Resumen La determinacin del esfuerzo cortante de un testigo de roca es importante en el diseo de estructuras como: taludes de roca, cimentaciones de presas, tneles, piques o chimeneas de minas subterrneas, almacenes subterrneos y otros. Aunque se sabe que la prediccin exacta del comportamiento del macizo rocoso es imposible.Este ensayo consiste bsicamente en someter una muestra de suelo de seccin circular, confinada lateralmente, dentro de una caja metlica, a una carga normal (s) y a un esfuerzo tangencial (), los cuales se aumentan gradualmente hasta hacer fallar a la muestra por un plano preestablecido por la forma misma de la caja (consta de dos secciones, una de las cuales es mvil y se desliza respecto a la otra, que es fija, produciendo el esfuerzo de corte). En el ensayo se determina cargas y deformaciones.

Palabras Clave: Esfuerzo normal, Esfuerzo tangencial, ngulo de friccin, envolvente de coulomb

Abstract The determination of sheer rock a witness is important in the design of structures such as rock slopes, dam foundations, tunnels, shafts or chimneys underground mines and other underground storage. Although it is known that the accurate prediction of rock mass behavior is impossible. This test basically involves submitting a soil sample of circular section, laterally confined within a metal box, a normal load (s) and tangential stress (), which was gradually increased to fail to make the sample a preset level for the same shape of the casing (consisting of two sections, one of which is movable and slid able relative to the other, which is fixed, causing the cutting force). In test loads and deformations is determined.

Keywords: normal effort, tangential effort, angle of friction, coulomb envelope.

ENSAYO CORTE DIRECTODaniel Andrs Perdomo Quintero Cd. xxxxxx_____________________________Jerson Rincn Can. Cd., 215230, ____________________________________Andrs Camilo Vargas Cruz Cd. xxxxxx _________________________________IntroduccinCuando en un suelo fino saturado se presentan incrementos de carga, las presiones de poros aumentan y el volumen del suelo disminuye lentamente mientras que el agua drena y se disminuye esta presin. Este proceso es estudiado en el laboratorio mediante el ensayo de Consolidacin Unidimensional o Compresin Confinada para suelos.

En el aparato de corte directo se intenta conseguir la rotura de una muestra segn un plano predeterminado, con el fin de poder conocer experimentalmente los parmetros de cohesin y ngulo de rozamiento que nos definen la resistencia del suelo granular.En el presente informe se busca predecir el comportamiento ante consolidacin de un suelo fino, al cimentar cualquier tipo de estructura sobre este. La construccin de obras civiles sobre suelos arcillosos y/o limosos, generan procesos de carga y descarga, que generalmente sufren asentamientos a largo plazo debido a las propiedades mecnicas del suelo..

Ahora, podemos ver que el estudio de los asentamientos en cualquier estructura cimentada en el suelo, el tiempo en que esta ocurre y el conocimiento del comportamiento mecnico del suelo, es muy importante para poder predecir como va a ser la respuesta del suelo ante este fenmeno durante la construccin de la obra y su vida til.

ObjetivoDeterminar la magnitud de la consolidacin de una muestra de suelo cuando se confina lateralmente y se permite el drenaje en la direccin de la carga (Axialmente), sometindola a incrementos de carga controlados en un tiempo estandarizado (Norma INVIAS INV E-151).Materiales y metodologa3.1 Materialesy Equipos.

3.1.1 Muestra de suelo ya preparada.3.1.2 Dispositivos de carga.3.1.3 Consolidmetro: es parte del permemetro y se usa para permitir el flujo libre del agua.3.1.4 Cortador cilndrico: se utiliza para tallar la muestra hasta el dimetro interior del anillo del consolidmetro.3.1.5 Balanza.3.1.6 Horno: para poder tomar el valor de la humedad de la muestra de suelo.3.1.7 Deformmetro: con este se podr medir el cambio de espesor de la muestra.3.1.8 Cronmetro: se utiliza para medir en diferentes tiempos el asentamiento que se sucede en la muestra.3.1.9 Recipientes: se utilizan para calcular el contenido de humedad de la muestra.

3.2 Metodologa.

Para empezar, se determin el peso, la altura y el dimetro del anillo, as como el peso de la piedra porosa que fueron colocados sobre la muestra. Luego se tom una muestra inalterada de suelo. Esta muestra se tall dentro del anillo aprovechando los bordes cortantes que posee facilitando de esta manera el proceso. Del suelo sobrante, se tomaron muestras representativas las cuales se usaron para determinar la humedad natural, gravedad especfica de los slidos y los lmites de Atterberg.

Sobre cada cara de la probeta, se coloc un papel filtro y sobre ste, cada una de las piedras porosas saturadas, que se ajustaban dentro del anillo. Este conjunto se llev al consolidmetro, y luego ste consolidmetro se coloc en el dispositivo de carga cuya relacin de brazo se tom de 1:10.

Se inici el proceso de carga con 0,5 kg, bajo la condicin de que en cada incremento de carga, esta deba ser duplicada. La muestra se carg hasta alcanzar un valor de 24 kg en el brazo.

Para cada incremento de carga se tomaron los valores de deformacin antes de la nueva carga y los valores de deformacin para los siguientes tiempos (dados en minutos y segundos), luego de la aplicacin de sta: 0:0, 0:04, 0:15, 0:34, 1:00, 1:34, 2:15, 3:04, 4:00, 6:15, 9:00, 12:15, 16:00, 25:00, 36:00, 49:00, y 64:00. Al completar el ciclo de carga se inici el de descarga, el cual se realiz en forma proporcional a la carga (es cada caso se quit la mitad de la carga que se encontraba en el brazo).

Con los valores de gravedad especifica, humedad natural y lmites de Atterberg, se calcul la relacin de vacos inicial . Con este valor y con la deformacin se hall el valor de la relacin de vacos , correspondiente a cada incremento de carga.

Se calcularon los valores del esfuerzo efectivo para cada incremento de carga teniendo en cuenta que la carga es diez veces la misma debido al brazo ms el peso del bloque de carga, la esfera y la piedra porosa que cubren la muestra.

Con base en los datos obtenidos en la tablas que hacen referencia al proceso de carga, se graficaron las curvas de Deformacin vs. Raz de tiempo para cada uno de los incrementos de carga, y usando los valores obtenidos en las tablas que hacen referencia a la relacin de vacos y a los esfuerzos efectivos para cada incremento de carga respectivamente, se construy la curva de recompresin. Luego se calcularon los parmetros de consolidacin cv y mv, a partir de la curva de consolidacin y de la curva de carga y descarga respectivamente. Finalmente se determin el valor de la relacin de sobreconsolidacin RSC, mostrada en el captulo de anlisis y resultados.Resultados y Discusin 4.1 Resultados de los ensayos adicionales

Junto con el ensayo de Consolidacin Unidimensional se realiz un anlisis sobre los Lmites de Atterberg, humedad natural inicial y final y gravedad especifica. No se realiz el anlisis granulomtrico de la muestra debido a que no fue posible que el laboratorista suministrara estos datos a los estudiantes.

4.1.1 Humedad Natural

La humedad natural inicial y la humedad final se hall con la siguiente formula, tomando como ejemplo los datos de la humedad final

Para la humedad inicial solo se report el valor de esta, mas no los datos para poder hallarla, los resultados se muestran en la Tabla 1

Tabla 1. Datos Humedad Natural

Humedad

of

recipiente (n)A193

Peso hmedo + recipiente (g)72.9734.87

Peso seco + recipiente (g)63.1128.28

Peso recipiente (g)22.3110.16

Humedad (%)124.2%136.4%

4.1.2 Gravedad Especifica (Gs)

La gravedad especfica se determin por medio del ensayo de Picnmetro

4.1.2.1 Relacin Vacos

Con los datos de , y conociendo que la muestra de suelo est totalmente saturada , podemos encontrar el valor de la relacin de vacos inicial con la siguiente formula

4.1.2.2 Porosidad

Es posible determinar la porosidad en funcin de la relacin de vacos

4.1.2.3 Peso Unitario Seco

El peso unitario seco se puede hallar con la siguiente formula y con los valores de y que ya se calcularon

4.1.2.4 Peso Unitario total

El peso unitario total se puede hallar en funcin de la humedad natural y el peso unitario seco con la siguiente ecuacin

4.2 Descripcin de la muestra

La muestra se obtuvo de una perforacin a una profundidad de 5.0 a 5.5 metros. Mediante el anlisis visual se percibi que el material para el ensayo de consolidacin unidimensional es de tamao arcilla limosa gris oscura con tonos negros

4.3 Resultados del Ensayo de Consolidacin

En la Tabla x se presentan los datos tomados en laboratorio con las caractersticas del ensayo

Tabla x, Datos del anillos

En la siguiente tabla se presentan los datos tomados de las deformaciones a diferentes estados de carga, las deformaciones estn en cm

Los esfuerzos para cada caso de carga se presentan en la Tabla y se calcularon con base en el rea transversal de la muestra, el brazo de carga y el peso de la piedra porosa ms el bloque de carga , como se muestra a continuacin

Para la estado de carga 1 se tiene:

As para los dems estados de carga

Tabla x, esfuerzos para cada estado de carga 4.3.1 MTODO TAYLOR

Segn el mtodo de Taylor, podemos encontrar el valor del coeficiente de consolidacin vertical con ayuda de la Figura 3 que muestra el Grado de Consolidacin y, los valores de espesor promedio y el tiempo en el que se alcanza el 90% de la consolidacin . Las grficas de se muestran en las Figuras x a x con sus respectivos datos de los Figura 3. Grado de Consolidacin (Fuente: REF. [7] Figura 4.6, pg. 138)

El valor de es

El 1. Carga de 2 kg

Figura. para 4Kg

2. Carga de 4 kg

Figura. para 2Kg

3. Carga de 8.0 kg

Figura. para 6Kg

4. Carga de 16kg

Figura. para 12Kg

5. Carga de 32 kg

Figura. para 24Kg

Conociendo el para cada incremento de carga, la altura promedio (donde corresponde a dado que el ensayo se realiz con drenaje doble) y el valor de , podemos hallar los valores de mediante la siguiente ecuacin, estos valores se muestran en la Tabla 17

Para la carga de 1.0 Kg tenemos que:

Tabla X. Valores de para cada incremento de carga

Ahora hallamos el valor del coeficiente de compresibilidad Volumtrica , el cual esta dado por la siguiente ecuacin

Donde, es la pendiente de la cuerda de esfuerzos de la grafica de Relacin de vacos vs. Esfuerzo total que se muestra en la Figura 10. La relacin de vacos esta dada por la ecuacin

Donde,Donde representa la deformacin entre cada caso de carga y la longitud inicial de la muestra, y

Donde para la muestra se tiene

Y para el primer estado de carga se tiene:

Para los dems estados de carga

Tabla 18. Valores de , y para la Figura 10

Figura 10. Grafica de

En la Tabla 18 se muestran los datos de la grfica de la Figura 9

En la Figura 10, podemos encontrar el valor del Coeficiente de compresibilidad que corresponde a la pendiente de la curva, realizamos el clculo para una carga de 1.0 y 2.0 Kg. En la Tabla 19 se muestran los valores de para cada caso de carga

Conociendo el valor de es posible hallar , dado que est en funcin de y para cada caso de carga, los valores de se muestran en la Tabla 19, entonces, para una relacin de carga entre 1.0 y 2.0 Kg, tenemos que

Se muestran a continuacin todos los valores de Av, Cv y Mv

Finalmente graficamos la relacin entre el esfuerzo vertical y la relacin de vacos Ahora se procede a calcular el ndice de Compresin que corresponde a la pendiente de la lnea que se forma en la grafica de (Figura 11) y que se conoce como Lnea de Consolidacin Virgen (lnea azul de la grafica)

La curva roja de la misma grafica (Figura 11) representa la descarga de la muestra de suelo e indica un incremento de la relacin de vacos, traducido en una disminucin de debido a la entrada de agua, lo que da como resultado una leve expansin de la muestra. En la Tabla 20 se presentan los datos de descarga correspondiente a 64 minutos (ltimo valor de descarga) para cada caso de carga y los datos de la grafica de (Figura 11).

De la grafica de (Figura 11) podemos ver que el esfuerzo de preconsolidacin para la muestra de suelo ensayada es

Figura 11. Datos de descarga del ensayo, de y .

Para conocer la presin de sobrecarga in situ, es necesario conocer la profundidad a la cual se encuentra el nivel fretico, pero para este ensayo no se tienen datos sobre el nivel de la tabla de agua; sin embargo, para este caso con ayuda de la humedad natural (numeral 4.1.1), y el peso unitario seco del suelo (numeral 4.1.3.7) se hall el peso unitario total (numeral 4.1.3.8); entonces, con el podemos encontrar el esfuerzo in situ del suelo como sigue tomando una profundidad de 4.5 metros

La relacin de sobreconsolidacin RSC la podemos calcular como sigue

6Laboratorio 4. Ensayo de Corte Directo

Figura 11. Grafica de

4.4 Discusin

En este laboratorio, no fue posible determinar completamente el tipo de material de la muestra utilizada debido a que no se realiz el respectivo ensayo de granulometra, sin embargo, ya que se realiz una descripcin visual y los ensayos de los Lmites de Atterberg, se pudo hacer una descripcin tentativa acerca del tipo de material de la muestra.

La etapa de precarga corresponde a un asentamiento inmediato de la muestra de suelo. Para este ensayo, la etapa de precarga se tom como la primera carga correspondiente a 0.5 kg.

Cuando se realiz el calculo de , se pudo ver que para el caso de carga de 16 Kg, arroj un valor negativo debido a que la relacin de vacos para esta carga era mayor que para el caso de la carga de 8 Kg.

Podemos ver que el esfuerzo in situ es mayor que el esfuerzo de preconsolidacin indicando que el suelo durante su historia geolgica sufri una descarga.

Se pudo comprobar que en el ensayo se presentaron algunos errores en la toma de datos o en el ensayo mismo, debido a que muchos de los puntos de las mismas, no representan fielmente las tendencias adecuadas. Para este caso, optamos por presentar lneas de tendencia que normalizaran y representaran acertadamente el comportamiento terico de las graficas de y , para as, obtener resultados que sean mas cercanos a la realidad; es el caso de las Figuras 10 y 11 respectivamente.ConclusionesA pesar que no fue posible realizar el ensayo de granulometra sobre el material de la muestra obtenida de una perforacin para el ensayo de consolidacin, se pudo determinar que posiblemente el material de la muestra corresponda a un LIMO ARCILLOSO DE BAJA COMPRESIBILIDAD (ML CL).

Segn la norma INVIAS INV E-151, la etapa de precarga debe tomarse como , en un lapso de tiempo entre 0 y 4 segundos, sin embargo, en este ensayo de laboratorio no se tomaron los datos correspondientes a este periodo, por lo que la precarga se toma como el valor correspondiente a un tiempo de 64 minutos y le corresponde un asentamiento inmediato de 0.33 milmetros.

Segn el valor negativo de que se hall para el caso de carga de 16 Kg, podemos concluir que este valor puede deberse a algn error de procedimiento. Esta inconsistencia pudo haber tenido lugar debido a que cuando se coloc la carga en el ensayo, se pudo haber colocado mas de lo indicado y la muestra de suelo se pudo haber consolidado mas de lo esperado, y al descargar el suelo y colocar la carga real de 16 Kg el suelo present un proceso de expansin.

De los valores de la humedad inicial y la humedad final se puede concluir que la muestra de suelo in situ podra no encontrarse por debajo del nivel fretico, debido a que el porcentaje de humedad natural es bastante bajo indicando que los espacios intersticiales pueden contener gran cantidad de aire. Al final del ensayo, se pudo ver que la humedad final de la muestra, present una humedad relativamente alta comparada con la humedad natural, confirmando el gran contenido de aire, que a pesar que el suelo se someti a un proceso de consolidacin, los espacios intersticiales se llenaron de agua al saturarla al comienzo del ensayo.

En este ensayo se pudo ver que el esfuerzo in situ era menor que el esfuerzo de preconsolidacin, por lo que podemos ver que la muestra representa un deposito de suelo Normalmente Consolidado, indicando que para ese valor el suelo no ha llegado al esfuerzo mximo que pudo haber soportado durante su historia geolgica. Esto se puede confirmar con la relacin de sobreconsolidacin RSC < 1, indicando de el suelo es normalmente consolidado.

Para un suelo normalmente consolidado como el de este caso, los asentamientos son mucho mayores que los posibles en un suelo altamente preconsolidado, debido a que durante el proceso de carga la consolidacin se produce directamente sobre la lnea de consolidacin virgen.

En la prediccin de los asentamientos desde el punto de vista terico, estos difieren de los que realmente ocurren in situ. Esto sucede debido a las condiciones especificas en el que se pone en practica la teora de consolidacin, por otro lado, el intervalo tan corto de tiempo en que se realizaron los ensayos de laboratorio, no simulan fielmente las condiciones in-situ y siempre se presenta un rango de error.

La diferencia de asentamientos en las estructuras originan momentos flectores adicionales que deben ser previstos para poder ser disipados. Estos asentamientos son debidos a cambios en la composicin mineralgica del suelo y de sus propiedades mecnicas, lo que conlleva a cambios de permeabilidades en extensiones relativamente pequeas de la masa de suelo.

Las pruebas de consolidacin se hacen generalmente con arcillas saturadas, dado que en estas la disipacin de la presin intersticial ocurre muy lentamente lo cual permite que una estructura despus de varios aos de construida contine presentando asentamientos; caso contrario ocurre con los suelos granulares.

Cuando las arcillas tienen un contenido de agua bastante bajo, las cargas transmitidas sobre ellas producen asentamientos casi que inmediatos, sin embargo cuando estas estn muy hmedas, se generan sobre presiones de poros y asentamientos que pueden tener lugar despus de varios aos. El suelo arcilloso tambin en algunos casos al humedecerse, se hincha originando levantamientos y roturas en cualquier estructura que este fundada sobre ella.

En la mayora de ensayos de consolidacin unidimensional, el anillo de confinamiento es metlico e impermeable, de modo que el flujo de agua se delimita a la direccin axial (direccin vertical paralela a la aplicacin de la carga), entonces, el anlisis de asentamientos y consolidacin en los suelos en campo, se simplifica a nicamente una direccin, asumiendo que el flujo en las otras direcciones (direccin horizontal) es relativamente pequeo porque la extensin de la masa de suelo es significativamente mayor en direccin horizontal que la profundidad a la que se extrae la muestra.

Referencias

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[2] INVIAS, 2007. Consolidacin Unidimensional de los Suelos. I.N.V. E 151.

[3] INVIAS, 2007. Determinacin en Laboratorio del Contenido de Agua (Humedad) del Suelo, Roca y Mezclas de Suelo Agregado. I.N.V. E-122.

[4] INVIAS, 2007. Determinacin del Lmite Lquido de los Suelos. I.N.V. E-125.

[5] INVIAS, 2007. Lmite Plstico e ndice de Plasticidad de Suelos. I.N.V. E-126.

[6] INVIAS, 2007. Determinacin de la Gravedad Especfica de los Suelos y Llenante Mineral. I.N.V. E-128.

[7] BERRY, PETER L., REID DAVID. Mecnica de Suelos. Ed. Mc. Graw-Hill. Bogot, Colombia. 1993.

[8] BOWLES, JOSEPH E., Propiedades Geofsicas de los Suelos. Ed. Mc. Graw-Hill. Bogot. 1979.

[9] BOWLES, JOSEPH E., Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil. Ed. Mc. Graw-Hill. Bogot. 1980.

[10] LAMBE, T. WILLIAM., WHITMAN, ROBERT V. Mecnica de Suelos. Ed. Limusa Wiley, S.A. Mxico, 1972.

[11] http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo19_p.pdf

[12] http://ing.unne.edu.ar/pub/Geotecnia/2k8-04-10/l5-p.pdf

[13] http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/a_labgeo/labgeo19_p.pdf

[14] http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/j.torres/materias/Mecanica%20de%20Suelos/Consolidacion.pdf.