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PRÁCTICA N°03:
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ASTM D3080-90
INDICE
I) INTRODUCCIÓN:
……………………………………………………………………..……..(3)
II) OBJETIVOS: ……………………………………………………………………………(3)
III) MATERIALES:
…………..………………………………………………………………. (4)
IV) MARCO TEÓRICO:
……………………………………………………………………….…. (6)
ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS……………………………. (6)
V) PROCEDIMIENTO:
…………………………………………………………………….…….(12)
VI) CALCULOS.
........................................................................................................(14)
VII) RESULTADOS: ………………………………..…………………………………..……..(10)
VIII) CONCLUSIONES: ………………………………………………………………..…….….(12)
IX) BIOGRAFÍA: ………………………………………………..………….……………..(12)
I. INTRODUCCION
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 2
La evaluación de la resistencia al esfuerzo normal y cortante
del suelo, permite cuantificar parámetros necesarios para
solucionar problemas relacionados con la resistencia del terreno,
que nos permite analizar problemas de la estabilidad de suelos
tales como: el estudio de estabilidad de taludes para carreteras,
la determinación de la capacidad de soporte en cimentaciones, la
presión lateral sobre estructuras de retención de tierras.
En presente informe de laboratorio realizado por nosotros,
alumnos de la Universidad particular de Chiclayo la Escuela
Académico Profesional de Ing. Civil, en donde presentamos uno
de los tres ensayos para determinar la resistencia al esfuerzo
cortante de suelo, como es el ensayo de corte directo que es un
ensayo más preciso que el ensayo de compresión simple pero
poco menos que el ensayo de compresión triaxial, pero su estudio
es indispensable ya que los resultados son aproximados y nos
pueden dar una idea del comportamiento de suelo al ser sometido
a esfuerzos(cortante y normal), a continuación aremos un ensayo
con un tipo de suelo utilizando este tipo de ensayo y
observaremos los resultados.
II. OBJETIVOS.
GENERAL.
 Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del
suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo.
ESPECIFICOS.
 Determinar el ángulo de fricción interna.
 Determinar la cohesión.
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 3
III. QUIPOS Y MATERIALES
a) Equipo de Corte
b) Caja de Corte ( Mitad superior e inferior, placa superior, placa inferior,
tornillos de seguridad)
Mitad Superior e inferior
Placa Superior
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 4
Placa inferior
Tornillos de seguridad
c) Equipo compactador
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 5
d) Molde
e) Cronómetro
f) Deformímetro
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 6
g) Espátula
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 7
IV. MARCO TEORICO.
ESFUERZO CORTANTE EN SUELOS
Resistencia al corte de un suelo
Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la
capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo
contra un muro de contención.
Ecuación de falla de Coulomb (1776)
Coulomb observó que si el empuje de un suelo contra un muro produce un
desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de
deslizamiento. Él postuló que la máxima resistencia al corte, 𝜏𝑓, en el plano de
falla, está dada por:
𝜏𝑓 = 𝑐 + 𝜎 𝑡𝑔 𝜑 − − − − − − − (1)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝜎 = 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎.
𝜑 = 𝐸𝑠 𝑒𝑙 á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑗𝑒𝑚𝑝𝑙𝑜, 𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎)
𝑐 = 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑗𝑒𝑚𝑝𝑙𝑜, 𝑎𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎).
Esta es una relación empírica y se basa en la Ley de Fricción de Amonton para
el deslizamiento de dos superficies planas, con la inclusión de un término de
cohesión c para incluir la Stiction propia del suelo arcilloso. En los materiales
granulares, c = 0 y por lo tanto:
𝜏𝑓 = 𝜎 𝑡𝑔 𝜑 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑟 − − − − − − − − − −(2)
Contrariamente, en suelos puramente cohesivos, 𝜑 = 0, luego:
𝜏𝑓 = 𝑐 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖𝑣𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑜 − − − − − − − − − −(3)
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 8
Pero la ecuación (1) no condujo siempre a resultados satisfactorios, hasta que
Terzagui publica su expresión 𝜎 = 𝜎’ + 𝑈 con el principio de los esfuerzos
efectivos (el agua no tiene cortante). Entonces:
𝜏𝑓 = 𝑐 ‘ + 𝜎’ 𝑡𝑔 𝜑’ − − − − − − − − − − − − − −(4)
Aparato de corte directo
Puesto que la resistencia al cortante depende de los esfuerzos efectivos, en el
suelo los análisis deben hacerse en esos términos, involucrando c’ y φ’, cuyos
valores se obtienen del ensayo de corte directo: Aplicando al suelo una fuerza
normal, se puede proceder a cizallarlo con una fuerza cortante. El movimiento
vertical de la muestra se lee colocando un deformímetro en el bastidor superior.
El molde no permite control de drenaje, que en el terreno pueden fallar en
condiciones de humedad diversas (condición saturada no drenada, parcialmente
drenadas o totalmente drenadas), para reproducir las condiciones de campo se
programa la velocidad de aplicación de las cargas. En arenas, como el drenaje
es libre, el ensayo se considera drenado.
Valores característicos del ángulo de fricción de algunos suelos:
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 9
Aplicaciones de los valores obtenidos en el ensayo de corte directo:
 El ensayo de cizalladura directa es adecuado para la determinación
relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales
drenados y consolidados. Debidoa que las rayectorias de drenaje a través
de la muestra son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros
sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El
ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados
o compactados.
 Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al
corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa
consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre
lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de
presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos
pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de
consolidación y la resistencia a la cizalladura en condiciones drenadas.
 Durante el ensayo de cizalladura hay rotación de los esfuerzos
principales, lo que puede o no corresponder a las condiciones de campo.
Aun más, la ruptura puede no ocurrir en un plano de debilidad, puesto que
ella tiene que ocurrir cerca a un plano horizontal en la parte media del
especimen. La localización fija del plano de ruptura en el ensayo puede
ser una ventaja en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de
planos reconocidamente débiles dentro del material del suelo y para
analizar las interfases entre materiales diferentes.
 El intervalo de los esfuerzos normales, la velocidad de deformación y las
condiciones generales del ensayo deben ser seleccionada s para reflejar
las condiciones especificas del suelos que se está investigando.
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 10
V. PROCEDIMIENTO.
PARA SUELO NO COHESIVO
1. Se procede a pesar la muestra de arena (seca o mojada) con el contenido
de humedad conocido con exactitud, para lograr realizar 3 ensayos a la
misma densidad.
2. Armar con cuidado la caja de corte, para no tener alguna separación entre
la caja y los tornillos de empalme, fijar la caja en posición. Obtener la
sección transversal de la muestra.
3. Colocar cuidadosamente la arena en la caja de corte hasta cerca de 5 mm
4. Se aplica la carga vertical y se coloca el dial para determinar el
desplazamiento vertical (se debe incluir el peso del pistón de carga y la
mitad superior de la caja de corte en el peso). Para ensayos consolidados,
registrar en el dial el desplazamiento vertical y comenzar el ensayo, solo
cuando el asentamiento ha parado. Para suelos no cohesivos esto puede
hacerse a partir de la aplicación de Pv.
5. Separar dos partes de la caja de corte desplazando los tornillos
espaciadores en se encuentran en la parte superior de la caja de corte. El
espacio desplazado debería ser ligeramente superior (al ojo) que el
tamaño más grande de partículas presentes en la muestra.
A continuación se debe fijar el bloque de carga apretando los tornillos de
fijación provistos para tal propósito a los lados de la parte superior de la
caja de corte. Inmediatamente después separar los tornillos espaciadores
de manera que se libere la parte inferior de la caja de corte; en este
momento la carga normal, la mitad de la carga de la caja de corte, y el
bloque o pistón de carga se encuentran actuando sobre la muestra de
suelo.
6. Ajustar el deformímetro de carátula (0.01 mm/división) para medir el
desplazamiento en cortante.
7. Para ensayos Saturados, saturar la muestra llenando la caja de corte y
permitiendo transcurrir suficiente tiempo para que tenga lugar la
saturación. Asegurarse de que las piedras porosas que se encuentran en
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 11
la caja de corte estén saturadas si el suelo al ensayarse contiene alguna
humedad.
8. Comenzar la carga horizontal y tomar lecturas del deformímetro de carga,
del deformímetro de desplazamiento cortante, y del deformímetro vertical
(cambio de volumen). Si el ensayo es de tipo deformación unitaria
controlada, se deben tomar esas lecturas ha desplazamientos
horizontales de: 5,10 y cada 10 ó 20 unidades de desplazamiento
horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0. A no
más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria más rápidas,
pues existe el peligro de que se presente pico de carga cortante entre dos
lecturas. La tasa de deformación unitaria debería ser tal que la muestra
“falle” entre 3 y 5 minutos.
9. Retirar la arena de la caja de corte y repetir los pasos del 1 al 8 sobre por
lo menos dos muestras adicionales y a una densidad dentro de los 5g y
no más de 10g respecto a la cantidad de suelo usada en el primer ensayo.
Asegurarse de que la arena ocupe el mismo volumen utilizando las
marcas de referencia del paso 3. En el paso 4 usar un valor diferente de
Pv para cada ensayo (se sugiere doblar la carga exterior, por ejemplo: 4,
8,16 Kg mas el peso del bloque o pistón de carga para estos tres ensayos
ó 5, 10,20 Kg, etc.)
PARA SUELO COHESIVO
1. Moldear cuidadosamente tres muestras de mismo tamaño y en lo posible
de la misma densidad, tomadas de una muestra de bloque grande, o de
una muestra de tubo. Utilizar un anillo cortante de manera que el tamaño
pueda ser controlado. Cualquier muestra con un peso apreciablemente
diferente de las otras muestras debe descartarse y en su lugar moldear
otra muestra.
2. Retroceder la separación y el agarre de los tornillos guía en la parte
superior de la caja de corte y ensamblar las dos partes. Asegurarse de
que las piedras porosas están saturadas a menos que se vaya a ensayar
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 12
un suelo seco. Medir las dimensiones de la caja de corte para calcular el
área de la muestra.
3. Colocar cuidadosamente la muestra dentro de la caja de corte. La muestra
debe ajustar perfectamente en la caja y llenarla hasta cerca de 5 mm de
la parte superior de la caja de corte. Colocar el bloque o pistón de carga
en su sitio sobre el suelo, la carga normal P y ajustar el deformímetro de
carátula vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el
deformímetro vertical igual que para el ensayo de consolidación para
determinar cuando la consolidación haya terminado.
4. Separar cuidadosamente las mitades de la caja de corte dejando una
pequeña separación apenas mayor que el tamaño de la partícula más
grande que presente el suelo, retroceder los tornillos de separación y
empalmar la cabeza de carga en un sitio utilizando los tornillos.
Asegurarse de que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso
del bloque de carga y la mitad superior de la caja de corte. Tener cuidado
al separar la caja de corte cuando se ensaya arcillas blandas porque parte
del material puede salir de la caja por la zona de separación, utilizar en
estos casos cargas verticales pequeñas.
5. Colocar el deformímetro de deformación cortante, fijar en cero ambos
deformímetros. Para ensayos saturados en necesario llenar la caja de
corte con agua y esperar un tiempo hasta que se produzca la saturación
de la muestra.
6. Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del
deformímetro de carga, desplazamiento de corte y desplazamientos
verticales (de cambio de volumen). Si el ensayo se hace a deformación
unitaria controlada tomar estas lecturas al desplazamientos horizontales
de 5, 10 y cada 10 ó 20 unidades del deformímetro de desplazamiento
horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0.5-2
mm/min.
7. Remover el suelo y tomar una muestra para contenido de humedad.
Repetir los pasos del 2 al 6 para dos muestras adicionales.
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 13
VI. CÁLCULOS:
Ensayo 1:
Datos y cálculos:
Proyecto: UNC
Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO
Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso
Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010
Muestra N°: C.D.1 Hecho por: El Grupo
 Datos de muestra
Lado (cm): 6
Altura (cm): 2
Area (cm²): 36
Vm (cm³): 72
Vel. de carga
(mm/min):
0.5
 Carga Normal:
Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604
Pb (Percha de carga) (kg) 2
Pv (kg) 20.604
 Tabla de deformaciones:
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 14
Tiempo
(min)
Desplaz. Hz
(cm)
Area Corr.
(cm²)
Def. Carga
(N° Div)
Fza. Corte
(kg)
Esf. Cort.
(kg/cm²)
0 0 36 0 0 0
0.500 0.025 35.850 32.000 14.284 0.398
1.000 0.050 35.700 50.000 22.319 0.625
1.500 0.075 35.550 71.500 31.916 0.898
2.000 0.100 35.400 97.000 43.299 1.223
2.500 0.125 35.250 120.000 53.565 1.520
3.000 0.150 35.100 140.500 62.716 1.787
3.500 0.175 34.950 158.000 70.528 2.018
4.000 0.200 34.800 173.000 77.224 2.219
4.500 0.225 34.650 184.000 82.134 2.370
5.000 0.250 34.500 188.000 83.919 2.432
5.500 0.275 34.350 162.000 72.313 2.105
6.000 0.300 34.200 118.500 52.896 1.547
De la gráfica podemos obtener:
Ilustración 1: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 15
𝜏 𝑢 = 2.5
Ensayo 2:
Datos y cálculos:
Proyecto: UNC
Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO
Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso
Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010
Muestra N°: C.D.2 Hecho por: El Grupo
 Datos de muestra
Lado (cm): 6
Altura (cm): 2
Area (cm²): 36
Vm (cm³): 72
Vel. de carga
(mm/min):
0.5
 Carga Normal:
Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604
Pb (Percha de carga) (kg) 4
Pv (kg) 40.604
 Tabla de deformaciones:
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 16
Tiempo
(min)
Desplaz. Hz
(cm)
Area Corr.
(cm²)
Def. Carga
(N° Div)
Fza. Corte
(kg)
Esf. Cort.
(kg/cm²)
0.0 0 36 0 0 0.000
0.5 0.025 35.850 19.500 8.704 0.243
1.0 0.050 35.700 30.000 13.391 0.375
1.5 0.075 35.550 60.050 26.805 0.754
2.0 0.100 35.400 101.500 45.307 1.280
2.5 0.125 35.250 141.000 62.939 1.786
3.0 0.150 35.100 174.000 77.670 2.213
3.5 0.175 34.950 190.900 85.214 2.438
4.0 0.200 34.800 159.500 71.197 2.046
Ilustración 2: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 17
De la gráfica podemos obtener:
𝜏 𝑢 = 2.45
Ensayo 3:
Datos y cálculos:
Proyecto: UNC
Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO
Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso
Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010
Muestra N°: C.D.3 Hecho por: El Grupo
 Datos de muestra
Lado (cm): 6
Altura (cm): 2
Area (cm²): 36
Vm (cm³): 72
Vel. de carga
(mm/min):
0.5
 Carga Normal:
Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604
Pb (Percha de carga) (kg) 6
Pv (kg) 60.604
 Tabla de deformaciones:
Tiempo
(min)
Desplaz.
Hz
(cm)
Area
Corr.
(cm²)
Def.
Carga
(N° Div)
Fza.
Corte
(kg)
Esf. Cort.
(kg/cm²)
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 18
0.0 0 36 0 0 0.000
0.5 0.025 35.850 25.000 11.159 0.311
1.0 0.050 35.700 49.500 22.096 0.619
1.5 0.075 35.550 55.000 24.551 0.691
2.0 0.100 35.400 78.400 34.996 0.989
2.5 0.125 35.250 104.000 46.423 1.317
3.0 0.150 35.100 128.500 57.360 1.634
3.5 0.175 34.950 153.000 68.296 1.954
4.0 0.200 34.800 181.000 80.795 2.322
4.5 0.225 34.650 212.000 94.632 2.731
5.0 0.250 34.500 249.000 111.148 3.222
5.5 0.275 34.350 284.500 126.995 3.697
6.0 0.300 34.200 317.000 141.502 4.137
6.5 0.325 34.050 350.000 156.233 4.588
7.0 0.350 33.900 380.000 169.624 5.004
7.5 0.375 33.750 400.000 178.552 5.290
8.0 0.400 33.600 406.300 181.364 5.398
De la gráfica podemos obtener:
𝜏 𝑢 = 5.5
Ilustración 3: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 19
 Datos de muestra el esfuerzo cortante Vs Esfuerzo Normal en cada
ensayo
ENSAYO NORMAL CORTANTE
1 0.572 2.5
2 1.128 2.45
3 2.239 5.5
Ilustración 4: Muestra el esfuerzo cortante Vs Esfuerzo Normal
De la gráfica podemos obtener:
 Ángulo de fricción interna
∅ = 39º
 Cohesión:
𝐶 = 0.5 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
C
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL
MECANICADE SUELOS II Página 20
Interpretación de resultados:
 El valor que hemos obtenido para el ángulo de fricción es un valor muy
característico para este tipo de suelo, que puede alcanzar hasta 45º y
en casos excepcionales sobrepasarlo
 La cohesión obtenida es relativamente baja, pero se encuentra dentro
de los valores característicos para este suelo: 0.25 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
−
1.5 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
VII. CONCLUCIONES.
 Se logro determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad
portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo.
 Se logro determinar el ángulo de fricción interna que es de 39º.
 Se logro determinar la cohesión que es de 0.5 kg/cm2.
VIII. BIBLIOGRAFIA.
 Manual de laboratorio de Ing. Marco Hoyos Saucedo.
 Salvador Ricardo – Montero Juan Carlos, Manual de Ensayos de
Mecánica de Suelos, 200.
 Das Braja M., Soil Mechanics Laboratory Manual, 1997.
 Lambe T. William – Whitman Robert V., Mecánica de Suelos, Instituto
Tecnológico de Massachusetts, 1994.

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Ensayo de corte directo

  • 1. PRÁCTICA N°03: ENSAYO DE CORTE DIRECTO ASTM D3080-90 INDICE I) INTRODUCCIÓN: ……………………………………………………………………..……..(3) II) OBJETIVOS: ……………………………………………………………………………(3) III) MATERIALES: …………..………………………………………………………………. (4) IV) MARCO TEÓRICO: ……………………………………………………………………….…. (6) ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS……………………………. (6) V) PROCEDIMIENTO: …………………………………………………………………….…….(12) VI) CALCULOS. ........................................................................................................(14) VII) RESULTADOS: ………………………………..…………………………………..……..(10) VIII) CONCLUSIONES: ………………………………………………………………..…….….(12) IX) BIOGRAFÍA: ………………………………………………..………….……………..(12) I. INTRODUCCION
  • 2. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 2 La evaluación de la resistencia al esfuerzo normal y cortante del suelo, permite cuantificar parámetros necesarios para solucionar problemas relacionados con la resistencia del terreno, que nos permite analizar problemas de la estabilidad de suelos tales como: el estudio de estabilidad de taludes para carreteras, la determinación de la capacidad de soporte en cimentaciones, la presión lateral sobre estructuras de retención de tierras. En presente informe de laboratorio realizado por nosotros, alumnos de la Universidad particular de Chiclayo la Escuela Académico Profesional de Ing. Civil, en donde presentamos uno de los tres ensayos para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de suelo, como es el ensayo de corte directo que es un ensayo más preciso que el ensayo de compresión simple pero poco menos que el ensayo de compresión triaxial, pero su estudio es indispensable ya que los resultados son aproximados y nos pueden dar una idea del comportamiento de suelo al ser sometido a esfuerzos(cortante y normal), a continuación aremos un ensayo con un tipo de suelo utilizando este tipo de ensayo y observaremos los resultados. II. OBJETIVOS. GENERAL.  Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo. ESPECIFICOS.  Determinar el ángulo de fricción interna.  Determinar la cohesión.
  • 3. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 3 III. QUIPOS Y MATERIALES a) Equipo de Corte b) Caja de Corte ( Mitad superior e inferior, placa superior, placa inferior, tornillos de seguridad) Mitad Superior e inferior Placa Superior
  • 4. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 4 Placa inferior Tornillos de seguridad c) Equipo compactador
  • 5. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 5 d) Molde e) Cronómetro f) Deformímetro
  • 6. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 6 g) Espátula
  • 7. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 7 IV. MARCO TEORICO. ESFUERZO CORTANTE EN SUELOS Resistencia al corte de un suelo Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo contra un muro de contención. Ecuación de falla de Coulomb (1776) Coulomb observó que si el empuje de un suelo contra un muro produce un desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de deslizamiento. Él postuló que la máxima resistencia al corte, 𝜏𝑓, en el plano de falla, está dada por: 𝜏𝑓 = 𝑐 + 𝜎 𝑡𝑔 𝜑 − − − − − − − (1) 𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝜎 = 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎. 𝜑 = 𝐸𝑠 𝑒𝑙 á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑗𝑒𝑚𝑝𝑙𝑜, 𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎) 𝑐 = 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑗𝑒𝑚𝑝𝑙𝑜, 𝑎𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎). Esta es una relación empírica y se basa en la Ley de Fricción de Amonton para el deslizamiento de dos superficies planas, con la inclusión de un término de cohesión c para incluir la Stiction propia del suelo arcilloso. En los materiales granulares, c = 0 y por lo tanto: 𝜏𝑓 = 𝜎 𝑡𝑔 𝜑 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑢𝑙𝑎𝑟 − − − − − − − − − −(2) Contrariamente, en suelos puramente cohesivos, 𝜑 = 0, luego: 𝜏𝑓 = 𝑐 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖𝑣𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑜 − − − − − − − − − −(3)
  • 8. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 8 Pero la ecuación (1) no condujo siempre a resultados satisfactorios, hasta que Terzagui publica su expresión 𝜎 = 𝜎’ + 𝑈 con el principio de los esfuerzos efectivos (el agua no tiene cortante). Entonces: 𝜏𝑓 = 𝑐 ‘ + 𝜎’ 𝑡𝑔 𝜑’ − − − − − − − − − − − − − −(4) Aparato de corte directo Puesto que la resistencia al cortante depende de los esfuerzos efectivos, en el suelo los análisis deben hacerse en esos términos, involucrando c’ y φ’, cuyos valores se obtienen del ensayo de corte directo: Aplicando al suelo una fuerza normal, se puede proceder a cizallarlo con una fuerza cortante. El movimiento vertical de la muestra se lee colocando un deformímetro en el bastidor superior. El molde no permite control de drenaje, que en el terreno pueden fallar en condiciones de humedad diversas (condición saturada no drenada, parcialmente drenadas o totalmente drenadas), para reproducir las condiciones de campo se programa la velocidad de aplicación de las cargas. En arenas, como el drenaje es libre, el ensayo se considera drenado. Valores característicos del ángulo de fricción de algunos suelos:
  • 9. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 9 Aplicaciones de los valores obtenidos en el ensayo de corte directo:  El ensayo de cizalladura directa es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debidoa que las rayectorias de drenaje a través de la muestra son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remoldeados o compactados.  Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia a la cizalladura en condiciones drenadas.  Durante el ensayo de cizalladura hay rotación de los esfuerzos principales, lo que puede o no corresponder a las condiciones de campo. Aun más, la ruptura puede no ocurrir en un plano de debilidad, puesto que ella tiene que ocurrir cerca a un plano horizontal en la parte media del especimen. La localización fija del plano de ruptura en el ensayo puede ser una ventaja en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de planos reconocidamente débiles dentro del material del suelo y para analizar las interfases entre materiales diferentes.  El intervalo de los esfuerzos normales, la velocidad de deformación y las condiciones generales del ensayo deben ser seleccionada s para reflejar las condiciones especificas del suelos que se está investigando.
  • 10. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 10 V. PROCEDIMIENTO. PARA SUELO NO COHESIVO 1. Se procede a pesar la muestra de arena (seca o mojada) con el contenido de humedad conocido con exactitud, para lograr realizar 3 ensayos a la misma densidad. 2. Armar con cuidado la caja de corte, para no tener alguna separación entre la caja y los tornillos de empalme, fijar la caja en posición. Obtener la sección transversal de la muestra. 3. Colocar cuidadosamente la arena en la caja de corte hasta cerca de 5 mm 4. Se aplica la carga vertical y se coloca el dial para determinar el desplazamiento vertical (se debe incluir el peso del pistón de carga y la mitad superior de la caja de corte en el peso). Para ensayos consolidados, registrar en el dial el desplazamiento vertical y comenzar el ensayo, solo cuando el asentamiento ha parado. Para suelos no cohesivos esto puede hacerse a partir de la aplicación de Pv. 5. Separar dos partes de la caja de corte desplazando los tornillos espaciadores en se encuentran en la parte superior de la caja de corte. El espacio desplazado debería ser ligeramente superior (al ojo) que el tamaño más grande de partículas presentes en la muestra. A continuación se debe fijar el bloque de carga apretando los tornillos de fijación provistos para tal propósito a los lados de la parte superior de la caja de corte. Inmediatamente después separar los tornillos espaciadores de manera que se libere la parte inferior de la caja de corte; en este momento la carga normal, la mitad de la carga de la caja de corte, y el bloque o pistón de carga se encuentran actuando sobre la muestra de suelo. 6. Ajustar el deformímetro de carátula (0.01 mm/división) para medir el desplazamiento en cortante. 7. Para ensayos Saturados, saturar la muestra llenando la caja de corte y permitiendo transcurrir suficiente tiempo para que tenga lugar la saturación. Asegurarse de que las piedras porosas que se encuentran en
  • 11. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 11 la caja de corte estén saturadas si el suelo al ensayarse contiene alguna humedad. 8. Comenzar la carga horizontal y tomar lecturas del deformímetro de carga, del deformímetro de desplazamiento cortante, y del deformímetro vertical (cambio de volumen). Si el ensayo es de tipo deformación unitaria controlada, se deben tomar esas lecturas ha desplazamientos horizontales de: 5,10 y cada 10 ó 20 unidades de desplazamiento horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0. A no más de 2 mm/min. No utilizar tasas de deformación unitaria más rápidas, pues existe el peligro de que se presente pico de carga cortante entre dos lecturas. La tasa de deformación unitaria debería ser tal que la muestra “falle” entre 3 y 5 minutos. 9. Retirar la arena de la caja de corte y repetir los pasos del 1 al 8 sobre por lo menos dos muestras adicionales y a una densidad dentro de los 5g y no más de 10g respecto a la cantidad de suelo usada en el primer ensayo. Asegurarse de que la arena ocupe el mismo volumen utilizando las marcas de referencia del paso 3. En el paso 4 usar un valor diferente de Pv para cada ensayo (se sugiere doblar la carga exterior, por ejemplo: 4, 8,16 Kg mas el peso del bloque o pistón de carga para estos tres ensayos ó 5, 10,20 Kg, etc.) PARA SUELO COHESIVO 1. Moldear cuidadosamente tres muestras de mismo tamaño y en lo posible de la misma densidad, tomadas de una muestra de bloque grande, o de una muestra de tubo. Utilizar un anillo cortante de manera que el tamaño pueda ser controlado. Cualquier muestra con un peso apreciablemente diferente de las otras muestras debe descartarse y en su lugar moldear otra muestra. 2. Retroceder la separación y el agarre de los tornillos guía en la parte superior de la caja de corte y ensamblar las dos partes. Asegurarse de que las piedras porosas están saturadas a menos que se vaya a ensayar
  • 12. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 12 un suelo seco. Medir las dimensiones de la caja de corte para calcular el área de la muestra. 3. Colocar cuidadosamente la muestra dentro de la caja de corte. La muestra debe ajustar perfectamente en la caja y llenarla hasta cerca de 5 mm de la parte superior de la caja de corte. Colocar el bloque o pistón de carga en su sitio sobre el suelo, la carga normal P y ajustar el deformímetro de carátula vertical. Para un ensayo consolidado es necesario controlar el deformímetro vertical igual que para el ensayo de consolidación para determinar cuando la consolidación haya terminado. 4. Separar cuidadosamente las mitades de la caja de corte dejando una pequeña separación apenas mayor que el tamaño de la partícula más grande que presente el suelo, retroceder los tornillos de separación y empalmar la cabeza de carga en un sitio utilizando los tornillos. Asegurarse de que la carga normal refleje la fuerza normal más el peso del bloque de carga y la mitad superior de la caja de corte. Tener cuidado al separar la caja de corte cuando se ensaya arcillas blandas porque parte del material puede salir de la caja por la zona de separación, utilizar en estos casos cargas verticales pequeñas. 5. Colocar el deformímetro de deformación cortante, fijar en cero ambos deformímetros. Para ensayos saturados en necesario llenar la caja de corte con agua y esperar un tiempo hasta que se produzca la saturación de la muestra. 6. Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del deformímetro de carga, desplazamiento de corte y desplazamientos verticales (de cambio de volumen). Si el ensayo se hace a deformación unitaria controlada tomar estas lecturas al desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 ó 20 unidades del deformímetro de desplazamiento horizontal. Utilizar una tasa de deformación unitaria del orden de 0.5-2 mm/min. 7. Remover el suelo y tomar una muestra para contenido de humedad. Repetir los pasos del 2 al 6 para dos muestras adicionales.
  • 13. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 13 VI. CÁLCULOS: Ensayo 1: Datos y cálculos: Proyecto: UNC Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010 Muestra N°: C.D.1 Hecho por: El Grupo  Datos de muestra Lado (cm): 6 Altura (cm): 2 Area (cm²): 36 Vm (cm³): 72 Vel. de carga (mm/min): 0.5  Carga Normal: Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604 Pb (Percha de carga) (kg) 2 Pv (kg) 20.604  Tabla de deformaciones:
  • 14. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 14 Tiempo (min) Desplaz. Hz (cm) Area Corr. (cm²) Def. Carga (N° Div) Fza. Corte (kg) Esf. Cort. (kg/cm²) 0 0 36 0 0 0 0.500 0.025 35.850 32.000 14.284 0.398 1.000 0.050 35.700 50.000 22.319 0.625 1.500 0.075 35.550 71.500 31.916 0.898 2.000 0.100 35.400 97.000 43.299 1.223 2.500 0.125 35.250 120.000 53.565 1.520 3.000 0.150 35.100 140.500 62.716 1.787 3.500 0.175 34.950 158.000 70.528 2.018 4.000 0.200 34.800 173.000 77.224 2.219 4.500 0.225 34.650 184.000 82.134 2.370 5.000 0.250 34.500 188.000 83.919 2.432 5.500 0.275 34.350 162.000 72.313 2.105 6.000 0.300 34.200 118.500 52.896 1.547 De la gráfica podemos obtener: Ilustración 1: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
  • 15. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 15 𝜏 𝑢 = 2.5 Ensayo 2: Datos y cálculos: Proyecto: UNC Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010 Muestra N°: C.D.2 Hecho por: El Grupo  Datos de muestra Lado (cm): 6 Altura (cm): 2 Area (cm²): 36 Vm (cm³): 72 Vel. de carga (mm/min): 0.5  Carga Normal: Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604 Pb (Percha de carga) (kg) 4 Pv (kg) 40.604  Tabla de deformaciones:
  • 16. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 16 Tiempo (min) Desplaz. Hz (cm) Area Corr. (cm²) Def. Carga (N° Div) Fza. Corte (kg) Esf. Cort. (kg/cm²) 0.0 0 36 0 0 0.000 0.5 0.025 35.850 19.500 8.704 0.243 1.0 0.050 35.700 30.000 13.391 0.375 1.5 0.075 35.550 60.050 26.805 0.754 2.0 0.100 35.400 101.500 45.307 1.280 2.5 0.125 35.250 141.000 62.939 1.786 3.0 0.150 35.100 174.000 77.670 2.213 3.5 0.175 34.950 190.900 85.214 2.438 4.0 0.200 34.800 159.500 71.197 2.046 Ilustración 2: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
  • 17. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 17 De la gráfica podemos obtener: 𝜏 𝑢 = 2.45 Ensayo 3: Datos y cálculos: Proyecto: UNC Ubicación Facultad de Geológica Ensayo: CORTE DIRECTO Perforación: Nº1 Suelo tipo: Arcilloso Profundidad: 2.5 m Fecha: 22/11/2010 Muestra N°: C.D.3 Hecho por: El Grupo  Datos de muestra Lado (cm): 6 Altura (cm): 2 Area (cm²): 36 Vm (cm³): 72 Vel. de carga (mm/min): 0.5  Carga Normal: Pa (Marco y Placa) (kg) 0.604 Pb (Percha de carga) (kg) 6 Pv (kg) 60.604  Tabla de deformaciones: Tiempo (min) Desplaz. Hz (cm) Area Corr. (cm²) Def. Carga (N° Div) Fza. Corte (kg) Esf. Cort. (kg/cm²)
  • 18. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 18 0.0 0 36 0 0 0.000 0.5 0.025 35.850 25.000 11.159 0.311 1.0 0.050 35.700 49.500 22.096 0.619 1.5 0.075 35.550 55.000 24.551 0.691 2.0 0.100 35.400 78.400 34.996 0.989 2.5 0.125 35.250 104.000 46.423 1.317 3.0 0.150 35.100 128.500 57.360 1.634 3.5 0.175 34.950 153.000 68.296 1.954 4.0 0.200 34.800 181.000 80.795 2.322 4.5 0.225 34.650 212.000 94.632 2.731 5.0 0.250 34.500 249.000 111.148 3.222 5.5 0.275 34.350 284.500 126.995 3.697 6.0 0.300 34.200 317.000 141.502 4.137 6.5 0.325 34.050 350.000 156.233 4.588 7.0 0.350 33.900 380.000 169.624 5.004 7.5 0.375 33.750 400.000 178.552 5.290 8.0 0.400 33.600 406.300 181.364 5.398 De la gráfica podemos obtener: 𝜏 𝑢 = 5.5 Ilustración 3: Esfuerzo de Corte - Deformación Horizontal
  • 19. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 19  Datos de muestra el esfuerzo cortante Vs Esfuerzo Normal en cada ensayo ENSAYO NORMAL CORTANTE 1 0.572 2.5 2 1.128 2.45 3 2.239 5.5 Ilustración 4: Muestra el esfuerzo cortante Vs Esfuerzo Normal De la gráfica podemos obtener:  Ángulo de fricción interna ∅ = 39º  Cohesión: 𝐶 = 0.5 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 C
  • 20. RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS ING. CIVIL MECANICADE SUELOS II Página 20 Interpretación de resultados:  El valor que hemos obtenido para el ángulo de fricción es un valor muy característico para este tipo de suelo, que puede alcanzar hasta 45º y en casos excepcionales sobrepasarlo  La cohesión obtenida es relativamente baja, pero se encuentra dentro de los valores característicos para este suelo: 0.25 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 − 1.5 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 VII. CONCLUCIONES.  Se logro determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo.  Se logro determinar el ángulo de fricción interna que es de 39º.  Se logro determinar la cohesión que es de 0.5 kg/cm2. VIII. BIBLIOGRAFIA.  Manual de laboratorio de Ing. Marco Hoyos Saucedo.  Salvador Ricardo – Montero Juan Carlos, Manual de Ensayos de Mecánica de Suelos, 200.  Das Braja M., Soil Mechanics Laboratory Manual, 1997.  Lambe T. William – Whitman Robert V., Mecánica de Suelos, Instituto Tecnológico de Massachusetts, 1994.