Geotecnia 1 parte_vi

GEOTECNIA I
Año Académico 2015-2016
Dr. Lorenzo Borselli
Instituto de Geología
Fac. De Ingeniería, UASLP
lborselli@gmail.com
www.lorenzo-borselli.eu
Geotecnia I (2015/2016) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.6 Last update 11 -11-2015

Parte VI
resistencia al corte de los
Geomateriales
Objetivo: fundamentos de la teoría de la resistencia al
corte de geomateriales naturales y artificiales. Las pruebas
de laboratorio y sus interpretación. Ámbito de aplicación :
diseño de cimentaciones, estabilidad de taludes y
estructuras de contención

Resistencia al corte de geomateriales
Suelos
Rocas
Macizo rocosos
Las resistencia al corte de los
geomateriales se puede definir
como la resistencia hasta ruptura
que se desarrolla en superficies o
planos interno al material ..
Esta resistencia depende da una
Muchísimos de factores geológicos ,
estructural , físicos e químicos
Rocas
suelos
Macizo
rocoso

Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas
Esfuerzo cortante
y resistencia al corte
(shear strength)

Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas

Resistencia al corte y
su significado físico
Resistencia
friccional
Cuando el
esfuerzo cortante
supera el limite
de resistencia
cortante las
partículas se
mueven la una
respecto a la
otras secundo un
a superficie de
mínima
resistencia

Fricción y ángulo de fricción f
Es equivalente a el ángulo que
la resultante R tiene con la
dirección de la fuerza normal
Aplicada.
En términos de presión el
valor limite de resistencia al
deslizamiento está relacionado
en modo linear al producto
de a la tangente de f por el
esfuerzo normal aplicado

Principio de fricción en el deslizamiento de un cuerpo arriba de un plano inclinado

Suelo granular cementado y potencial
superficie de ruptura entre los gránulos
Desarrollo de fuerza tangenciales y
normales al punto de contacto de
partículas del suelo

Resistencia cohesiva
t
sn=0
A la resistencia friccional se junta una componente que se manifiesta
in manera directa cuando valores de presión normal son cerca de cero
En este caso , con esfuerzo normal =0, toda la resistencia tangencial es sostenida da
esta “COHESION “
Resistencia
al corte
fst tannc 
Ecuación de Coulomb

Resistencia al corte
en términos de stress
eficaz
'tan'' fst nc 
Ecuación de Coulomb

Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz
0'
0'
0lim



ts n
c
Hay resistencia la corte cerca de cero en condiciones de estrés eficaz normal
cerca de cero . Esto por suelos gruesos no -cohesivos .
Suelos gruesos no -cohesivos

Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz
''
0'
0lim
c
c
n 


ts
Tal vez Hay resistencia al corte >0 también en condiciones de
estrés eficaz normal cerca de cero . Esto por suelos finos
cohesivos .
Suelos finos cohesivos .

Resistencia cohesiva
Limo Arcilla
Limo arcilla
La resistencia cohesiva ésta
relacionada a la presencia de
Varios tipos de enlace físico y
químico entre las partículas
solidas de suelos y rocas
La cohesión ésta
macroscópicamente
relacionada con la plasticidad y
la capacitad de remodelar una
muestra de suelo

Resistencia al corte en suelos
Suelos fino y arcillosos:
Efecto minerales arcillosos y
contenido de agua
Suelos gruesos y Angulo de
fricción Dependiendo del
índice de vacíos e. Estos
suelos (casi) no tienen
cohesión

Direct shear box

Direct shear cell
Para rocas en sitio

Diferentes Pruebas (3 o mas) de corte directo con presión normal creciente,
registrando la deformación tangencial hasta ruptura y mas allá ..
1ns
1ns
t
t
2ns
2ns
t
3ns
3ns
t
321 nnn sss 
Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo
(direct shear box). Con Las parejas de puntos ( , ) que corresponden a las
condiciones de stress de pico a ruptura y residuales se hace un grafico y que se usa
Previa una interpolación linear de estos puntos la determinación del ángulo de f
ricion interna de pico y residual , y se a caso de la intercepta de Cohesión C
2ns
1ns
3ns
nst
pf rf
pf
rf

Curva general de la
condiciones al borde
de ruptura
Mohr-Culoumb
criterio de ruptura

Mohr-Culoumb
criterio de ruptura

Tipos de curvas y Materiales:
Coesivos (a) , no cohesivos (b),
Rocas y suelos (c),
Ruptura con Deformación frágil
y dúctil (d) ,
Angulo de fricción de pico y
residual (e).
Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Rocas
muestras
intactas
Rocas fracturadas
Arcillas, suelos finos
Suelos gruesos
Angulo de fricción
interna y cohesión de
suelos y rocas

…..Otra tabla por geomateriales no cohesivos (suelos gruesos)
N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos > 30 grados

Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación ,
textura y densidad en un suelo grueso

Valores de ángulo de fricción en función de la densidad(seca) y densidad relativa
en suelos gruesos

…… Otra tabla por suelos cohesivos
Valores de ángulo de fricción
y cohesión dependiendo de
cantidad de gruesos en
suelos finos
N.B.: la mayoría de lo s
materiales tiene ángulos
< 30 grados

Valores de ángulo de fricción(de pico y residual en función de el
índice de plasticidad del suelo por suelos de origen sedimentaria
(la mayoría de los casos) y suelos con contenido de coloides
(minerales arcillosos) en condiciones amorfa (no cristalina) (allofhanic soils)

Superficie de ruptura en le suelo debida a shear stress (microscopio electrónico )

Resistencia al corte
en rocas y macizos rocos

Corte
Traccion
Compression

Resistencia al corte en
discontinuidad
Efecto microscópico
i= angulo de
dilatancia
Rugosidad de las
superficies de
discontinuidad

Resistencia al corte en
discontinuidad
Efecto microscópico
i= angulo de
dilatancia

Criterio de Barton (1985) y Patton (1966)
para resistencia al corte en discontinuidad
JRC = coeficiente adimensional de rugosidad )
JCS = resistencia compresión uniaxial en
la superficie de la discontinuidad ( Mpa)
sn= presión normal a la superficie de
discontinuidad
fb = ángulo de fricción basal (o residual)
Barton (1985)
Patton (1966)
Tabla de JCR

Criterio de Barton (1985) y Patton
1966 para resistencia al corte en
discontinuidad.
Valuación de JRC por medición de
rugosidad

Tilt test y fórmula para calcular el ángulo de fricción basal

Ángulos de fricción basal de diferentes tipos de rocas

Clasificación
aberturas
discontinuidades /fracturas

Curvas de deformación rupturas per rocas intactas y en rocas con discontinuidades

ROCAS

Fill (relleno de
discontinuidad )
Roca intacta
Resistencia al corte de material de
rellenos de discontinuidades en rocas
roptura
Geotecnia I (2015/2016) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli
Versión 1.6 Last update 11 -11-2015

Resistencia al corte de macizos rocosos
Macizo rocoso: Conjunto roca intacta y
discontinuidad

La resistencia al corte de un
macizo rocosos está relacionada
Al tipo de rocas, dimensión de
los elementos intactos, densidad
y características de las rocas de
fracturas, nivel de intemperismo
de las rocas, presión del agua y
circulación.
Clasificación macizo rocoso
Parámetros geomecanicos
E y f y c’

Modelo de clasificaciones tratados en la parte II:
• RMR (rock mass rating, Beniawski (1989) - parte II (pag 33-44)
• GSI (geological strenght index , Hoek 1994, 2002, 2006) – (pag 46-57)
RMR
RMR= suma de puntuación de 5 factores
La suma de estos factores es entre 0 y 100
Parámetros base la clasificación:
• Resistencia a compresión simple de la roca
intacta
• RQD
• Espaciamiento de discontinuidades
• Condición de las discontinuidades
• Condiciones de agua subterránea
• Orientación de discontinuidades
Revisar en la parte II
como obtener el
índice RMR

E = 2 * RMR − 100GPa (para RMR>50)
E = 10(RMR − 10) / 40
Correlación
El RMR está correlacionado empíricamente con
el módulo de Young del macizo rocoso roca:

fc’
Parámetros de resistencia al corte da clasificación RMR de un macizo rocoso

Roclab 1.0 viejo ma excelente freware software da:
http://download.rocscience.com (ahora ya no esta disponible freeware)
Clasificación GSI (Hoek, 1994; Hoek et al. 1995;Hoek et al. 2002)
El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades
geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones
geológicas de campo.
Las observaciones se basan en la apariencia del macizo a
nivel de estructura y a nivel de condición de la superficies
de la discontinuidades.
A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de
alteración que sufren las rocas, discontinuidad que existe
entre ellas.
Por las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si
ésta esta alterada, si ha sufrido erosión o que tipo de textura
presenta, y el tipo de alteración existente
Revisar en la
parte II
como
obtener el
índice GSI

Roclab 1.0 software freeware :
http://download.rocscience.com

Paso 1 - evaluar la estructura de
un macizo rocoso

Paso 2 - indicar la resistencia a la
Compresión uniaxial de
la roca intacta

Paso 3 - indicar el tipo
litologico

Paso 4 - indicar el factor
de disturbo

Parametros
macizo rocoso
Valore finales

Parámetros mecánicos desde RMR y GSI
Diferencias fundamentales :
1) RMR permite de evaluar parámetros aproximados y estáticos
2) GSI permite de evaluar parámetros dinámicos, ósea que dependen da el
Estado tensional de cada especifico lugar (ejemplo en superficie o en
profundidad ) de un macizo rocoso .
3) En este sentido GSI permite de asociar a casa punto un particular modelo
non linear de círculos de Mohr

Comparación valores
tabla beniawski (RMR) y
datos experimentales
De resistencia al corte
En macizo rocos
non saturados
y saturados
Se observa que los
valore según la tabla
Beniawski (RMR) sobra
estiman de mucho
El ángulo de ficción y
la cohesión.

Estima rápida de valores de Angulo de fricción interna y de cohesión de
macizo rocoso con modelo GSI
Nota: el coeficiente mi depende del tipo litológico (se vean los apuntes en parte II)

Fracción
ee Resistencia
compresión
uniaxial macizo
rocoso y de la
roca
Intacta..
Dependiendo
del tipo de
clasificación
de macizo
Rocoso
(Hoek 2004)
c
cm
s
s

Unidad 2
Unidad 1
Unidad 2: estructura con
alto nivel de disturbo y muy
poca interconexión entre
bloques, que se encuentran
muy fragmentados y alterados
GSI =20-10
Unidad 1: estratos y bloques
angulares con muchas familias
de discontinuidades. Medio
Nivel de alteración de la
superficies.
GSI =45-35
Ejemplo Clasificación GSI

Resistencia al corte: pruebas de laboratorio
1. Prueba corte directo
2. Prueba triaxial
3. Prueba compresión uniaxial

Direct shear box
O prueba de corte
directo

Corte directo
Condiciones básica de prueba :
Suelos gruesos o granulares
La densidad relativa del suelo
grueso afecta el grafico en
el plano tau-épsilon
(deformación horizontal )

Construcción de curvas de ruptura con direct shear box
Suelos grueso (no cohesivo)
Suelo finos

Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación ,
textura y densidad en suelos gruesos

Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad
de gruesos en suelos finos cohesivos

Prueba triaxial
Equipo de prueba

Stress deviatoricoStress principales
También se pude medir siempre , y en cada momento
la presión de poros u adentro el ensayo

Ensayos con su deformación final al termine de la prueba

Condicione s de Prueba Triaxial
Hay tres tipos principales de test
1) CD test (consolidado drenado)
Fase A: se incrementa
la presión vertical y lateral
incrementando la presión
de poros sin drenaje
Fase B) se aplica uno stress
deviatorico y se
permite el drenaje y la
consolidacion

CD test arcilla
sobra consolidada
CD test suelos árenos
y arcilla normal
consolidada

2) CU test (consolidado no drenado)
Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral
incrementando la presión de poros con drenaje
permitiendo la consolidacion
Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta
ruptura
En cada momento esta posible
Conocer el stress totale y el stress eficaz

3) UU test (no consolidado -no drenado)
Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral
incrementando la presión de poros sin drenaje
Entonces non permitiendo la consolidacion
Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta
ruptura
Análisis en stress totales

Construcion de graficos en prova triaxial

Video acerca de la Prova Triaxial CD:
https://www.youtube.com/watch?v=ogLO2Ac7Oig

Prueba de compresión
uniaxial no confinada
(arcillas saturadas )
Nota bien: no hay presión de
confinamiento lateral
Sigma3 =0

pruebas en sitio para medición o estima
de resistencia al corte
Pruebas
en sitio

Prueba VST
(Vane shear test)

Pruebas en sitio

Vane test
Insertado en suelos finos y
Arcillosos. Y la resistencia la corte
en condiciones de no drenaje se
Calcula con:
3
7
6
d
T
cu



T es el torque
(momento de la fuerza ) que se
aplica para iniciar el movimiento

Cone penetration test CPT-CPTU (ASTM D-5778)

Cone penetration test
CPT-CPTU
CPTU con punta electrica

Cone penetration test
CPT-CPTU
(ASTM D-5778)

CPTU punta eléctrica
http://geosystems.ce.gatech.edu/Faculty/May
ne/Research/misc/CPTu%20Animation.pps
Animacion prueba CPTU

CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final )

CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final)

CPTU punta eléctrica
Clasificación de tipo de suelos con dato de prueba en sitio CPTU

CPT derivación parámetros de
Resistencia al corte en caso de
suelos gruesos y no cohesivos
En el ejemplo se estiman
phi=34 grados

CPT derivación parámetros de
Resistencia al corte por suelos (no cohesivos y cohesivos )
Suelos Cohesivos
Suelos NO Cohesivos

Standard penetration test - SPT

Standard
penetration test – SPT
Recuperación y
inspección muestra
Mostrador y punta de prueba SPT

Standard penetration test
(SPT)
Correlaciones SPT y parámetros
de resistencia al corte por suelos
gruesos

Arenosos medio fino

Arenosos gruesos

Cohesivos arcillosos

Standard penetration test
SPT
Correlaciones SPT y
parámetros
de resistencia al corte por
suelos
Cohesivos arcillosos y
limosos arcillosos

Comparación pruebas en sitio

Rocas-pruebas en sitio
Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)
Schmidt’s Hammer para medición de la
resistencia a la compresión uniaxial de
rocas y concreto: aplicación en rocas.

Rocas pruebas en sitio
Schmidt’s Hammer detaille equipo

Schmidt’s Hammer:
Evaluación de UCS por medio de
numero de rebotes medidos
(correlaciones experimentales..)
10 20 30 40 50 60 70 80 90
1
10
100
UCS(MPa)
N (Corrected rebound number)
UCS=0.0137 N 2.2721
Shmidt's Hammer -- UCS by N (Kihc & Teymen 2008)

Schmidt’s Hammer:
Evaluación de
modulo de Young
Por medio de
numero de rebotes
medidos
(correlaciones
experimentales..)

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