estos datos al P.C. sólo se tiene que seleccionar el bloque
correspondiente y seguir las instrucciones para la descarga de datos20.
2.7. OPTIONS (Opciones)
El menú de opciones activa las siguientes opciones:
Language (Idioma).
Clock setting (Ajuste del reloj).
Text Data Format Menu - Formato de transmisión de la descarga de
datos a través del puerto RS 232 de serie.
Ilustración31: La ilustración muestra el submenú de Opciones.
19
Una vez eliminados todos los datos grabados, no pueden ser recuperados. 20
Este tema se profundiza en las secciones 3.9.
78
Language Set Up (Selección de idioma): Utilice las teclas de flecha
vertical (arriba y abajo) para hacer la selección entre Inglés e Italiano.
Pulse ENT para confirmar.
Clock Set Up (Ajuste del reloj): utilice las teclas de flecha vertical
(arriba y abajo) para hacer la selección. Pulse ENT para pasar de un
campo a otro y ESC al final de la entrada para volver al menú anterior.
Text Data Format Menú (Menú de formato para la transmisión de
datos): para descarga a través del puerto serie RS 232.Se muestra el
siguiente submenú al seleccionar esta opción:
Ilustración32: Muestra las opciones de protocolos de comunicación, dentro del submenú “text data format output”
Hay tres opciones disponibles:
Real Time Data Output: (descarga de datos en tiempo real) los datos
son descargados cuando la prueba está en marcha.
D - Terminal Output: (Descarga D-Terminal) los datos son
descargados en formato ASCII.
Geolab2000 Output (Descarga Geolab 2000): formato compatible con
el software Geolab 2000 (se requiere el software 30-T601/IMP).
79
La unidad de Automax del equipo de corte directo está equipada con
un puerto serial RS232 para conexión a PC. El segundo puerto no se
encuentra activo, por lo tanto, debe ser ignorado.
Para los modos "Real Time " y "D Terminal”, los datos se descargan
en formato ASCII durante el transcurso de la prueba o cuando ya haya
finalizado. En ambos casos los datos se almacenan en bloques de memoria
diferentes y se mantiene hasta que se ejecuta el comando DELETE
BLOCKS.
En el modo “D Terminal", cuando la prueba está en curso, es
necesario pulsar la tecla de transmisión de datos en la unidad para comenzar
a transmitir.
En el modo "Real Time ", cuando la prueba está en curso y el PC está
conectado, los datos son descargados de forma automática, de acuerdo con
el modo de grabación predeterminado. Si el P.C. está temporalmente
desconectado, los datos se descargarán cuando vuelva a conectarse.
2.8. CALIBRATION (Calibración)
El menú de calibración permite calibrar cada uno de los canales a fin
de reducir cualquier error con respecto a una lectura de referencia. Es
posible, para cada canal, para hacer una calibración lineal (con un factor de
calibración individual) o una calibración polinominal (con varios factores que
el firmware calcula automáticamente)21.
21
Este menú posee funciones avanzadas y sólo se debe ingresar a él cuando el equipo requiera ser calibrado.
80
Ilustración33: Menú de Calibración.
Se debe seleccionar el canal a ser calibrado y el tipo de calibración a
realizar. A continuación se describen los tipos de calibraciones.
Calibración lineal.
El menú de calibración lineal muestra los canales activos y sus
factores de calibración. El factor de calibración multiplica la señal digital del
transductor (la fuerza o de desplazamiento) para mostrar las lecturas en
unidades físicas. Para una determinada aplicación de fuerza o
desplazamiento, las lecturas se incrementarán con el factor de calibración, y
viceversa.
Antes de iniciar el control de calibración, debe ser posible observar
que, mientras se aplica una fuerza o de desplazamiento, las mediciones del
transductor que se muestran están cambiando. También debe observarse
que la lectura mínima de cada transductor (que corresponde a la posición de
reposo) es un número positivo (> 0). Esto depende del ajuste a cero del
hardware (ajustado en la fábrica y no accesible por el operador).
81
Para calibrar realizar lo siguiente:
Seleccione el canal a calibrar. Pulse ENTER para pasar de un canal a
otro, el cursor se posiciona en el factor de calibración del canal
seleccionado. La calibración sólo tendrá efecto en el canal
seleccionado.
Pulse (F3) para ponerlo en cero.
Aplicar para el transductor de fuerza (o desplazamiento), medidas
exactas, con la adecuada referencia del instrumento calibrado y
comparar las lecturas en la pantalla y en el instrumento de referencia.
Calcular el error como la diferencia entre las dos lecturas, expresado
como porcentaje se refiere a la lectura de referencia. Si el error está
fuera de los límites previstos (generalmente 1%), es necesario ajustar
el factor de calibración.
Utilice las teclas de flecha verticales para aumentar o disminuir los
dígitos.
Utilice las teclas de flecha horizontal para pasar de un dígito a otro.
Una vez cambiado el factor, pulse ENTER para que el nuevo factor de
calibración afecte de inmediato la lectura visualizada.
Continúe de esta manera hasta que el error se reduce dentro de los
límites requeridos. Se recomienda un valor de aprox. 50% de la escala
total sea utilizado para este tipo de calibración.
A continuación vuelva a cero y repita el procedimiento hasta que la
calibración esté dentro de los límites admisibles.
Calibración Polinominal
El menú de calibración polinominal permite la calibración automática
de los canales activos (fuerza / desplazamiento) para reducir los errores a lo
largo de toda la gama de medición, especialmente en el rango por debajo del
10% de la escala completa. Es necesario realizar 6 pares de lecturas (una
82
del transductor a calibrar y otra desde el instrumento de referencia). La
unidad de Automax procesará los datos para calcular la curva de calibración
(ecuación polinoiminal hasta de 5to grado).
Antes de acceder al menú de calibración, guarde los valores digitales
que se muestra en el "Unactive Calibration Mode", utilizando un instrumento
de referencia.
Las lecturas digitales generalmente se registran en el rango entre 10%
y el 100% de la escala completa.
Para lograr una alta precisión en el primer rango, hacer lecturas
debajo de 10% pero no menos del 1%.
Los datos registrados (es decir, los datos digitales que aparecen en la
pantalla y los datos correspondientes en la unidad física del instrumento de
referencia, se utilizará en el procedimiento de regresión polinómica. Por lo
tanto, se recomienda registrar el valor real (es decir, del instrumento de
referencia) y el valor correspondiente mostrado. Es necesario obtener seis
pares de lecturas para realizar la calibración.
Antes del siguiente paso, le recomendamos hacer una evaluación
sencilla sobre la linealidad del sistema y el mejor rango en que debe ser
realizada calibración. La pantalla ofrece la posibilidad de realizar la
calibración del polinomio en varios puntos (hasta 6) que luego se procesan
automáticamente a fin de compensar la no linealidad del sistema.
Si el transductor es lineal y la gama actual de medición es entre 10-
20% y el 100% de la escala, la calibración de polinomio no es necesaria. Se
debe realizar la calibración lineal como el procedimiento estándar.
83
Si se requiere la mejor precisión (error inferior al 1% a lo largo de toda
la gama), se recomiendan los siguientes seis puntos: 0%, 1%, 3%, 5%, 10%,
50-70%.
Entre al menú de regresión polinómica seleccionando el canal
adecuado.
Ilustración34: Datos de calibración.
La pantalla mostrará los valores correspondientes a la última
calibración (si la máquina ha sido previamente calibrada en el modo de
polinomio). De lo contrario serán mostrados los valores por defecto.
La primera columna de la izquierda: Las mediciones del instrumento
de referencia en unidades físicas.
Segunda columna: Valores digitales correspondientes a los del equipo.
Tercera columna. Factor de calibración calculado por la unidad de
Automax.
El procedimiento consiste en insertar los datos en pares (puntos)
previamente grabados, a partir de los sensores.
84
En cada caso introducir: En la primera columna la medición de
referencia expresada en unidades físicas. En la segunda columna los
correspondientes datos mostrados por Automax.
El primer par de datos deben ser forzados a cero (ambos valores). De
lo contrario, la calibración puede ser distorsionada por un ajuste a cero.
Utilice las teclas verticales para ingresar los valores, y la tecla ENT
para ir a la siguiente casilla.
Cuando un valor se ha confirmado con la tecla ENT, no puede ser
modificado. Por lo tanto, se debe tener cuidado de no introducir valores
incorrectos.
Al completar toda la tabla introduciendo los seis pares de lecturas,
presione ESC para volver a la pantalla anterior.
Para comprobar la calibración de nuevo, entrar en el modo manual,
seleccionar "Calibration Active" y comparare las lecturas mostradas con las
mediciones del instrumento de referencia.
2.9. MANUAL MODE (Modo manual)
El "modo manual" es un procedimiento que se utiliza normalmente a lo
largo de la calibración. En este menú es posible comprar las lecturas de los
distintos sensores teniendo en cuenta los factores de calibración generados,
y también cuando no están condicionadas por ningún factor de calibración.
Al acceder a este menú, la pantalla muestra dos opciones:
Active Calibration (Calibración Activa): las lecturas de la fuerza y el
desplazamiento se muestran en unidades físicas, ya teniendo en cuenta los
factores de calibración guardados desde el menú de calibración.
85
Unactive Calibration (calibración no activa): las lecturas no están
condicionados por ninguna calibración y pueden ser utilizadas como
referencias para la calibración automática polinomial.
Pulse ENTER para poner simultáneamente en cero las lecturas de los
tres canales.
Pulsar UP y DOWN para mover el pistón horizontal hacia delante o
hacia atrás respectivamente. La tasa de desplazamiento será de unos
3mm/min.
El motor paso a paso se detendrá automáticamente cuando se
alcance el recorrido completo en ambas direcciones. Cuando el pistón
alcanza el recorrido máximo, el motor sólo puede ser activado para mover el
pistón en la dirección opuesta.
Con el motor detenido, presione la tecla ESC para salir de este menú.
2.10. DESCARGA DE DATOS CON HYPER TERMINAL22.
Hyper Terminal es un software de Microsoft incluido en las versiones
anteriores a Windows XP inclusive, aunque también puede ser instalado en
el PC para versiones posteriores de dicho sistema operativo.
Para iniciar Hyper Terminal desde Windows XP se deben seguir las
siguientes instrucciones:
Desde Windows, haga clic en Inicio, Todos los Programas, Accesorios
y, finalmente, COMUNICACIONES.
Haga clic en Hyper Terminal.
Si se le solicita, no seleccione la instalación de un módem.
22
HyperTerminal es un software de comunicaciones utilizado para conectarse desde un pc a otros equipos a través de módems, serie RS-232 conexiones, o telnet.
86
Dé un nombre a la conexión (por ejemplo, CORTE).
Para la solicitud de "conectar a..." elegir entre COM1, COM2 ... COMX
(donde X es el puerto serie utilizado en el PC) y posteriormente
confirmar.
Se debe establecer la configuración de la comunicación de datos del
Puerto según muestra la siguiente tabla:
Modo de
Transmisión Real Time D Terminal Geolab 2000
Bits por
segundo 38400 38400 9600
Bits de datos 8 8 8
Bits de parada 1 1 1
Paridad Ninguna Ninguna Ninguna
Tabla 4: Configuración para transmisión de datos con Hyper Terminal
Una vez que esto se ha confirmado la ventana de configuración
desaparecerá.
Para insertar el icono de Hyper Terminal.
Seguir el procedimiento indicado por Windows para crear un acceso
directo a la nueva conexión "CORTE".
Cómo transmitir datos:
Acceda a la conexión "CORTE DIRECTO" el icono, y desde el menú
principal de Hyper Terminal acceder a los iconos de la barra de herramientas:
DESCONECTAR: para detener la transmisión de datos.
LLAMAR: para abrir de nuevo la transmisión de datos.
87
Ilustración35: Configuración Hyper Terminal.
Ahora, una página en blanco de Hyper Terminal se mostrará. El PC
está preparado para recibir datos a través del puerto serie seleccionado. Los
datos recibidos se muestran pero no son guardados, por lo tanto, para
almacenar los datos recibidos en un archivo la función “Capturar texto…”
debe activarse. Para ello, seleccione la opción “Transferir” y luego la
“Capturar texto…”.Ahora seleccione la carpeta y el nombre de archivo (.txt)
en la que los datos se almacenarán. Haga clic en Iniciar para comenzar la
captura de los datos transmitidos. A partir de este momento todos los datos
recibidos del puerto serie se guardará en el archivo seleccionado.
Para terminar el proceso, simplemente haga clic en “Transferir”, luego
en “Capturar texto…” y luego salga de la aplicación.
Cuando Hyper Terminal está cerrado, aparecerá un mensaje
solicitando guardar la sesión de trabajo actual, si se guarda, para la próxima
ejecución basta con recordar la conexión a través de la denominación que le
ha sido dada (por ejemplo, AUTOSHEAR).
88
2.11. SYSTEM MENU - MENÚ OCULTO.
El software Automax tiene un menú oculto que permite el acceso a las
funciones descritas a continuación. Estas funciones sólo son necesarias en
casos extraordinarios, por ejemplo, al cambiar el tipo de sensores, o en los
fallos del sistema del equipo:
Introducir las escalas: para establecer las escalas de los tres canales.
El correcto ajuste permite el mejor uso de la resolución. No cambie la
configuración de fábrica.
Ingreso del número de serie: ingresado de fábrica y no debe ser
cambiado, excepto en el caso de restablecimiento general de la máquina.
Restauración total del sistema: Esta operación elimina toda la
información guardada: la calibración, el número de canales activos y su
escala, la selección de idioma, unidades de medida, etc, no use esta función,
salvo que esté autorizado por el servicio técnico.
Para acceder a este menú debe mantener presionada la tecla UP al
encender el equipo.
¿Cómo continuar un ensayo después de un corte de energía?
Si una falla de energía se produce cuando un ensayo (directo o
residual) está en curso, es posible reiniciar la prueba exactamente de la
posición en la que fue interrumpido. La unidad de control electrónico puede
almacenar en forma instantánea la posición exacta del pistón y calcular el
desplazamiento necesario para completar la prueba, según el
desplazamiento preestablecido. La configuración inicial de los transductores
es también almacenada. Así que, cuando regrese la energía después de un
corte, la prueba continúa automáticamente.
90
Nociones básicas del Ensayo de Corte Directo.
Durante el desarrollo de este capítulo se expondrá la metodología
básica para realizar un ensayo de corte directo, aunque cada ensayo debe
ser adecuado a las condiciones que representen de mejor manera el
escenario bajo el cual se desean investigar determinadas propiedades.
Al hablar del ensayo propiamente tal, nos referimos únicamente a la
etapa de corte, pero este capítulo señala además algunas recomendaciones
para la toma de muestras, el almacenaje y el traslado. Además, señala cómo
confeccionar las probetas previas al ensayo. Cabe señalar que el ensayo
posee varias etapas, pero principalmente se divide en dos, la de
consolidación y la de corte. La de consolidación es sumamente relevante ya
que de ésta se desprenden algunos parámetros que definirán las
características del ensayo de corte, tales como la velocidad del ensayo y su
duración. También se describirán algunos procedimientos empíricos para la
realización de otras actividades, tales como la selección de la caja de corte y
las placas a utilizar, que son tareas que no tienen una metodología única de
realización, y su ejecución responde más a una decisión práctica mas que
teórica.
Como es mencionado en la introducción, este capítulo es una
adaptación de la norma ASTM D 3080, que señala cómo realizar un ensayo
de corte directo bajo una condición drenada y consolidada de la probeta,
pero además se presenta un procedimiento alternativo para realizar ensayos
no drenados y no consolidados.
A grandes rasgos, el ensayo de corte directo es utilizado para obtener
el valor de la resistencia al corte del suelo ensayado y es aplicable a todo
tipo de suelos, teniendo limitaciones, únicamente en las dimensiones de la
caja de corte del equipo que se emplee.
91
Lo cual consiste esencialmente en:
Toma de muestra y confección de la Probeta
Colocación de la probeta de ensayo en el equipo de corte directo, ya
sea en condición húmeda o drenada, o ambas.
Consolidación de la probeta bajo una tensión normal (en el caso que
el ensayo requiera consolidación).
Corte de la probeta; se desbloquean los armazones que contiene la
probeta y la parte inferior de la caja de corte se desplaza
horizontalmente (con la mitad inferior de la muestra de suelo en su
interior) con respecto a la parte superior de la caja de corte.
Mediciones; se toman mediciones del desplazamiento y la fuerza
aplicada a la probeta en intervalos regulares durante el transcurso del
ensayo.
3.1. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA.
Tamaño de la muestra:
El procedimiento para preparar depende de las condiciones en qué se
desea realizar el ensayo, y al tipo de suelo que se desea ensayar.
Para generar una recta, geométricamente sólo se requieren las
coordenadas de dos puntos, pero para el caso de la recta de falla de un
determinado tipo de suelo tres ensayos. Mientras mayor se la cantidad de
puntos, indudablemente mayor será la representatividad de la recta en el
comportamiento de ese tipo de suelo. Por lo tanto, se debe tener en cuenta
que para realizar los cálculos necesarios con el fin de obtener la recta de
falla del suelo, y por consiguiente la cohesión y el ángulo de fricción interno,
92
es necesario realizar por lo menos dos ensayos, aunque es recomendable23
realizar por lo menos un mínimo de tres ensayos.
Es necesario entonces contar con la cantidad necesaria de material
para realizar los ensayos estimados requeridos. La norma no establece
valores mínimos para realizar éste ensayo, sólo señala que se debe contar
material suficiente para conformar como mínimo 3 probetas. Como
referencia, suele ser suficiente un kilogramo de material para realizar
ensayos con la caja de corte más pequeña, y dos kilogramos de material
para realizar ensayos de corte con la caja de mayor tamaño. Esto es válido
sólo para probetas remoldeadas, ya que para probetas inalteradas la
cantidad de material dependerá de la cantidad de muestras que se extraigan.
Debido a las dimensiones de la caja de corte del equipo, el ensayo se
debiese limitar a partículas con un diámetro máximo del tamaño de la
partícula menor a 10mm (en caso que se utilice la caja de corte de ancho
10cm) y un diámetro máximo del tamaño de la partícula menor a 5mm (en
caso de utilizar la caja de corte de 6cm de ancho)24, pero el tamaño de las
partículas también está condicionado por el espesor de la probeta, el cual
debe ser mayor a seis veces el diámetro máximo de la partícula, y a su vez
siendo inicialmente de 12 mm como mínimo, además la relación con el ancho
de la probeta (ancho : espesor) debe ser de 2:1 como mínimo.
Lo anterior es posible simplificarlo si se toma en cuenta que los
moldes cortadores que se utilizan para trabajar las muestras generan
probetas de 2,5 cm de espesor, entonces, las dimensiones volumétricas de
las probetas quedan definidas a partir de esto, y por lo tanto sólo resta
23
La ASTM 3080 recomienda que se debe tener suficiente material como para preparar tres probetas (como mínimo) de características similares. 24
La NCh 3085 norma las dimensiones de la caja de corte en referencia al tamaño máximo de las partículas, estableciendo que como mínimo esta debe tener 50mm de ancho y debe ser mayor a 10 veces al diámetro máximo del tamaño de la partícula.
93
determinar el tamaño máximo del material para ser ensayado en cada caja
de corte.
Lo anteriormente señalado se resume en la siguiente tabla:
Caja Corte Espesor de la probeta. Tamaño máximo de
partículas
100 mm X 100 mm 25 mm Bajo Tamiz 10 mm
60 mm X 60 mm 25 mm Bajo Tamiz 5 mm25
Tabla 5: Tamaños de las probetas y Valores máximos para el tamaño de las partículas.
Estos valores son referenciales y cualquier diferencia con las
dimensiones de la probeta, indudablemente implican una mala confección de
ésta. Con respecto al tamaño máximo de las partículas, podrá notarse que
éste es inferior a lo señalado por la norma ASTM D 3080, pero éstas
dimensiones obedecen más al sentido práctico del ensayo que a lo señalado
en el texto, ya que realizar un ensayo a material sobre la malla Nº4 podría
arrojar resultados poco representativos. Aún así, la norma permite utilizar
tamaños de partículas mayores.
25
En estricto rigor puede utilizarse material hasta los 6mm.
94
3.2. Confección de la Probeta:
Para realizar el ensayo se requieren probetas en conformidad a las
dimensiones estipuladas en los párrafos anteriores, pero el ensayo se puede
realizar tanto a probetas inalteradas, como a probetas remoldeadas, que a su
vez pueden ser también compactadas o no.
En el caso de probetas inalteradas, se deben tomar todas las
precauciones necesarias para mantener las condiciones naturales de ésta,
incluyendo no sólo las precauciones en los procedimientos de muestreo, sino
también en el transporte, conservación y manipulación al momento de la
confección de la probeta.
Dependiendo la caja de corte a utilizar, se debe escoger el cortador de
probetas del tamaño adecuado (ancho de 60 mm o 100 mm).Se debe tener
en cuenta que mientras se ensaya una probeta, las restantes no deben ni
adquirir ni perder humedad, por lo tanto se deben tomar las precauciones
pertinentes, como por ejemplo: envolver el suelo en plástico para evitar que
pierda humedad, o en el caso que de sondajes, mantener el suelo dentro de
los tubos de acero; dejar el material en cámaras húmedas a temperatura
similar a la natural, etc.
Para el caso en que las probetas se confeccionen en laboratorio, el
procedimiento dependerá del tipo de suelo que se desea ensayar.
Confección de Probetas para Suelos Granulares
La confección de este tipo de probetas abarca, por restricciones del
equipo, únicamente a arenas. Antes de iniciar este procedimiento se debe
conocer el peso neto de la caja de corte sin el material de ensayo.
El primer paso es ensamblar los componentes de la caja de corte en el
siguiente orden:
95
a) Se debe colocar el plato de soporte dentro de la mitad inferior de la
caja de corte, sobre este la rejilla porosa metálica, y la placa de ranurada26,
teniendo en consideración que as placas ranuradas deben quedar orientadas
con las ranuras en su parte superior y en dirección perpendicular al
desplazamiento del corte.
Ilustración36: Montaje Caja de Corte, paso 1
b) El segundo paso consiste en fijar la parte superior de la caja de corte,
con la parte inferior de la caja de corte montada, la cual debe ser asegurada
con los tornillos de alineación.
26
El tipo de placa ranurada dependerá del tipo de ensayo a realizar, se debe utilizar la placa ranurada lisa para ensayos no drenados, y la placa ranurada porosa para ensayos drenados.
Placa Ranurada
Rejilla Porosa
Plato de Soporte
Mitad inferior de la
caja de corte.
96
Ilustración37: Montaje Caja de Corte, paso 2.
Es en este punto donde se debe pesar la caja de corte vacía y
registrar el peso.
c) El siguiente paso es la colocación de la muestra dentro de la caja de
corte, pero este procedimiento variará dependiendo de las condiciones que
se desean investigar, es decir, si deseamos investigar aspectos como:
Arena Seca Suelta: se debe dejar caer el material desde una altura
convenientemente adecuada a fin de colocar las partículas de arena de tal
manera que produzcan una densidad mínima. Se puede tomar como
referencia el procedimiento indicado en la Nch 1116 Of. 7727.
Arena Seca Densa: en este caso el material debe ser compactado o
vibrado para lograr la mayor densidad posible. Se puede utilizar la Nch 116
27
La Nch 1116 of 77 señala que se debe llenar el recipiente dejando caer la arena desde una altura de 5cm aproximadamente, llenando el molde con movimientos circulares.
Tornillos de Alineación
Mitad superior de la
caja de corte.
Mitad inferior de la caja de corte
97
of. 77 como referencia28, aunque si se utiliza este procedimiento, se debe
tener especial cuidado de no dejar el área de unión de un par de estas capas
en el plano de corte de la caja. También es posible aplicar un método
vibratorio alternativo, con algunas modificaciones, como el indicado en la Nch
1532 of.80 para la determinación de la densidad relativa.
Arena con % de humedad: para ensayar una muestra con algún
grado de humedad específico, en primer lugar se debe secar la arena, y
luego agregar la cantidad de agua necesaria para lograr el grado de
humedad requerido, se debe considerar el tiempo de espera para que la
muestra absorba el agua agregada, aunque para suelos granulares la espera
es frecuentemente nula. Por lo general ésta muestra debe ser compactada
utilizando la misma metodología que una arena seca densa, pero puede
haber variaciones en este proceso a fin de emular la densidad requerida (ej:
densidad natural).
Una vez colocada la muestra dentro de la caja de corte, se debe pesar
la caja con el material, registrar el valor y calcular el peso de la muestra por
diferencia con el valor anterior registrado.
Posterior a eso, de debe colocar la caja de corte y el material en el
equipo de corte con sumo cuidado (sobretodo en el caso de la arena suelta,
ya que con los golpes se re ordenarían las partículas y aumentaría su
densidad) y tapar la muestra con la placa ranurada (porosa) superior,
teniendo en cuenta la misma consideración que para el caso de su símil
inferior (ranuras hacia la parte inferior y perpendiculares al desplazamiento
del corte), sobre esta la rejilla porosa y por último el plato distribuidor de
carga.
28
La norma indica que se debe llenar el recipiente (en este caso la caja de corte) en tres capas de igual espesor, y apisonarlas con 25 golpes cada una, pero el hecho de realizar el procedimiento en 3 capas para este tipo de recipiente es ilógico para el espesor de las probetas, por lo tanto debiese ser suficiente con una capa.
98
Ilustración38: Caja de Corte con la muestra de arena en su interior.
Finalmente si la muestra será ensayada bajo condiciones saturadas,
se debe llenar29 con agua el recipiente de la caja de corte, y esperar el
tiempo necesario para que se produzca la saturación. Las probetas deben
ser saturadas con agua destilada a fin de evitar cualquier tipo de reacción
química entre las partículas disueltas en el agua y el suelo. La estimación de
este tiempo de saturación es relativa, pero se puede utilizar como referencia
las lecturas del transductor de desplazamiento vertical, manteniendo la
saturación hasta que las lecturas de éste se estabilicen.
Es conveniente tararlo en cero antes iniciar la saturación, luego
agregar el agua y observar el descenso que se produce en la muestra.
Cuando el descenso sea apreciablemente nulo, se puede continuar con la
siguiente etapa del ensayo.
29
No se debe saturar la probeta antes de que sean colocados los transductores de desplazamiento vertical, se procede con la saturación una vez que estos han sido colocados en la posición correcta y calibrados en cero.
Tornillos de Alineación
Mitad Superior de la caja de corte
Mitad inferior de la caja de corte
99
Confección de Probetas para Suelos Finos
La confección de probeta de suelos finos comienza con el montaje de
la caja de corte, el cual es equivalente al montaje para suelos granulares.
Suelo Fino en estado Natural: para este caso, a diferencia del
procedimiento anterior, la confección de probetas en estado natural
(inalteradas) es factible de realizar, pero es un procedimiento más
complicado, debido a que se deben tomar algunas precauciones, que
permitan asegurar que el suelo no cambie su densidad, forma, ni su
humedad, durante los procesos de muestreo, almacenado, transporte y
manipulación, además de considerar que la temperatura de la muestra debe
permanecer igual a la temperatura del suelo en estado natural.
El tubo de PVC es un buen medio para extraer y almacenar la
muestra, y ya que puede ser cortado con mayor facilidad que un tubo de
acero (sin olvidar que su precio es mucho menor), resulta ideal para tomar
pequeñas muestras en diferentes estratos. Para dar la forma cuadrada a la
muestra es conveniente utilizar el cortador de suelos directamente desde un
anillo30extraído al cortar el tubo de PVC con la muestra de suelo en su
interior.
Se debe tener especial cuidado que la muestra a ensayar no contenga
material granular de un tamaño excesivo para que los resultados obtenidos
no se distorsionen producto deformaciones diferenciales al interior de la
probeta al momento de iniciar la consolidación, ya que si existe un cuerpo de
tamaño excesivo dentro de la probeta, la carga normal podría ser soportada
únicamente por este cuerpo, distribuyéndose la presión de manera no
uniforme en la superficie de la muestra.
30
El concepto de anillo del tubo de PVC hace referencia al fragmento generado cuando se corta transversalmente el tubo de PVC con la muestra de suelo en su interior.
100
Ilustración39: Colocación de la muestra de suelo fino.
Suelo Fino Compactado: En el caso que se desee remodelar una
probeta, se debe secar la muestra en horno hasta masa constante y agregar
la cantidad de agua necesaria a una determinada masa de suelo31 para
lograr el porcentaje de humedad requerido en el ensayo, se debe mezclar y
amasar minuciosamente el material y el agua para lograr la mayor
homogeneidad posible en la confección de las probetas.
31
La cantidad de suelo es estimativo, dependiendo del tipo de suelo y del tamaño de la caja de corte en donde la probeta se ensayará.
Muestra Inalterada Tornillos de Alineación
Mitad Superior de la caja de corte
Mitad inferior de la caja de corte
101
La norma ASTM D 3080 establece ciertos parámetros referentes a la
cantidad de tiempo necesario de reposo antes de iniciar la compactación.
Clasificación del Suelo según
ASTM D 2487
Tiempo mínimo de reposo en
horas.
SW, SP Sin requisito
M 3
SC, ML, CL. 18
MH, CH. 36
Tabla 6: Tiempos de reposo según ASTM D 3080.
Una vez que la probeta ha cumplido el requisito del tiempo de reposo,
se debe proceder con la misma metodología empleada para confeccionar
una probeta de Arena Densa, colocando el material en el molde y
apisonando con 25 golpes(o hasta que se alcance la densidad solicitada). La
metodología para armar la caja de corte es la misma y se debe medir la
masa de la caja de corte sin la muestra y posteriormente con la muestra en
su interior para saber el peso total de ésta por la diferencia entre ambas
medidas. Se procede finalmente a colocar la caja dentro del equipo de corte,
y en la parte superior se posiciona la placa ranurada (porosa) superior con
las ranuras hacia la parte inferior, y perpendiculares al desplazamiento del
corte, sobre ésta la rejilla porosa y por último el plato distribuidor de carga.
También es válido preparar la probeta en un recipiente distinto a la
caja de corte, realizando la misma compactación descrita, y posteriormente
cortar la masa de suelo de la misma manera que si se tratase de un suelo
natural inalterado.
102
Si la muestra fuese ensayada en estado saturado, se debe proceder
de la misma manera que en el caso de las arenas, con la salvedad que para
este caso el tiempo de reposo se debiese prolongar considerablemente.
3.3. AJUSTES DE LA CAJA DE CORTE ANTES DEL ENSAYO.
Una vez colocada la caja de corte (con la muestra) en el equipo y
previamente a la saturación, se debe colocar el plato distribuidor de carga y
el dispositivo aplicador de carga sobre éste (evitando u omitiendo la carga en
si). También se debe posicionar el transductor de desplazamiento vertical de
tal modo que le permita medir el descenso del plato distribuidor de carga lo
más cercano al centro de gravedad posible, el vástago debe quedar
aproximadamente a 4 mm en sentido contrario al máximo desplazamiento
permitido, y una vez asegurado en este lugar se procede a tararlo de manera
que marque cero32. La finalidad de esto es únicamente conocer el descenso
por saturación de la muestra, y como un indicador de cuándo se debe
comenzar con la aplicación de la carga normal. Al ser la carga normal casi
despreciable (plato distribuidor de carga), se puede no considerar esta etapa
como una fase de asentamiento.
Antes de comenzar la fase de consolidación se seleccionan los pesos
con los que se ensayará la probeta; es aconsejable ensayar la probeta con 3
cargas distintas, las cuales producirán 3 esfuerzos diferentes que deben ser
calculados dependiendo de las dimensiones de la caja de corte a utilizar,
siendo cada una la mitad del anterior y comenzando con una carga que
produzca el equivalente al 200% del esfuerzo previsto a recibir en terreno
bajo condiciones reales, en descenso un 100% y finalmente un 50%.
32
No es necesario utilizar un transductor para este propósito, alternativamente es posible usar un deformímetro.
103
3.4. CONSOLIDACIÓN Y DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE
ENSAYO.
Habiendo seleccionado los pesos que producirán la tensión requerida
para el ensayo, se procede con la etapa de consolidación, que tiene por
objetivo establecer las velocidades de corte y desplazamiento para la prueba.
Estos parámetros deben ser establecidos con la mayor carga ya que bajo
estas condiciones se produce el mayor grado de consolidación y se genera
una curva de que en teoría debiese abarcar un mayor rango de deformación
vertical. Además, con el 200% de la carga normal, la velocidad de corte que
arrojarán los cálculos basados en la curva de consolidación de la muestra
será menor que con el 50% de la carga total. Los ensayos deben ser
realizados a la misma velocidad, por lo tanto se debe utilizar la velocidad
producto de la acción del 200% del esfuerzo ya que ésta asegura que no se
genere presión de poros en ninguna de las probetas a ensayar.
Para comenzar, se debe colocar la carga teniendo en cuenta que si
ésta es demasiado alta, es recomendable colocarla gradualmente (no
tomando demasiado tiempo), para esto el equipo tiene un sistema que
permite dejar las masas en la palanca inferior del mismo, sin que éstas
apliquen presión sobre la muestra. Para que la carga comience a ser
aplicada, se debe girar la perilla en la parte superior del marco hasta que la
carga empiece a ser aplicada sobre la muestra en la caja de corte, se debe
tener especial cuidado de mantener la lectura del transductor en cero, y que
la burbuja de nivel de la palanca inferior esté centrada. También es
importante coordinar el uso del cronómetro para que este comience a medir
el tiempo al mismo instante en que se colocan las cargas. Es recomendable
prefijar intervalos de tiempo cómodos para realizar periódicamente un
registro de la deformación para tales intervalos. Con los datos obtenidos se
debe trazar la curva de consolidación con el desplazamiento normal versus el
logaritmo o la raíz cuadrada del tiempo (en minutos).
104
Determinación de la Velocidad de Corte.
Con los datos de la consolidación, se procede a utilizar la siguiente
fórmula:
Ecuación 9
Donde;
: Tiempo transcurrido total estimado para la falla, expresado en
minutos (min).
: Tiempo requerido para que la probeta alcance un 50% de
consolidación bajo la tensión normal especificada (o incrementos de esta),
expresado en minutos (min).
Es posible obtener el valor de a partir de con la siguiente
expresión:
Ecuación 10
Donde;
: Tiempo requerido para que la probeta alcance un 90% de
consolidación bajo la tensión normal especificada (o incrementos de esta),
expresado en minutos (min).
105
4,28: Constante que relaciona el desplazamiento y los factores de
tiempo a una consolidación de un 50% y 90%.
Para determinar la velocidad de desplazamiento apropiada se debe
suponer un desplazamiento de falla ( ), el cual, según las limitaciones del
equipo, puede alcanzar un valor máximo de 19 milímetros, pero debiese
estar entre 5 mm a 12 mm si el material es un suelo normal o
ligeramentesobreconsolidado.
Se calcula la velocidad de corte según la siguiente ecuación:
Ecuación 11
Donde;
: Velocidad de desplazamiento (mm/min).
: Desplazamiento horizontal estimado en la falla (mm).
: Tiempo transcurrido estimado total para la falla, expresado en
minutos (min).
Existen materiales que pueden expandirse durante el proceso de
consolidación, en estos casos el suelo debe saturarse e incrementar la carga
para contrarrestar la expansión. A partir de este punto se debe comenzar el
ensayo de consolidación agregando aún más carga y midiendo las
deformaciones en intervalos de tiempos preestablecidos.
106
3.5. CORTE DE LA PROBETA
Antes de iniciar el corte de la proba, de deben desajustar los pernos
de alineación y utilizarlos (en las aberturas diferentes) para separar ambas
mitades de la caja de corte, aproximadamente 0,64 mm. También es
conveniente engrasar levemente ambas superficies para disminuir el roce
que se produzca ente ambas mitades, pero esto se debe hacer antes de
ensamblar la caja de corte.
También se debe posicionar el transductor de desplazamiento
horizontal, y configurarlo para que marque cero. Posteriormente se debe
realizar lo mismo con el transductor de desplazamiento vertical.
Estas operaciones se deben realizar en el panel de control del equipo
de corte directo antes de tarar el dispositivo aplicador de carga horizontal e
ingresar la velocidad de desplazamiento para producir el corte.
Las funciones del panel ya fueron explicadas en el capítulo anterior,
porque ahora sólo se recordará que es ahí donde se deben establecer los
intervalos de mediciones y la forma de almacenamiento de los datos.
Al comenzar el ensayo, el equipo desplazará la mitad inferior en
sentido horizontal con respecto a la mitad superior de la caja de corte hasta
que la probeta falle. Automáticamente se registrarán los datos de carga
horizontal aplicada, y los desplazamiento horizontales y verticales ocurridos
con la frecuencia configurada.
Una vez terminado el ensayo, se debe tomar inmediatamente una
muestra de suelos para medir su humedad. Para esto se tiene que
desmontar el equipo de la misma manera que se ensambló: en primer lugar
se deben retirar los transductores y quitar los pesos que producen la tensión,
luego retirar la caja de corte del contenedor y extraer el plato distribuidor de
107
cara, la rejilla ranurada y la placa porosa dejando la muestra al descubierto
para finalmente extraer una muestra de suelo con la que se determinará la
humedad según ASTM D 2216.
Es probable que se desee conocer la forma en que ocurrió el corte
(para suelos finos) por lo que antes de extraer la muestra de debe retirar la
parte superior de la caja de corte desplazándola en sentido horizontal y
dejando al descubierto el plano de falla.
Se debe fotografiar y luego extraer la muestra para determinar la
humedad.
Para la limpieza del equipo se debe desmontar el recipiente de la caja
de corte, procedimiento que fue explicado en el capítulo anterior.
En capítulos posteriores se expondrán algunos ensayos demostrativos
a distintos suelos, realizados paso a paso para la mejor comprensión del
procedimiento en general, con una explicación más detallada y extrapolando
lo analizado en éste capítulo.
109
Durante el desarrollo de este capítulo se presentarán las actividades
realizadas para dejar operativo el equipo de corte directo antes de ser
utilizados para ejecutar ensayos.
Las actividades realizadas comprenden 2 áreas, la primera es la
fabricación de piezas faltantes en el equipo, tanto como para su
funcionamiento como para hacer posible la calibración del mismo, y la
segunda es la calibración propiamente tal.
Dentro de la primera etapa de implementación del equipo, se
fabricaron 2 set piezas: el primero contiene el soporte para el transductor de
desplazamiento vertical, y el segundo set corresponde a 2 piezas de acero
que se utilizan para adaptar la celda de carga del equipo de corte directo a la
prensa CBR del Laboratorio Autro-Umag. Cabe destacar que ambos set de
piezas fueron fabricados por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Magallanes.
4.1. CALIBRACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES.
El soporte del transductor de desplazamiento vertical fue fabricado de
Technyl, y a continuación se presenta su esquema de diseño.
Ilustración40: Esquema de diseño para el soporte del Transductor de desplazamiento vertical.
110
Con ambos soportes instalados, el siguiente paso fue la calibración de
los transductores.
Para llevar a cabo esta tarea se instaló un deformímetro con soporte
magnético en la parte posterior de cada transductor, de manera de hacer
coincidir ambos vástagos (del transductor respectivo con el deformímetro)
dejándolos alineados.
Ilustración41: Posicionamiento del deformímetro para la calibración de los transductores.
Una vez realizado esto, se procede a tomar lecturas en ambos
aparatos y así conocer cuál era la relación entre ambos datos. Para visualizar
las lecturas en el equipo fue necesario entrar al menú “MANUAL MODE” y
luego al submenú “UNACTIVE CALIBRACION”, esto debido a que lo que se
necesitó fueron las lecturas del equipo sin ser afectadas por el factor de
calibración ingresado en el equipo. Los intervalos fueron predefinidos
adecuadamente respecto del instrumento de referencia, el procedimiento
básicamente en tarar el equipo con la tecla “ENT”, luego en deslizar la caja
de corte con las teclas “ARRIBA” y “ABAJO”, y finalmente registrar las
lecturas del equipo versus las lecturas del instrumento de referencia
(deformímetro).
Se tomaron 4 series de datos los cuales presentaron notoriamente una
tendencia a la linealidad. El resultado fue una relación lineal entre las
lecturas de ambos aparatos, con lo cual bastó realizar la regresión lineal
111
respectiva y así conocer el factor de calibración necesario para lograr una
mayor precisión en el equipo. Cada serie denotaba un Coeficiente de
Correlación lineal superior a 0,999. A continuación se presenta un gráfico
que incorpora todos los datos obtenidos:
Ilustración42: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Horizontal.
El Coeficiente de Correlación para el conjunto de las series es de
0,99995108, aunque se hace el alcance que se encontró que la mayor
dispersión de los datos se produce en el rango inferior a 1mm.
Los errores encontrados en la calibración para el rango inferior a 1mm
son inferiores al 5%, en el rango superior a 1mm el error disminuye
notoriamente hasta un valor menor al 1%. El error en el rango inferior a 1mm
no es relativamente importante, ya que las lecturas de deformación sirven
sólo de referencia para encontrar el desplazamiento lateral relativo al
momento de la falla en la muestra, y ésta no se produce en rangos tan bajos
de deformación, si no que en rangos superiores al 10% de la deformación. El
10 % de la deformación en la caja de corte más pequeña corresponde a
6mm, cifra superior a rango de mayor error. Sin embargo, aunque muy poco
y = 2,5211x R² = 0,9999
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Inst
rum
en
to d
e r
efe
ren
cia
(mm
)
Transductor Horizontal (mm)
Calibración Transductor Horizontal
112
probable, es posible encontrar algún suelo con comportamiento frágil que
alcance la falla en rangos de deformación menores a los citados.
En la siguiente tabla se presentan los datos tomados del transductor
del equipo de corte directo y del instrumento de referencia:
Serie de Calibración 1
Serie de Calibración 2
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
0 0
0,000 0,000
0,490 0,184
0,200 0,074
0,717 0,279
0,304 0,103
1,020 0,403
0,871 0,319
3,024 1,189
1,106 0,412
7,000 2,773
3,010 1,169
7,285 2,847
7,079 2,787
Coef. Correlación 0,9999562
Coef. Correlación 0,9999517
Tabla 7: Registro Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Horizontal
Tabla 8: Registro Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Horizontal
Serie de Calibración 3
Instrumento de referencia
Lectura del equipo 2,501 0,971
0 0 3,007 1,18
0,106 0,031 3,014 1,182
0,204 0,062 3,503 1,367
0,307 0,1 4,003 1,572
0,411 0,14 4,518 1,773
0,5 0,176 4,999 1,969
0,604 0,218 5,502 2,167
0,697 0,253 6,001 2,369
0,807 0,294 6,507 2,567
0,899 0,333 7,008 2,771
1,001 0,381 7,5 2,974
1,099 0,423 8,039 3,188
1,199 0,467 8,499 3,367
1,318 0,515 9,057 3,599
1,419 0,555 9,519 3,787
1,5 0,584 10,035 4
1,999 0,779 Coef. Correlación 0,99945358 Tabla 9:Registro Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Horizontal.
113
Serie de Calibración 4
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
0 0 2,512 0,998
0,1 0,038 3,515 1,393
0,201 0,077 4,014 1,592
0,303 0,117 4,503 1,787
0,409 0,161 5,023 1,993
0,498 0,193 5,502 2,184
0,597 0,23 6,014 2,392
0,698 0,272 6,51 2,588
0,8 0,319 7,051 2,805
0,907 0,369 7,518 2,992
0,998 0,405 8,095 3,224
1,111 0,452 8,493 3,379
1,212 0,492 9,059 3,62
1,301 0,524 9,501 3,796
1,413 0,566 10,071 4,019
1,51 0,608 Coef. Correlación 0,99976872
2,01 0,801
Tabla 10: Registro Serie de calibración 4. Transductor de desplazamiento Horizontal.
Finalmente se presenta la ecuación que representa la relación entre
ambas lecturas:
Ecuación 12: Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento horizontal.
Como el equipo no tiene la opción de ingresar el valor (n) en su modo
de calibración, la curva fue ajustada a cero (n=0), lo que quiere decir que la
recta fue obligada a pasar por el origen del gráfico (x=0,y=0), con lo que se
obtiene la relación de la ecuación 13:
( ) ( )
114
Ecuación 13: Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento horizontal, corregida a cero.
Para la calibración del transductor de desplazamiento vertical se siguió
la misma metodología aunque sólo con 3 series de datos, resultando también
todas las series con un coeficiente de correlación lineal superior a 0,999.
A continuación se presenta una gráfica con los datos obtenidos en
todas las series.
Ilustración43: Gráfico Calibración del Transductor de Desplazamiento Vertical.
El Coeficiente de correlación lineal para este conjunto de series es de
0,99997201, y también en este caso la dispersión mayor es en el rango
inferior a 1mm. En este caso es más importante la precisión en rangos
inferiores para conocer el comportamiento de dilatancia o contracción de los
suelos, aún así, el problema de sensibilidad es del transductor y no del
instrumento de referencia.
( ) ( )
y = 1,210x R² = 0,999
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10Inst
rum
en
to d
e R
efe
ren
cia
(mm
)
Transductor Vertical (mm)
Calibración Transductor Vertical
115
En la siguiente tabla se presentan los datos tomados del transductor
del equipo de corte directo y del instrumento de referencia:
Serie de Calibración 1
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
0 0 3,008 2,461
0,106 0,077 3,522 2,878
0,211 0,142 4 3,279
0,314 0,218 4,522 3,696
0,515 0,304 5,009 4,099
0,612 0,388 5,515 4,557
0,712 0,4 6,021 4,947
0,803 0,568 6,523 5,367
0,906 0,646 7,01 5,786
1,019 0,735 7,54 6,215
1,101 0,83 8,008 6,616
1,224 0,911 8,528 7,03
1,309 1,021 9,002 7,455
1,413 1,101 9,559 7,922
1,521 1,174 10,02 8,3
2,011 1,659 Coef. De Correlación 0,9999028 2,525 2,075
Tabla 11: Serie de calibración 1. Transductor de desplazamiento Vertical.
Serie de Calibración 2
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
0 0 2,503 2,079
0,109 0,07 3,004 2,479
0,218 0,153 3,509 2,907
0,317 0,237 4,017 3,322
0,399 0,31 4,505 3,706
0,515 0,409 5,01 4,131
0,621 0,506 5,52 4,559
0,71 0,577 6,018 4,974
0,8 0,669 6,52 5,389
0,916 0,77 6,999 5,787
1,013 0,861 7,516 6,222
116
1,101 0,941 8,01 6,636
1,205 1,039 8,514 7,081
1,309 1,111 9,028 7,501
1,431 1,223 9,539 7,93
1,503 1,286 9,996 8,293
1,991 1,652 Coef. De Correlación 0,99997076
Tabla 12: Serie de calibración 2. Transductor de desplazamiento Vertical.
Serie de Calibración 3
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
Instrumento de referencia
Lectura del equipo
0 0 3,009 2,465
0,111 0,066 3,519 2,881
0,219 0,15 4,014 3,295
0,318 0,211 4,523 3,702
0,415 0,303 5,006 4,109
0,499 0,385 5,523 4,546
0,618 0,479 6,008 4,947
0,705 0,569 6,514 5,378
0,81 0,653 7,014 5,795
0,902 0,757 7,514 6,194
1,004 0,845 8,018 6,637
1,113 0,939 8,522 7,048
1,201 1,008 9,011 7,464
1,321 1,109 9,534 7,906
1,515 1,276 10,043 8,318
2,016 1,669 Coef. De Correlación 0,99997201 2,519 2,071
Tabla 13:Serie de calibración 3. Transductor de desplazamiento Vertical.
117
Con los datos obtenidos se generó un par de ecuaciones de ajuste de
la misma manera que para el caso del transductor de desplazamiento
horizontal, una con el ajuste a cero y otra sin el ajuste, ambas se presentan a
continuación.
Ecuación 14:Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento vertical.
Ecuación 15: Curva de ajuste para el transductor de desplazamiento vertical, corregida a cero.
( ) ( )
( ) ( )
118
4.2. CALIBRACIÓN DE LA CELDA DE CARGA.
Los adaptadores para la celda de carga fueron fabricados de acero, el
primero se ensambla en un extremo de la celda, que al ser posicionada en
forma vertical, se convierte en la parte superior del conjunto celda-
adaptadores. La función principal es lograr conectar el hilo de la celda de
carga con el hilo en el disco inferior del anillo de carga de la prensa CBR.
El segundo adaptador es un disco que por su parte inferior es plano y
que en su parte superior tiene una perforación con hilo de manera tal que se
conecta con la celda de carga para proporcionar una base plana que dará
soporte al conjunto celda-adaptadores.
Ilustración44: Montaje de la Celda de Carga con los adaptadores.
Una vez realizado esto, se procedió a montar este conjunto en la
prensa CBR del laboratorio Austro-Umag según muestran las figuras 45 y 46.
Realizado esto se procedió a tomar 3 series de datos, aplicando carga por
medio de la manivela de la prensa CBR a intervalos regulares más
Adaptador Superior
Celda de Carga
Adaptador Inferior
119
frecuentes en el rango inferior, por lo demás, entre cada medición se esperó
a que el instrumento de medición y la celda de carga se adaptaran, y
estabilizaran sus mediciones antes de registrarlas.
Ilustración45: Montaje de la Celda de Carga con el Anillo de Carga CBR.
Anillo de Carga CBR
Adaptador Superior
Celda de Carga
Adaptador Inferior
120
Ilustración46: Celda de Carga Montada en la prensa CBR.
El anillo de la prensa CBR tiene una calibración certificada por el
Laboratorio de Calibración de Fuerza de IDIEM, con fecha de calibración 07-
10-2009, y cuyo número es 578828-01. La curva de ajuste es la siguiente:
Ecuación 16: Curva de ajuste del Anillo CBR.
( ) ( )
121
A continuación se presenta el registro de los datos obtenidos durante
la calibración de la Celda de Carga:
Serie de Calibración 1
Lectura del Anillo de Carga (unidades)
Lectura Corregida del anillo de carga (kN)
Lectura del Equipo de corte directo (kN)
0 0,0729 0
1 0,1074 0,0277
4 0,2109 0,1054
7 0,3144 0,1815
10 0,4179 0,2536
13 0,5214 0,3353
15 0,5904 0,3895
18 0,6939 0,4644
21 0,7974 0,5437
24 0,9009 0,6198
27 1,0044 0,6889
33 1,2114 0,8493
39 1,4184 1,007
44 1,5909 1,1421
50 1,7979 1,2921
56 2,0049 1,4402
62 2,2119 1,5932
68 2,4189 1,737
73 2,5914 1,8636
79 2,7984 2,0107
85 3,0054 2,173
91 3,2124 2,3287
97 3,4194 2,4803
102 3,5919 2,6043
109 3,8334 2,7714
114 4,0059 2,911
120 4,2129 3,0666
126 4,4199 3,2208
131 4,5924 3,3481
137 4,7994 3,5074
142 4,9719 3,6423
143 5,0064 3,6557
Coeficiente de Correlación 0,99998692
Tabla 14: Serie de calibración 1. Celda de Carga.
122
Serie de Calibración 2
Lectura del Anillo de Carga (unidades)
Lectura Corregida del anillo de carga (kN)
Lectura del Equipo de corte directo (kN)
0 0,0729 0
1 0,1074 0,0291
4 0,2109 0,1059
7 0,3144 0,1837
10 0,4179 0,2626
13 0,5214 0,3494
15 0,5904 0,3954
18 0,6939 0,4717
21 0,7974 0,5512
24 0,9009 0,6177
27 1,0044 0,6964
33 1,2114 0,864
39 1,4184 1,0149
44 1,5909 1,1421
50 1,7979 1,3011
56 2,0049 1,4518
62 2,2119 1,5997
68 2,4189 1,7398
73 2,5914 1,8744
79 2,7984 2,0201
85 3,0054 2,1679
91 3,2124 2,3195
97 3,4194 2,4695
102 3,5919 2,6007
109 3,8334 2,7712
114 4,0059 2,9029
120 4,2129 3,0622
126 4,4199 3,2124
131 4,5924 3,3493
137 4,7994 3,5025
142 4,9719 3,6314
143 5,0064 3,6615
Coeficiente de Correlación 0,99997497
Tabla 15: Serie de calibración 2. Celda de Carga.
123
Serie de Calibración 3
Lectura del Anillo de Carga (unidades)
Lectura Corregida del anillo de carga (kN)
Lectura del Equipo de corte directo (kN)
0 0,0729 0
1 0,1074 0,0325
4 0,2109 0,1013
10 0,4179 0,257
15 0,5904 0,3875
21 0,7974 0,5464
27 1,0044 0,6985
33 1,2114 0,8545
39 1,4184 1,0073
44 1,5909 1,1421
50 1,7979 1,2953
56 2,0049 1,4474
62 2,2119 1,6
68 2,4189 1,7473
73 2,5914 1,8718
79 2,7984 2,0156
85 3,0054 2,1682
91 3,2124 2,3182
97 3,4194 2,4728
102 3,5919 2,6015
109 3,8334 2,7795
114 4,0059 2,9075
120 4,2129 3,0617
126 4,4199 3,2172
131 4,5924 3,3536
137 4,7994 3,5036
142 4,9719 3,6356
143 5,0064 3,668
Coeficiente de Correlación 0,99997916
Tabla 16: Serie de calibración 3. Celda de Carga.
124
Con los datos obtenidos en las tres series se generó una curva de
ajuste para ser ingresada en el equipo. Los gráficos de esta curva se
presentan a continuación:
Ilustración47: Gráfico de calibración de la Celda de carga.
Ilustración48: Gráfico de calibración de la Celda de carga, con ajuste a cero.
y = 1,3533x + 0,0619 R² = 1
-1
0
1
2
3
4
5
6
-1 0 1 2 3 4 5
Lect
ura
An
illo
de
Car
ga (
kN)
Lectura Celda de Carga (kN)
Calibración Celda de Carga
y = 1,3778x R² = 0,9995
-1
0
1
2
3
4
5
6
-1 0 1 2 3 4 5
Lect
ura
An
illo
de
Car
ga (
kN)
Lectura Celda de Carga (kN)
Calibración Celda de Carga
125
El factor para ser ingresado en el equipo es de 1.35320, que
corresponde a la calibración sin ajuste a cero, por lo que manualmente se le
debe adicionar al valor entregado por el equipo la cantidad 0.06186 kN. Aún
así, la diferencia entre ambas relaciones calculadas no difiere en más de
0.019 kN, por lo que perfectamente podría ser incorporado el valor con ajuste
a cero, sin necesidad de hacer correcciones, ya que la sensibilidad del
equipo, y la inferencia en el resultado final no lo ameritan.
A contignación se presentan las ecuaciones de las curvas calculadas:
Ecuación 17:Curva de ajuste para la celda de carga.
Ecuación 18: Curva de ajuste para la celda de carga, corregida a cero.
Por último, la celda de carga no pudo ser calibrada por IDIEM durante
la calibración de los instrumentos de fuerza del Laboratorio Austro-Umag,
ya que la forma y la ubicación de ésta no eran compatibles con los
instrumentos de referencia del organismo certificador. Por lo demás, con la
confección de los adaptadores de la celda de carga a la prensa CBR, será
posible certificarla a futuro, con la misma metodología empleada en éste
capitulo, con la salvedad que el soporte inferior, en vez de apoyarse en el
plato de la prensa CBR, se apoyará en la celda de carga de referencia. Se
recomienda que la celda de referencia tenga la misma capacidad que la
celda del equipo de corte directo (5kN).
( ) ( )
( ) ( )
127
En el desarrollo de éste capítulo se expondrán los ensayos de corte
directo realizados a diferentes tipos de suelos de la ciudad de Punta Arenas.
Los suelos elegidos para esto son: Arcilla, Arena y Mazacote.
5.1. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO ARCILLOSO.
Los suelos arcillosos se caracterizan básicamente por ser suelos finos
(partículas menores a 0,002mm) y por poseer cohesión. La cohesión sólo
está presente en un suelo que haya sido preconsolidado, es decir, haya sido
ensayado al corte con una carga normal menor a la que ha sido sometido en
su pasado geológico. El ejemplo que se mostrará a continuación es una
muestra remoldeada del sector de Konaiken, 32 km al norte de la ciudad de
Punta Arenas, a orillas del Rio Pescado.
Cabe esperar entonces que la muestra se comporte como una arcilla
normalmente consolidada, es decir, sin una resistencia máxima notoriamente
marcada, pero también sin una resistencia residual menor a las alcanzadas
en el transcurso del ensayo, además de la ausencia de cohesión.
El primer paso es la clasificación de este suelo, que según el método
AASHTO nos arroja que el material a ensayar es un Suelo limoso A-4, con un
índice de grupo igual a 8, y según el sistema de clasificación USCS el suelo
es una Arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL).
La granulometría de esta muestra, así como la determinación de los
límites de Atterberg se presentan en el anexo 1:
Para la realización de este ensayo, la muestra fue secada en horno y
posteriormente tamizada para eliminar residuos propios del sector de donde
se extrajo (restos vegetales y de ladrillos), posteriormente se le añadió agua
hasta alcanzar un 23% de humedad (valor aproximado a la humedad natural
128
con la que se extrajo la muestra) y finalmente se dejó reposar durante 36
horas antes de confeccionar las probetas.
Posteriormente, la arcilla se amasó y se cortaron las probetas para ser
ensayadas en la caja de 6cm x 6cm, como muestra la siguiente secuencia de
imágenes.
Ilustración49: Amasado de la probeta de Arcilla.
Ilustración50: confección de la probeta con el cortador.
129
Para asegurar que las muestras mantuviesen la humedad de
confección, se sellaron dentro de envolturas plásticas y se almacenaron en
una cámara de curado de hormigones. Posteriormente, se pesaron y se les
asignó un número de identificación.
Ilustración51: Almacenado e identificación de las probetas.
Para determinar la curva intrínseca de éste suelo, se realizarán 4
ensayos a diferentes tensiones normales, los cuales se determinaron en
función de la carga de diseño para el suelo. Como éste valor no existe, se
supondrá una carga de diseño igual a 13,63 N/cm2 con lo cual quedan
definidos los ensayos a realizar.
Ensayo Porcentaje de carga Esfuerzo Normal
Ensayo Arcilla 1 200% 27,25 N/cm2
Ensayo Arcilla 2 150% 20,44 N/cm2
Ensayo Arcilla 3 100% 13,63 N/cm2
Ensayo Arcilla 4 50% 6,81 N/cm2
Tabla 17: Esfuerzos normales en las probetas de Arcilla.
130
Antes de ensayar las muestras en el equipo de corte directo, se hace
necesario conocer la curva de consolidación, para determinar la velocidad de
corte a aplicar de manera de no producir presión de poros durante el ensayo.
Ésta curva se determina a partir de la carga mayor, que para este caso
corresponde al 200% de la carga de diseño.
Cálculodet90 y determinación de la velocidad de ensayo:
Se utilizó para éste propósito el método de Taylor33, el cual consiste
en trazar una recta tangente (recta verde) a la Curva de consolidación v/s
Raíz del tiempo, registrando el valor de intersección con el eje de las
abscisas (5,3 min1/2).
El valor encontrado se multiplica por 1,15 y se traza otra recta (azul)
desde el origen de la anterior hasta el valor recién calculado (6,10 min1/2).
Finalmente se traza una recta vertical (naranja) desde la intersección
de la recta azul con la curva de consolidación, obteniéndose el valor de t901/2
(4,8 min1/2), por lo tanto el valor de t90 es 23,04 min.
El siguiente paso es calcular t50 según la ecuación 10, obteniéndose el
valor de 5,38 min. Al multiplicar éste valor por 50 se obtiene el tiempo
estimado de falla, resultando 269,16 min.
Para obtener la velocidad del ensayo se debe estimar un
desplazamiento relativo de falla, se tomará como referencia 6 mm que
corresponde al 10% del desplazamiento lateral relativo.
Al dividir el desplazamiento lateral relativo en la falla, por el tiempo
estimado de falla, se obtiene la velocidad de ensayo, que para este caso es
33
El método de Taylor es un método utilizado para obtener el tiempo en que un suelo alcanza el 90% de su consolidación primaria, se encuentra detallado en la Norma ASTM D 2435 Test: Method fo rOne Dimensional Consolidation Properties of Soils.
131
0,2229 mm/min. Aunque el equipo permite ingresar éste valor, se redondeará
a 0,2 mm/min para aumentar la certeza que no se producirá presión de poros
durante el ensayo.
Ilustración52: Curva de Consolidación para Arcillas.
Una vez terminada la consolidación y determinada la velocidad de
corte, se procede a iniciar el ensayo con la misma muestra, registrándose los
datos en la tabla 18. La primera columna entrega la carga horizontal que
registra la celda de carga del equipo en kiloNewtons (kN), la segunda
presenta el valor anteriormente mencionado ya transformado a esfuerzo
cortante al dividirlo por el área del plano de corte (36 cm2), la tercera y cuarta
columna presentan los valores registrados por los transductores de
desplazamiento, y finalmente la quinta columna entrega los valores
correspondientes al desplazamiento lateral relativo, que se obtiene al calcular
el porcentaje que representa el valor registrado por el transductor de
desplazamiento horizontal con respecto al largo total de la probeta (60 mm).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Des
cen
so (
mm
)
Raíz cuadrada del tiempo (min1/2)
Curva de Consolidación para Arcillas
132
Ensayo de corte directo con σn igual a 27,25 N/cm2.
Registro de Datos:
CargaHorizontal
(kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0000 0,000 0,000 0,000 0%
0,0149 0,414 0,026 0,009 0%
0,3039 8,442 0,301 0,128 1%
0,5511 15,308 1,600 0,250 3%
0,6057 16,825 2,406 0,311 4%
0,6475 17,986 3,207 0,339 5%
0,6700 18,611 4,006 0,360 7%
0,6774 18,817 4,790 0,373 8%
0,6784 18,844 5,602 0,385 9%
0,6847 19,019 6,306 0,397 11%
0,6840 19,000 7,132 0,409 12%
0,6793 18,869 7,986 0,421 13%
0,6820 18,944 8,971 0,429 15%
0,6815 18,931 9,873 0,435 16%
Tabla 18: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 27,25 N/cm2.
En la tabla 18 se registran los datos obtenidos durante el primer
ensayo de corte directo al suelo arcilloso inorgánico de baja plasticidad. La
representación de estos datos se gráfica en las siguientes figuras,
deduciendo de la ilustración 53 que a partir de aproximadamente un 9% de
deformación lateral relativa, no se aprecian aumentos sustanciales en la
resistencia al corte de este suelo, sino que se mantiene estable alrededor de
los 19 N/cm2.
De la ilustración 54 se concluye que a medida que se produce el corte
en la muestra, también se produce un asentamiento, lo cual es
completamente esperable ya que la muestra ha sido remodelada, y por lo
tanto el suelo se comporta como una arcilla normalmente consolida.
133
Ilustración53: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 27,25 N/cm2.
Ilustración54: Gráfico del Asentamiento durante el ensayo a 27,25 N/cm2 para Muestra de Arcilla.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2 )
Desplazamiento Lateral Relativo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
De
form
ació
n V
ert
ical
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
134
Ensayo de corte directo con σn igual a 20,44 N/cm2.
Registro de Datos:
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte(N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0192 0,533 0,097 0,004 0%
0,2038 5,661 0,347 0,096 1%
0,3077 8,547 0,990 0,215 2%
0,3771 10,475 1,810 0,281 3%
0,4006 11,128 2,266 0,315 4%
0,4318 11,994 2,917 0,345 5%
0,4469 12,414 3,573 0,367 6%
0,4634 12,872 4,210 0,384 7%
0,4749 13,192 4,912 0,403 8%
0,4746 13,183 5,191 0,416 9%
0,4747 13,186 5,799 0,421 10%
0,4815 13,375 6,558 0,429 11%
0,4809 13,358 6,917 0,428 12%
0,4799 13,331 7,668 0,430 13%
0,4825 13,403 8,449 0,432 14%
0,4806 13,350 9,237 0,437 15%
0,4788 13,300 9,658 0,437 16%
Tabla 19: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 22,44 N/cm2.
En la tabla 19 se registran los datos obtenidos durante el segundo
ensayo de corte directo al suelo arcilloso inorgánico de baja plasticidad.
En la ilustración 55 observamos el mismo comportamiento que en el
ensayo anterior, siendo el 9% de deformación lateral relativa el punto donde
se estabiliza el esfuerzo de corte para esta muestra. El valor máximo de corte
registrado es 13.4 N/cm2.
En la ilustración 55 observamos exactamente el mismo
comportamiento que en el ensayo anterior, es decir, un comportamiento
normalmente consolidado.
135
Ilustración55: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 22,44 N/cm
2.
Ilustración56: Gráfico del Asentamiento durante el ensayo a 22,44 N/cm2 para Muestra de Arcilla.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2)
Desplazamiento Lateral Relativo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
De
form
ació
n V
ert
ical
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
136
Ensayo de corte directo con σn igual a 13,63 N/cm2.
Registro de Datos:
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0186 0,517 0,138 0,067 0%
0,0903 2,508 0,318 0,154 1%
0,1868 5,189 0,919 0,230 2%
0,2270 6,306 1,536 0,304 3%
0,2593 7,203 2,136 0,338 4%
0,2812 7,811 2,730 0,375 5%
0,2942 8,172 3,322 0,387 6%
0,3050 8,472 3,929 0,390 7%
0,3085 8,569 4,509 0,395 8%
0,3036 8,433 5,129 0,398 9%
0,3053 8,481 5,739 0,406 10%
0,3074 8,539 6,333 0,418 11%
0,3085 8,569 6,903 0,420 12%
0,3104 8,622 7,502 0,428 13%
0,3068 8,522 8,111 0,435 14%
0,3107 8,631 8,709 0,440 15%
0,3103 8,619 9,306 0,446 16%
0,3057 8,492 10,009 0,448 17%
Tabla 20: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 13,63 N/cm2.
El comportamiento del suelo durante este ensayo es exactamente
igual a los dos anteriores. Se observa que alrededor del 7% de deformación
lateral relativa se alcanza un valor constante en el esfuerzo de corte, y que
asciende a 8,6 N/cm2. En cuanto a la deformación vertical de la probeta
durante el ensayo es posible observar que se comporta exactamente igual a
los dos ensayos anteriores, estabilizándose en valores cercanos a los 0,45
mm.
137
Ilustración57: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo a 13,63 N/cm2.
Ilustración58: Gráfico del Asentamiento durante el ensayo a 13,63 N/cm2 para Muestra de Arcilla.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2 )
Desplazamiento Lateral Relativo
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
De
sce
nso
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
138
Ensayo de corte directo con σn igual a 6,81 N/cm2.
Registro de Datos:
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0000 0,000 0,000 0,000 0%
0,0748 2,078 0,331 0,045 1%
0,1157 3,214 0,940 0,131 2%
0,1361 3,781 1,524 0,182 3%
0,1519 4,219 2,130 0,212 4%
0,1593 4,425 2,728 0,231 5%
0,1680 4,667 3,332 0,239 6%
0,1663 4,619 3,936 0,239 7%
0,1670 4,639 4,540 0,239 8%
0,1651 4,586 5,144 0,241 9%
0,1660 4,611 5,748 0,243 10%
0,1652 4,589 6,352 0,246 11%
0,1660 4,611 6,956 0,243 12%
0,1651 4,586 7,560 0,244 13%
0,1658 4,606 8,164 0,248 14%
0,1660 4,611 8,768 0,246 15%
0,1660 4,611 9,372 0,246 16%
Tabla 21: Registro de Datos para Corte Directo de arcilla, ensayo a 6,81 N/cm2.
En este ensayo se observa un comportamiento similar a los tres
anteriores, aunque el esfuerzo de corte se estabilizará en valores más bajos
que en los otros, alrededor del 6%.
Otra diferencia notable es que la deformación vertical es menor en
esta prueba, sólo se alcanza una deformación cercana a 0,25mm a
diferencia de los 0,45mm anteriores. Es posible observar esto en las
ilustraciones 59 y 60.
139
Ilustración59:Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR. Arcilla, Ensayo 6,81 N/cm2.
Ilustración60: Gráfico del Asentamiento durante el ensayo 6,81 N/cm2 para Muestra de Arcilla.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2)
Desplazamiento Lateral Relativo
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0% 5% 10% 15% 20%
De
sce
nso
(m
m)
Desplazamioento Laeterak Relativo
140
Al graficar todos los puntos obtenidos en cada uno de los ensayos
realizados al material, se obtiene el siguiente gráfico:
Ilustración61: Curva intrínseca Suelo Arcilloso
Se observan las coordenadas de los cuatro puntos que representan
cada uno de los ensayos, además de la línea de tendencia de los datos
obtenidos. Como era de esperar, la curva corta en el origen, representando
un material normalmente consolidado con cohesión igual a cero, debido a
que las probetas de éste suelo fueron remoldeadas.
La curva intrínseca queda formulada por la ecuación:
τ σn · 0,6713 + 0
Siendo el ángulo ϕ =atan (0,6713) = 33,9º.
Como es posible observar el valor del ángulo de rozamiento interno es
más alto que lo normal para una arcilla de baja plasticidad. Esto puede ser
y = 0,6713x R² = 0,9941
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 5 10 15 20 25 30
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2 )
Tensión Normal (N/cm2)
141
explicado debido a la composición de este suelo ya que no era netamente
material arcilloso, sino que poseía gran cantidad de limo (lo refleja la
clasificación AASHTO, que lo categorizada como un suelo limoso), entonces
al comparar nuevamente el valor del ángulo de rozamiento interno obtenido
para este suelo y compararlo con los valores referenciales de la tabla 1,
podemos asimilar el resultado obtenido a un suelo limoso denso.
Al superponer las deformaciones verticales durante los ensayos
(Ilustración62) notamos que en el ensayo con menor carga, la deformación
vertical se estabiliza en un valor cercano a los 0,25mm, al ir aumentando la
presión de confinamiento también aumenta la deformación vertical, pero al
seguir aumentando la carga normal, no siguen aumentando las
deformaciones verticales máximas en las muestras. Lo anterior se explica
debido a que llega un punto en que por más que se le aplique una presión
vertical a la muestra, ésta no seguirá deformándose debido a la
consolidación, aunque si puede ocurrir la trituración de las partículas de
suelo debido a presiones normales muy elevadas que deformarían la masa
de suelo, pero que no corresponden a éste caso pues las tensiones
aplicadas no llegan a tales niveles.
Ilustración62: Deformaciones verticales de los ensayos del suelo Arcilloso.
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
0,500
0% 5% 10% 15% 20%
Des
cen
so (
mm
)
Desplazamiento Lateral Relativo
27,25N/cm2
20,44 N/cm2
13,63 N/cm2
6,81 N/cm2
142
5.2. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN SUELO GRANULAR.
El objetivo de esta prueba es proporcionar una referencia (a modo de
ejemplo) para la realización de ensayos de corte directo a suelos granulares.
El material a ensayar es una arena extraída del borde costero de la
ciudad de Punta Arenas, cercano al km 6 de Av. Costanera.
Debido a que el material presentaba partículas superiores a 80mm, se
cortó el material en la malla de ¼”. La malla de ¼” no es un tamiz utilizado
para suelos, pero se decidió usarlo debido a que el tamiz de 25mm cortaba el
material con partículas muy grandes para la caja de 10cm y la malla Nº4
producía muestras de tamaño demasiado pequeñas.
La determinación de la velocidad de corte para este tipo de suelos no
es un factor relevante, ya que al ser un suelo permeable no se generarán
presiones de poro debido a que no existe cohesión. Por lo tanto se utilizará
una velocidad de 0,15 mm/min de manera de realizar el corte completo de
las probetas en aproximadamente dos horas.
La finalidad de éste ensayo es obtener el ángulo de fricción de un
suelo granular y evaluar el comportamiento del suelo durante el ensayo al
conformar las probetas con distintas densidades, es por esto que se
determinó la densidad mínima y máxima del material, y se obtuvo la densidad
relativa de cada una de las muestras a ensayar. Los resultados se presentan
en la siguiente tabla
ENSAYO PESO
[KG]
H
[cm]
VOLUMEN
[m3]
DENSIDAD
[kg/m3]
D. MIN D. MAX Dr
4 kg/cm2
0,435 2,4 0,00024 1.813 1.578 1.913 70%
3 kg/cm2
0,448 2,43 0,000243 1.844 1.578 1.913 79%
2 kg/cm2
0,462 2,51 0,000251 1.841 1.578 1.913 78%
1 kg/cm2
0,456 2,47 0,000247 1.846 1.578 1.913 80%
Tabla 22: Densidad Relativa para ensayos de Corte Directo en Arenas.
143
Como se observa en la tabla 22, las probetas que fueron ensayadas
con menor carga poseen una densidad relativa mayor antes del ensayo,
entonces es de esperar que la probeta ensayada a 9,81 N/cm2 presente una
curva esfuerzo de corte versus deformación lateral relativa con una
pendiente muy marcada inicialmente llegando a un punto máximo y luego
descendiendo hasta estabilizarse en un valor constante. Por lo anterior,
debiese ocurrir algo muy similar con las probetas ensayadas bajo las
presiones de 19,62 y 29,43N/cm2, con la diferencia que los puntos máximos
no tendrían que ser tan explícitos como en el caso anterior. Finalmente la
probeta ensayada con la presión normal de 4kg/cm2, pudiese mostrar un
comportamiento similar a los anteriores, o mostrarse como un suelo de baja
densidad donde la pendiente inicial de la curva no está bien definida, ni
tampoco su punto máximo antes de alcanzar los valores constantes de
esfuerzo de corte.
Ilustración 63: Gráfico Esfuerzo de Corte vs DLR a la arena ensayada.
0
5
10
15
20
25
30
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2
)
Tensión Normal (N/cm2)
4kg/cm2 -DR 70%
3kg/cm2 -DR 79%
2kg/cm2 -DR 78%
1kg/cm2 -DR 80%
144
Como se observa en la ilustración 64, el comportamiento del suelo es
tal cual se indicó, aunque lo ideal para determinar el ángulo de rozamiento
interno de este tipo de suelo hubiera sido realizar todos los ensayos a la
misma densidad relativa.
Ilustración 64: Gráfico Deformación Vertical vs DLR a la arena ensayada
Al comparar estos datos en el gráfico de deformación vertical-
desplazamiento lateral relativo, observamos que la curva perteneciente al
ensayo bajo la presión de confinamiento de 9,81N/cm2, es la que presenta
mayor densidad, ya que al comienzo del ensayo la muestra se comprime
hasta aproximadamente el 5% de DLR y luego comienza a expandirse hasta
estabilizarse en un valor superior al inicial.
Las muestras ensayadas bajo presiones de confinamiento de 29,43 y
19,62N/cm2 denotan un comportamiento muy similar al anterior en un
comienzo, pero posteriormente no comienzan a expandirse sino que se
mantienen constantes hasta aproximadamente un 11% de DLR y
posteriormente siguen descendiendo hasta estabilizarse cerca del 18% de
-0,200
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22%
De
sce
nso
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
39,24 N/cm2
29,43 N/cm2
19,62 N/cm2
9,81 N/cm2
145
DLR. Finalmente la muestra ensayada bajo la presión de confinamiento de
39,24 N/cm2 comienza con una disminución de volumen que no se estabiliza
hasta llegar al 19% de DLR. Evidentemente la muestra ensayada bajo 9,81
kg/cm2 presenta un comportamiento dilatante, y la muestra ensayada bajo
4kg/cm2 presenta un comportamiento contractivo, pero las muestras
ensayadas bajo 29,43 y 39,24N/cm2 presentan una combinación de ambos
siendo inicialmente dilatantes y posteriormente contractivas.
Si los ensayos se hubiesen realizado con el mismo grado de
densificación hubiese sido posible obtener distintos ángulos de rozamiento
interno en función del desplazamiento lateral relativo. La utilidad esto es
obtener los parámetros de diseño de estructuras (Φ, c), acotados dentro de
un rango de tolerancia en función del tipo de proyecto. Dicho de otra forma,
si la intolerancia máxima es de un 5% de desplazamiento lateral relativo, los
valores a obtener en un ensayo de corte directo corresponderán a los valores
obtenidos en un 5% de deformación lateral relativa, y con estos se graficará
la curva intrínseca del suelo.
Pero, éste no es el caso, pues las probetas no fueron conformadas a
la misma densidad, aunque si es posible calcular el ángulo de rozamiento
interno residual del suelo; éste ángulo es independiente del grado de
densificación del suelo ya que toma los valores de corte alcanzados al final
del ensayo, cuando las curvas esfuerzo de corte-deformación lateral relativa
se vuelven constantes y paralelas al eje de las abscisas. En este caso los
valores constantes se alcanzan alrededor del 19% de deformación lateral
relativa.
Los resultados de los ensayos se presentan en las siguientes tablas
146
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0000 0,000 0,000 0,000 0%
0,7711 7,711 0,292 0,096 0%
1,6015 16,015 1,097 0,270 1%
2,0560 20,560 2,175 0,380 2%
2,3195 23,195 3,333 0,477 3%
2,4675 24,675 4,530 0,530 5%
2,5246 25,246 5,745 0,573 6%
2,5735 25,735 6,964 0,617 7%
2,5949 25,949 8,197 0,659 8%
2,6198 26,198 9,438 0,685 9%
2,6511 26,511 10,647 0,719 11%
2,6528 26,528 11,895 0,775 12%
2,6565 26,565 13,125 0,812 13%
2,6505 26,505 14,359 0,869 14%
2,6495 26,495 15,611 0,929 16%
2,6519 26,519 16,851 0,961 17%
2,6511 26,511 18,091 0,987 18%
2,6514 26,514 19,331 0,998 19%
Tabla 23: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 39,24 N/cm2.
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0274 0,274 0,003 0,005 0%
0,5200 5,200 0,157 0,039 0%
1,4543 14,543 0,867 0,149 1%
1,9944 19,944 1,925 0,221 2%
2,2030 22,030 3,085 0,265 3%
2,2995 22,995 4,303 0,260 4%
2,2855 22,855 5,560 0,252 6%
2,2530 22,530 8,056 0,239 8%
2,2145 22,145 9,292 0,258 9%
2,1985 21,985 10,556 0,280 11%
2,1797 21,797 11,790 0,312 12%
2,1512 21,512 14,283 0,376 14%
2,1344 21,344 15,520 0,424 16%
2,1121 21,121 16,772 0,471 17%
2,0810 20,810 18,048 0,501 18%
2,0803 20,803 18,986 0,503 19%
2,0795 20,795 19,793 0,508 20%
Tabla 24:Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 29,43 N/cm2.
147
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0127 0,127 0,258 0,028 0%
0,6264 6,264 0,746 0,126 0%
1,2119 12,119 1,908 0,185 2%
1,4562 14,562 2,955 0,228 3%
1,5492 15,492 4,111 0,267 4%
1,5802 15,802 5,309 0,274 5%
1,5643 15,643 6,534 0,260 6%
1,5208 15,208 7,786 0,240 8%
1,4767 14,767 9,039 0,219 9%
1,4874 14,874 10,301 0,218 10%
1,4773 14,773 11,537 0,227 11%
1,4805 14,805 12,779 0,274 13%
1,4892 14,892 14,030 0,318 14%
1,4952 14,952 15,278 0,340 15%
1,4914 14,914 16,497 0,374 16%
1,4926 14,926 17,747 0,381 17%
1,4862 14,862 18,997 0,395 19%
1,4938 14,938 20,247 0,397 20%
Tabla 25: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 19,62 N/cm2.
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0304 0,304 0,307 0,004 0%
0,2854 2,854 0,899 0,083 1%
0,7725 7,725 1,959 0,181 2%
1,0121 10,121 3,138 0,233 3%
1,0835 10,835 4,326 0,277 4%
1,1213 11,213 5,557 0,262 6%
1,0812 10,812 6,786 0,209 7%
1,0092 10,092 8,039 0,138 8%
0,9468 9,468 9,303 0,091 9%
0,8905 8,905 10,554 0,047 11%
0,8683 8,683 11,801 0,024 12%
0,8631 8,631 13,029 0,009 13%
0,8542 8,542 14,284 -0,011 14%
0,8503 8,503 15,535 -0,029 16%
0,8457 8,457 16,764 -0,036 17%
0,8501 8,501 17,385 -0,043 17%
0,8508 8,508 18,837 -0,045 19%
0,8506 8,506 19,991 -0,047 20%
Tabla 26: Registro de Datos para Corte Directo de Arena, ensayo a 9,81 N/cm2.
148
Al extraer los datos de la tabla y graficarlos se obtiene la siguiente
curva intrínseca para este tipo de suelo:
Ilustración 65: Curva Intrínseca para Arena.
Como es posible observar, en este ensayo se obtiene una cohesión
igual a 2,682 N/cm2, lo que equivale aproximadamente a 0,27 kg/cm2, que
para efectos prácticos se desprecia, ya que los suelos granulares no poseen
cohesión. Se obtiene además de esta curva el ángulo de fricción interno del
suelo, y queda definido por la ecuación de la curva intrínseca:
τ σn · 0,6112 + 2,682
Donde el ángulo ϕ queda definido por la función arco tangente
(0,6112), y adopta el valor de 31,43º.
Al comparar este valor de ángulo de fricción interno con los valores
presentados en la tabla uno podemos corroborar el valor obtenido con los
valores referenciales para las arenas limosas, ya que estas, dependiendo de
su estado de densidad, varían entre 28° y 34°.
2,682
y = 0,6112x + 2,682 R² = 0,9994
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50
Esfu
erz
o d
e C
ort
e N
/cm
2
Tensión Normal N/cm2
149
Otro aspecto analógico que es posible realizar con éste resultado es la
comparación con el SPT realizado al suelo de fundación para el Puente Las
Minas, del proyecto Costanera del Estrecho.
En la ilustración se observa el resultado de uno de los sondajes
realizados en este sector, aunque presenta el inconveniente que los primeros
estratos corresponden a rellenos en el terreno. Aún así, desde los 3m de
profundidad encontramos un terreno apto para realizar la comparación.
Ilustración 66: Ensayo SPT al suelo del Puente Las Minas.
150
Se debe tener presente que los estratos donde se analizará el SPT
son estratos de mayor profundidad que de donde se extrajo material para
realizar los ensayos de Corte Directo, por lo tanto el confinamiento será
mayor, y a su vez el número de golpes que se hubiesen registrado si los
datos se hubiesen obtenido desde estratos superficiales.
El número de golpes para los estratos inmediatamente inferiores a 3 m
corresponde a 29, 24 y 25 golpes, que según la tabla 2correspondería a un
suelo con un ángulo de fricción entre 30º y 36º, rango en el cual se encuentra
el ángulo de rozamiento obtenido.
5.3. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A UN LIMO ARCILLOSO.
Este ensayo se aplicó a un suelo típico de la región llamado mazacote.
El inconveniente de trabajar con éste tipo de suelo es que aún no ha sido
definido, por lo tanto no se sabe a ciencia cierta qué es el mazacote. Todavía
no existe un conceso en ésta temática, pero se habla de la existencia de tres
tipos, que básicamente varían en su color (azul, verde y gris). El suelo
utilizado para realizar éste ensayo es del tipo gris, aunque no se encontraba
en estado puro, sino que mezclado con arena, lo que significa que
posiblemente el suelo no sea mazacote sino Til, que es otro suelo muy
parecido al mazacote que se diferencia básicamente en que la porción
plástica de suelo se encuentra mezclada con partículas de mayor tamaño de
forma angulosa. Como el fin de este trabajo de titulación no es definir los
criterios para caracterizar éstos materiales, se dejarán los datos recopilados
de éste suelo a libre disposición para que cada quien interprete los
resultados de la manera que mejor estime.
151
Las muestras de éste material fueron extraídas desde una calicata
ubicada en la ciudad de Punta Arenas, en las cercanías de la Av. Eduardo
Frei, entre las calles Manuel Aguilar y General del Canto, en el sector Santos
Mardones.
La estratigrafía de la calicata es la siguiente:
Ilustración 67: Estratigrafía Calicata Santos Mardones
El suelo fue extraído aproximadamente a los 2m de profundidad, bajo
la napa freática. El método de extracción fue mediante la inserción de tubos
de PVC de 110mm de diámetro y 0,3 m de largo directamente en el suelo,
extrayéndolos posteriormente con el material a ensayar en su interior.
- 0,00 m
- 0,20 m
- 1,20 m
Napa freática.
- 1,80 m
- 2,30 m
MAT. VEGETAL
ARCILLA
COLOR CAFÉ CON PLASTICIDAD
COMPACIDAD ALTA
OLOR TERREO
LIMO ARCILLOSO COMPACIDAD ALTA
COLOR GRIS OLOR TERREO
PLASTICIDAD MEDIA
152
Debido a la cohesión de este el suelo, hubo que presionar la parte
superior de los tubos de PVC con la pala de una retroexcavadora, para evitar
que los tubos se rompieran durante el proceso se colocó su parte superior
una placa de madera para distribuir la presión uniformemente en la superficie
del tubo. Para la extracción de estos tubos, fue necesario utilizar nuevamente
la pala de la retroexcavadora, este proceso requiere de un operador
calificado con experiencia, pues de no ser así los tubos pudiesen haber sido
deformados o rotos.
El material dentro de los tubos fue extraído y cortado "en rodajas" de 3
cm de espesor aproximadamente, las que posteriormente se utilizaron para
moldear las probetas con el cortador metálico de 6 x 6 centímetros. El
almacenamiento y montaje dentro de la caja de corte fue exactamente igual
que en el suelo arcilloso. El siguiente paso fue el cálculo de la velocidad de
corte a través del t90, la curva de consolidación se presenta a continuación.
Ilustración 68: Curva de Consolidación para el Mazacote Santos Mardones.
0
1
2
3
4
5
6
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Des
cen
so (
mm
)
Raiz cuadrada del tiempo (mm1/2)
Curva de Consolidación para el Mazacote Santos Mardones
153
Cálculo de t90 y determinación de la velocidad de ensayo:
En este caso también se utilizó el método de Taylor34, trazando la
recta tangente (de color verde) a la curva de consolidación vs. Raíz del
tiempo, el valor registrado en este caso al interceptar el eje de las Abscisas
es 1,95 min1/2. Este valor a ser multiplicado por el factor 1,15 nos entrega el
valor que da origen a la recta azul, y el igual a 2, 24 min1/2.
Al igual que en el caso anterior, en la intersección de la recta azul con
la curva de consolidación, se traza una recta vertical de color naranja cuyo
valor de intersección con el eje de las Abscisas, entrega la raíz cuadrada del
t90 (1,75min1/2). El de t90 equivale a 3,06 min.
Siguiendo los mismos pasos que en el caso de las arcillas, con las
mismas constantes, y considerando que la falla se produce a los 10 mm, se
tiene que la velocidad de corte es de 0,27951 mm/min. Esta velocidad nos
asegura que no se producen presiones de poro pero para aumentar la
certeza, fue disminuida 0,2 mm/min.
Las cargas utilizadas para realizar este ensayo equivalen a las cargas
utilizadas en el ensayo de corte directo para las arenas, es decir, partiendo el
primer ensayo en 4 kg/cm2(39,24 N/cm2), y disminuyendo 1 kg/cm2(9,81
N/cm2) en los tres ensayos siguientes.
En este ensayo se tomará como punto de falla el 15% del
desplazamiento lateral relativo, lo que equivale a decir que la recta intrínseca
se conformará con los valores del esfuerzo de corte correspondientes a dicho
valor.
Las condiciones para éste ensayo son las que señala la norma ASTM
D 3080, ensayos de corte directo bajo condiciones consolidadas y drenadas.
34
El mismo método utilizado en la curva de consolidación del suelo arcilloso.
154
Los resultados de los ensayos se presentan las siguientes tablas:
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de Corte (N/cm2)
Desplazamiento Horizontal (mm)
Deformación Vertical (mm)
Desplazamiento Lateral Relativo
0,0159 0,442 0,017 0,009 0%
0,4462 12,394 0,693 0,156 1%
0,5835 16,208 1,421 0,281 2%
0,6208 17,243 1,778 0,301 3%
0,6636 18,433 2,613 0,380 4%
0,7023 19,508 3,000 0,428 5%
0,7450 20,694 3,807 0,500 6%
0,7642 21,228 4,212 0,536 7%
0,8066 22,406 5,017 0,613 8%
0,8247 22,908 5,406 0,640 9%
0,8394 23,317 6,219 0,687 10%
0,8448 23,467 6,625 0,710 11%
0,8578 23,828 7,425 0,752 12%
0,8659 24,053 7,838 0,780 13%
0,8801 24,447 8,643 0,801 14%
0,8807 24,464 9,052 0,826 15%
0,8752 24,311 9,454 0,844 16%
0,8631 23,975 10,275 0,873 17%
0,8647 24,019 11,088 0,884 18%
0,8666 24,072 11,490 0,892 19%
Tabla 27: Registro de Datos para Corte Directo del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 39,24 N/cm
2.
El esfuerzo de corte correspondiente al 15% de desplazamiento lateral
relativo para una presión de confinamiento 39,24 N/cm2, es de 24.464N/cm2.
155
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0189 0,525 0,010 0,004 0%
0,3028 8,411 0,309 0,067 1%
0,4056 11,267 0,968 0,184 2%
0,4915 13,653 1,749 0,277 3%
0,5263 14,619 2,382 0,304 4%
0,5314 14,761 2,742 0,332 5%
0,5516 15,322 3,631 0,389 6%
0,5589 15,525 4,097 0,458 7%
0,5691 15,808 4,522 0,535 8%
0,5889 16,358 5,350 0,639 9%
0,6002 16,672 5,771 0,673 10%
0,6180 17,167 6,572 0,742 11%
0,6301 17,503 7,386 0,787 12%
0,6368 17,689 7,797 0,827 13%
0,6502 18,061 8,614 0,871 14%
0,6546 18,183 9,018 0,893 15%
0,6485 18,014 9,848 0,930 16%
0,6447 17,908 10,241 0,943 17%
0,6310 17,528 11,061 0,965 18%
Tabla 28: Registro de Datos para Corte Directo del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 29,43 N/cm
2.
El esfuerzo de corte correspondiente al 15% de desplazamiento lateral
relativo para una presión de confinamiento de 29,43 N/cm2, es de 18,183
N/cm2.
156
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0316 0,878 0,006 0,017 0%
0,2172 6,033 0,511 0,148 1%
0,3028 8,411 1,243 0,307 2%
0,3225 8,958 1,651 0,373 3%
0,3709 10,303 2,444 0,421 4%
0,3800 10,556 2,786 0,441 5%
0,4000 11,111 3,620 0,510 6%
0,4183 11,619 4,432 0,593 7%
0,4300 11,944 4,842 0,629 8%
0,4528 12,578 5,658 0,699 9%
0,4598 12,772 6,048 0,728 10%
0,4635 12,875 6,460 0,747 11%
0,4634 12,872 7,273 0,775 12%
0,4661 12,947 8,075 0,813 13%
0,4683 13,008 8,488 0,830 14%
0,4704 13,067 9,291 0,860 15%
0,4717 13,103 9,715 0,870 16%
0,4729 13,136 10,103 0,885 17%
0,4715 13,097 10,523 0,895 18%
0,4708 13,078 10,924 0,905 18%
Tabla 29: Registro de Datos para Corte Directo del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 19,62 N/cm
2.
El esfuerzo de corte correspondiente al 15% de desplazamiento lateral
relativo bajo una presión de confinamiento igual a19,62 N/cm2, equivale a
13,067 N/cm2.
157
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,0049 0,136 0,007 0,000 0%
0,1027 2,853 0,304 0,045 1%
0,1488 4,133 1,063 0,160 2%
0,1831 5,086 1,859 0,279 3%
0,1900 5,278 2,680 0,333 4%
0,1950 5,417 3,052 0,344 5%
0,2146 5,961 3,879 0,403 6%
0,2210 6,139 4,279 0,415 7%
0,2250 6,250 4,692 0,422 8%
0,2305 6,403 5,103 0,447 9%
0,2399 6,664 5,933 0,490 10%
0,2460 6,833 6,752 0,520 11%
0,2465 6,847 7,152 0,528 12%
0,2472 6,867 7,568 0,542 13%
0,2510 6,972 8,363 0,568 14%
0,2529 7,025 8,777 0,578 15%
0,2563 7,119 9,584 0,585 16%
0,2569 7,136 10,002 0,590 17%
0,2603 7,231 10,810 0,596 18%
Tabla 30: Registro de Datos para Corte Directo del Mazacote Santos Mardones, ensayo a 9,81 N/cm
2.
El esfuerzo de corte correspondiente al 15% de desplazamiento lateral
relativo bajo una presión de confinamiento igual a 9,81 N/cm2, es de7,025
N/cm2.
158
Al superponer todos los valores correspondientes al esfuerzo de corte
obtenidos en los cuatro ensayos, con respecto al desplazamiento lateral
relativo, obtenemos el siguiente gráfico:
Ilustración69: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote Santos Mardones.
Se observa en el gráfico que partir del 15% de desplazamiento lateral
relativo los valores esfuerzo de corte comienzan a volverse constantes.
Con los valores de esfuerzo de corte en el 15% del desplazamiento
lateral relativo, obtenidos en el análisis previo, es posible dibujar la curva
intrínseca del este suelo. Como se observa en la ilustración 67, éste suelo
posee una cohesión de 1,3264 N/cm2, y su curva intrínseca queda definida
por la siguiente ecuación:
τ σn · 0,5854 + 1,3264
0
5
10
15
20
25
30
0% 5% 10% 15% 20%
Esfu
ero
de
Co
rte
(N
/cm
2)
Desplazamiento Lateral Relativo
39,24 N/cm2
26,43 N/cm2
19,62 N/cm2
9,81 N/cm2
159
Ilustración70: Curva Intrínseca del Mazacote Santos Mardones.
Al aplicar el arco tangente a 0,5854, obtenemos el valor del ángulo de
rozamiento interno de este suelo, que equivale a 30,3°, un valor demasiado
alto para un suelo fino pero es que si se analiza en conjunto con su
granulometría, se justifica por su contenido de fracción gruesa (arena,
gravilla). Aún así, el valor calculado se encuentra dentro de los parámetros
presentados en la tabla 1.
Por otro lado, al graficar el descenso de la muestra v/s el
desplazamiento lateral relativo, se observa el mismo fenómeno encontrado
en la arcilla de baja plasticidad. Al observar la ilustración 68, se puede notar
que el descenso en el ensayo con menor carga no es tan notorio como en los
tres con mayores cargas, y que estos últimos son prácticamente iguales. La
explicación a esto es exactamente la misma que en el caso de la arcilla de
baja plasticidad.
1,3264
y = 0,5854x + 1,3264 R² = 0,9986
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50 60
Ten
sió
n d
e C
ort
e N
/cm
2
Esfuerzo Normal N/cm
160
Ilustración71: Descenso de las probetas del Mazacote Santos Mardones con respecto al DLR.
5.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO A MAZACOTE (CERECO).
Este ensayo, al igual que caso anterior, también fue aplicado al
“mazacote”, la diferencia radica en que éste material no está mezclado con
arena y fue extraído desde un recinto aledaño a CERECO, ubicado en las
cercanías de Río de los Ciervos.
En el ensayo realizado en este caso es del tipo residual (más de un
corte), y el método de extracción fue el mismo utilizado en el caso anterior a
excepción de la utilización de palas en vez de retroexcavadora.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,00% 5,00% 10,00% 15,00% 20,00%
De
sce
nso
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
39,24 N/cm2
26,43 N/cm2
19,62 N/cm2
9,81 N/cm2
161
Ilustración 72: Inserción del tubo de PCV en el suelo.
Ilustración 73: Tubo de PVC enterrado completamente en el suelo a extraer.
162
Al ser probetas inalteradas, se utilizó la misma metodología aplicada
para el limo arcilloso en su confección.
Cálculo de t90 y determinación de la velocidad de ensayo:
Ilustración 74: Curva de Consolidación del Mazacote CERECO.
Al igual que en el caso anterior se utilizó el método de Taylor, trazando
la recta tangente (de color verde) a la curva de consolidación vs. Raíz del
tiempo, el valor registrado en este caso al interceptar el eje de las Abscisas
es 9,1 min1/2. Este valor a ser multiplicado por el factor 1,15 nos entrega el
valor que da origen a la recta azul, y el igual a 10,47 min1/2.
Al igual que en el caso anterior, en la intersección de la recta azul con
la curva de consolidación, se traza una recta vertical de color naranja cuyo
valor de intersección con el eje de las Abscisas, entrega la raíz cuadrada del
t90 (8,45 min1/2). El t90 equivale a 71,40 min.
0
1
2
3
4
5
6
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00
Des
cen
so (
mm
)
Raiz Cuadrada del tiempo (min1/2)
Curva de Consolidación del Mazacote
163
Siguiendo los mismos pasos que en el caso de las arcillas, con las
mismas constantes, y considerando que la falla se produce a los 12 mm, se
tiene que la velocidad de corte es de 0,01439 mm/min. Esta velocidad nos
asegura que no se producen presiones de poro. EL valor será redondeado a
0,014 mm/min.
Las cargas utilizadas en este ensayo serán tres: 4 kg/cm2 (39,24
N/cm2), 2 kg/cm2 (19,62 N/cm2), y 1 kg/cm2 (9,81 N/cm2).
En este ensayo, al ser un ensayo de corte residual, la falla estará
determinada por la última resistencia que alcance el suelo.
Debido a que la velocidad de corte es demasiado lenta, y a que este
ensayo es sólo demostrativo, se realizarán sólo 2 ciclos, sin embargo, en el
equipo de corte directo del Laboratorio Austro-Umag, es posible realizar
hasta 9 ciclos.
Las condiciones para éste ensayo son las que señala la norma ASTM
D 3080, ensayos de corte directo bajo condiciones consolidadas y drenadas.
Los registros de datos se presentan a continuación:
164
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,000 0,000 0,000 0,000 0,00%
0,115 3,181 0,017 0,004 0,03%
0,256 7,117 0,128 0,039 0,21%
0,354 9,833 0,303 0,057 0,51%
0,405 11,261 0,567 0,113 0,95%
0,460 12,767 0,858 0,146 1,43%
0,498 13,839 1,124 0,205 1,87%
0,534 14,819 1,401 0,262 2,34%
0,560 15,561 1,700 0,302 2,83%
0,582 16,161 1,983 0,321 3,31%
0,601 16,697 2,268 0,366 3,78%
0,609 16,925 2,581 0,382 4,30%
0,615 17,075 2,861 0,388 4,77%
0,620 17,225 3,153 0,400 5,26%
0,626 17,392 3,426 0,419 5,71%
0,635 17,633 3,717 0,451 6,20%
0,636 17,667 4,025 0,465 6,71%
0,639 17,750 4,311 0,477 7,19%
0,645 17,928 4,597 0,503 7,66%
0,002 0,064 4,597 0,798 7,66%
0,203 5,642 4,824 0,873 8,04%
0,313 8,703 5,058 0,904 8,43%
0,368 10,233 5,330 0,926 8,88%
0,455 12,636 5,580 0,951 9,30%
0,522 14,508 5,849 0,962 9,75%
0,622 17,289 6,387 0,978 10,65%
0,659 18,300 6,669 0,984 11,12%
0,683 18,975 7,222 1,002 12,04%
0,692 19,231 7,524 1,008 12,54%
0,693 19,253 7,816 1,013 13,03%
0,693 19,236 8,102 1,017 13,50%
0,692 19,225 8,400 1,020 14,00%
0,692 19,225 8,993 1,023 14,99%
0,692 19,225 9,573 1,027 15,96%
0,683 18,972 10,154 1,031 16,92%
Tabla 31: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, ensayo a 39,24 N/cm2.
165
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,000 0,000 0,000 0,000 0,00%
0,135 3,753 0,245 0,046 0,41%
0,177 4,925 0,491 0,102 0,82%
0,208 5,767 0,781 0,176 1,30%
0,231 6,411 1,070 0,201 1,78%
0,248 6,892 1,345 0,249 2,24%
0,258 7,178 1,643 0,287 2,74%
0,269 7,469 1,926 0,318 3,21%
0,279 7,750 2,228 0,352 3,71%
0,289 8,031 2,509 0,389 4,18%
0,293 8,131 2,812 0,406 4,69%
0,298 8,283 3,113 0,424 5,19%
0,306 8,497 3,397 0,443 5,66%
0,311 8,644 3,689 0,474 6,15%
0,315 8,756 3,978 0,504 6,63%
0,318 8,844 4,274 0,509 7,12%
0,320 8,892 4,557 0,531 7,60%
0,320 8,881 4,859 0,534 8,10%
0,319 8,850 5,142 0,550 8,57%
0,323 8,972 5,437 0,560 9,06%
0,322 8,933 5,713 0,572 9,52%
0,083 2,317 5,912 0,911 9,85%
0,150 4,169 6,163 0,935 10,27%
0,198 5,508 6,423 0,946 10,71%
0,234 6,503 6,711 0,969 11,19%
0,286 7,953 7,263 0,976 12,11%
0,306 8,508 7,545 0,981 12,58%
0,312 8,672 7,830 0,983 13,05%
0,328 9,122 8,409 0,984 14,02%
0,339 9,414 8,691 0,984 14,49%
0,342 9,486 8,991 0,984 14,99%
0,341 9,464 9,280 0,984 15,47%
0,341 9,461 9,563 0,985 15,94%
0,340 9,444 9,874 0,985 16,46%
0,339 9,428 10,158 0,987 16,93%
Tabla 32: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, ensayo a 19,62 N/cm2.
166
Carga Horizontal (kN)
Esfuerzo de
Corte (N/cm2)
Desplazamiento
Horizontal (mm)
Deformación
Vertical (mm)
Desplazamiento
Lateral Relativo
0,000 0,000 0,000 0,000 0,00%
0,017 0,464 0,400 0,121 0,67%
0,037 1,036 0,665 0,166 1,11%
0,051 1,417 0,954 0,222 1,59%
0,064 1,775 1,241 0,277 2,07%
0,074 2,042 1,517 0,311 2,53%
0,080 2,231 1,809 0,334 3,02%
0,085 2,367 2,111 0,390 3,52%
0,090 2,494 2,406 0,407 4,01%
0,093 2,575 2,688 0,429 4,48%
0,097 2,681 2,974 0,457 4,96%
0,100 2,769 3,274 0,492 5,46%
0,103 2,858 3,699 0,539 6,17%
0,111 3,083 3,999 0,555 6,67%
0,111 3,092 4,291 0,566 7,15%
0,111 3,081 4,575 0,582 7,63%
0,112 3,108 4,867 0,590 8,11%
0,113 3,147 5,158 0,604 8,60%
0,112 3,117 5,456 0,625 9,09%
0,114 3,175 5,740 0,639 9,57%
0,116 3,208 5,884 0,640 9,81%
0,011 0,314 5,884 1,001 9,81%
0,022 0,622 6,019 1,009 10,03%
0,041 1,144 6,296 1,024 10,49%
0,058 1,611 6,586 1,032 10,98%
0,071 1,978 6,866 1,041 11,44%
0,085 2,353 7,151 1,042 11,92%
0,095 2,647 7,430 1,049 12,38%
0,104 2,894 7,724 1,053 12,87%
0,111 3,092 8,010 1,053 13,35%
0,112 3,111 8,294 1,060 13,82%
0,113 3,139 8,720 1,070 14,53%
0,116 3,222 9,502 1,081 15,84%
0,118 3,278 10,090 1,089 16,82%
Tabla 33: Registro de Datos para Corte Directo de Mazacote CERECO, ensayo a 9,81 N/cm2
167
Al superponer todos los valores correspondientes al esfuerzo de corte
obtenidos en los cuatro ensayos, con respecto al desplazamiento lateral
relativo, obtenemos el siguiente gráfico:
Ilustración 75: Esfuerzo de corte vs DLR en el Mazacote CERECO.
Se observa del grafico que el primer ciclo del ensayo realizado a 39,24
N/cm2 es de menor desplazamiento que el de las otras dos muestras, aunque
el segundo ciclo es de mayor longitud y compensa esta desigualdad.
Al promediar las últimas resistencias es posible obtener la siguiente
tabla resumen:
Presión de confinamiento (N/cm2) Esfuerzo de Corte (N/cm")
39,24 19,153
19,62 9,452
9,81 3,25
Al graficar los datos obtenidos se obtiene que el ángulo de fricción (Φ)
es igual a 28,09º, aplicando la misma metodología expuesta anteriormente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0% 5% 10% 15% 20%
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2
)
Tensión Normal (N/cm2)
9,81 N/cm2
19,62 N/cm2
39,24 N/cm2
168
Ilustración 76: Curva intrínseca del Mazacote CERECO.
Al observar el siguiente gráfico observamos un comportamiento similar
de las muestras bajo diferentes cargas, aunque además es posible observare
que la muestra continúa su consolidación producto del desplazamiento en
reversa de la caja de corte durante el en ensayo.
Ilustración 77: Descenso de las probetas del Mazacote CERECO con respecto al DLR.
y = 0,5338x - 1,6005 R² = 0,9959
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Esfu
erz
o d
e C
ort
e (
N/c
m2
)
Presión de Confinamiento (N/cm2)
Curva Intrínseca
0
0
0
1
1
1
1
0% 5% 10% 15% 20%
De
sce
nso
(m
m)
Desplazamiento Lateral Relativo
9,81 N/cm2
19,62 N/cm2
39,24 N/cm2
169
CONCLUSIONES
El objetivo principal de este trabajo fue cumplido ya que el equipo de
corte directo del Departamento de Ingeniería en Construcción está operativo
y de acuerdo a la normativa existente.
El equipo fue reseteado, solucionando el problema del firmware.
Se fabricó el soporte del transductor vertical faltante.
Se calibró cada componente con un instrumento de referencia.
Se realizaron ensayos de prueba para verificar el correcto
funcionamiento.
Se cumplió con el objetivo de generar un manual de uso para el
equipo de Corte Directo, ya que:
En ésta tesis se dedica el capítulo II a describir las funciones de
éste.
Se dedica el capítulo III a establecer una metodología adecuada
para realizar ensayos en él, según la norma ASTM 3080.
Además, se presentan ensayos modelos en el capítulo V de éste
trabajo.
Dentro del capítulo de ensayos modelo, se presentan los resultados
que confirman el cumplimiento del tercer objetivo específico, pues:
Se obtuvo el ángulo de fricción Interno (Φ)y la Cohesión (C) de los
suelos de Konaiken, CERECO y otros sectores de Punta Arenas.
170
Se obtuvo el ángulo de fricción Interno (Φ)de un suelo granular del
borde costero de la ciudad.
Además, se corroboró la funcionalidad del ensayo de Corte Residual,
ya que el último ensayo realizado fue a un suelo plástico, al cual se le
aplicaron dos ciclos de corte, obtenido resultados válidos y confirmando el
estudio de algunos suelos al someterlos a cargas cíclicas.
Los resultados obtenidos se detallan en la siguiente a continuación:
Suelo Tipo de ensayo Ángulo Φ Cohesión
Suelo Konaiken CD 33,9º -
Suelo Arena CD 31,33º -
Mazacote Santos Mardones CD 30,3º 1,32N/cm2
Mazacote CERECO Residual CD 28,09º -
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BIBLIOGRAFÍA ASTM. (1998). D 2216 Method for Laboratory Determination of Water (Moisture) Content of
Soil and Rock.
ASTM. (2003). D 2435 Test Method for One Dimensional Consolidation Properties of Soils.
ASTM. (2000). D 2487 Test Method for Classification of Soils for Engineering Purposes.
ASTM. (2003). D 3080 Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under
Consolidated Drained Conditions.
ASTM. (2000). D 4318 Test Method for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.
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Crepo Villalaz, C. (2004). Mecánica de Suelos y Cimentaciones (5 ed.).
Gonzalez de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., & Otero, C. (2004). Ingeniería Geologica.
Juárez Baillo, E., & Rico Rodríguez, A. (1973). Mecánica de Suelos.
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GRANULOMETRÍAS A LOS SUELOS ENSAYADOS.
Identificación
Identificación Muestra SUELO
KONAIKEN ARENA
MAZACOTE SANTOS
MARDONES
MAZACOTE CERECO
Clasificación
U.S.C.S. CL SP-SM CH CL
AASHTO A-4 (8) A1-a (0) A-7-6 (22) A-4 (6)
Granulometría
Tamiz % en Peso que Pasa
[mm] [ASTM]
80 3” 100% 100% 100% 100%
63 2 ½” 100% 97,86% 100% 100%
50 2” 100% 91,26% 100% 100%
40 1 ½” 100% 87,61% 100% 100%
25 1” 100% 81,17 100% 100%
20 ¾” 100% 73,23 100% 100%
10 3/8” 100% 64,91% 100% 100%
5 Nº4 100% 54,43% 100% 100%
2 Nº10 99,88% 29,31% 99,98% 99,7%
0.5 Nº40 98,57% 15,95% 99,91% 98,7%
0.08 Nº200 88,77% 5,84% 70,11% 93,5%
Sobretamaño en 3” [%] - - - -
Limite Líquido [%] 30% - 54% 26,6%
Limite Plástico [%] 20% - 22% 18,3%
Índice de Plasticidad
[%] 10% NP 32% 8,3%