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• Richard Jhonny Jauregui Villanueva

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• Fricción
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• Línea (geometría)
• Suelo
• Sistema de coordenadas Cartesianas

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INGENIERIA AGRICOLA

Multiservicios “Copysistem”

CURSO

: MECANICA DE SUELOS II

TEMA

: ENSAYO DE CORTE DIRECTO (CONSOLIDADO Y DRENADO)

DOCENTE

: ING. CIP. REYNALDO REYES ROQUE

ALUMNOS

: MACEDO TAFUR, Phinio……………… ROJAS LEON, Carlos…………………………..00.0532.9.AI VIDAL LOPEZ, Cristian………………………...01.0194.6.AO VILLANUEVA MOSQUERA, Alberto VALVERDE ALAMO, Luis…………………….03.0872.8.UA

HUARAZ - 2011

UNASAM

INGENIERIA AGRICOLA I.

INTRODUCCION

En el presente informe el ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca de un plano de cizalladora determinado por la configuración del aparato. Ensayaremos 3 muestras usando diferentes cargas para determinar su efecto sobre la resistencia al corte, al desplazamiento. Si la estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo, que pueden ocurrir de tres modos: 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 o 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, en los niveles de esfuerzo que ocurren en la práctica, el segundo caso corresponde al fenómeno de la consolidación y el tercer caso corresponde a fallas del tipo catastróficos y para evitarla se debe hacer un análisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la resistencia al corte de suelo. Notamos que es absolutamente imposible independizar el comportamiento de la estructura y el del suelo. Por tanto 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. Este método describe y regula el ensayo de corte para la determinación de la resistencia al corte de una muestra de suelo. Los alumnos

II.

OBJETIVOS

I.1. OBJETIVO GENERAL Realizar el ensayo de corte directo para determinar los parámetros de resistencia para un suelo arcilloso limoso.

I.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS -

Calcular la cohesión (c) y el ángulo de fricción φmáximas. Calcular la cohesión (c) y el ángulo de fricción φ residuales. III. MARCO TEORICO

3.1. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL ESFUERZO DE CORTE EN SUELOS UNASAM

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INGENIERIA AGRICOLA Los tipos de ensayos para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos en

Laboratorio son: Corte Directo, Compresión Triaxial, Compresión

Simple. En este informe se estudió el ensayo de corte Directo.

3.2. 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. 3.3. 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 en el plano de falla, está dada por:

τf= c + σ tg φ 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

3.4. ENSAYO DE CORTE DIRECTO El ensayo de corte directo se realiza con el objetivo principal de determinar el valor de la cohesión, así como el ángulo de fricción interna de un suelo sometido UNASAM

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INGENIERIA AGRICOLA a esfuerzo cortante. Generalmente se realiza un mínimo de 3 pruebas, cada una con diferente carga normal. Este ensayo impone sobre un suelo condiciones idealizadas, o sea indica la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas, una normal con una carga vertical aplicada y un esfuerzo cortante debido a la acción de una carga horizontal. Como el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal tienen el mismo significado en la construcción del Círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones para c ytgΦ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados estos valores para los diferentes ensayos y proponer promedio del valor de la cohesión en el corte en el eje Y yΦ por la pendiente de esta recta (envolvente de falla). En este ensayo también se puede obtener los parámetros de resistencia residual.

III.4.1. Clasificación de ensayos de corte directo: 1. Ensayos no consolidados – no drenados: El corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (vertical). Si el suelo es cohesivo, y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial no consolidado – drenado. 2. Ensayo consolidado – no drenado: Se aplica la fuerza normal, se observa el movimiento vertical del deformímetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante. Este ensayo puede situarse entre los ensayos triaxiales consolidado – no drenado y consolidado drenado. 3. Ensayo consolidado drenado: La fuerza normal se aplica, y se demora la aplicación del corte hasta que se haya desarrollado todo el asentamiento; se aplica a continuación la fuerza cortante tan lento como sea posible para evitar el desarrollo de presiones de poros en la muestra. Este ensayo es análogo al ensayo Triaxial consolidado drenado. UNASAM

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3.5. PRINCIPIO DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO: Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pueden dividirse en cuatro categorías: a. Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es prácticamente independiente del tiempo. b. Resistencia al corte drenado para

suelos

cohesivos,

en

que

el

desplazamiento debe ser muy lento para permitir el drenaje durante el ensayo. c. Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes. d. Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en que el corte es aplicado en forma rápida.

3.6. ENVOLVENTE DE FALLA Los valores de residual obtenidos en cada ensayo se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal (σn), obteniendo dos puntos que permiten trazar la recta que representa la envolvente de falla del suelo, donde τ va como ordenada y σn como abscisa. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo Φ y el intercepto con el eje, la cohesión c.

3.7. MODALIDADES DEL ENSAYO

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INGENIERIA AGRICOLA Para determinar los parámetros resistentes, c y φ de un suelo, se utiliza un equipo de corte directo en el que una probeta de suelo de forma cilíndrica o rectangular que se encuentra restringida lateralmente por una pared rígida, se corta a lo largo de un plano horizontal mientras se encuentra sometida a una presión normal a dicho plano. Se pueden efectuar los siguientes ensayos: Ensayo Consolidado Drenado (CD)

Ensayo Consolidado no drenado (CU)

Ensayo no consolidado no drenado (UU)

Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta la consolidación primaria. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes efectivos.

Se Seaplica aplicalalapresión normal, presión permitiendo normal, el drenaje delelsuelo permitiendo drenaje hasta la del suelo hasta la consolidación consolidación se primaria.Luego primaria.a Luego se procede la rotura procede a la rotura de la probeta a una de la probeta a velocidad rápida una velocidad para que no rápida para se que no produzca el drenaje. se produzca el Se obtienen drenaje. Se los

La rotura se inicia nada mas al aplicar la presión normal correspondiente y a una velocidad lo suficientemente rápida para que no se produzca el drenaje. De este ensayo se obtienen los parámetros resistentes totales

3.8. TIPO DE MUESTRA La ejecución del ensayo se puede realizar en muestras inalteradas como remoldadas en el laboratorio. A partir del cilindro o de la muestra que se disponga para el ensayo, se ubica en el molde de corte cortando con el cuchillo aquellas partes que queden por fuera de este, hasta que la muestra entre poco a poco dentro del molde, una vez sobresalga por la parte superior, se enrasa o pule por la parte inferior y superior si es necesario. Esta operación debe hacerse procurando que la muestra no pierda mucha humedad, por lo que se recomienda hacerlo rápido y ojalá en un cuarto húmedo. De igual manera se debe hacer lo más suave posible evitando generar en la muestra esfuerzos remanentes que puedan alterar los resultados. 3.9. DIMENSIONAMIENTO DE LA MUESTRA El tamaño de la muestra a ensayar dependerá de los dispositivos que se dispongan en el equipo, en todo caso deben cumplir:  El diámetro mínimo para muestra circular o el lado mínimo para una muestra rectangular debe ser de 50 mm. UNASAM

6

INGENIERIA AGRICOLA  El espesor mínimo de la muestra debe ser de 12.5 mm, pero no menos que un sexto del lado mayor o diámetro.  La relación mínima entre el diámetro o lado y espesor es de 2:1.

3.10.APLICACIONES DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO A FALLAS DE TERRENO a. Capacidad de carga en bases y fundaciones para estructuras en arcillas homogéneas saturadas, inmediatamente después de la construcción. El terreno bajo una fundación, es presionado por la falla y asume fallar por corte, en la forma como indica la figura 3.a b. La presión de tierra en el muro de contención, prevalece inmediatamente después de la construcción. Figura 3.b c. Presión de tierra contra la entibación de una excavación temporal. Fig. 3c d. Prevención contra el levantamiento de fondo de las excavaciones. Fig. 3d ESFUERZO NORMAL e. Estabilidad de los taludes, inmediatamente después de la excavación. Fig. 3e f. Estabilidad en diques de tierra, durante períodos cortos de construcción. Donde:

= fuerza normal A = área de la sección transversal de la muestra

ESFUERZO CORTANTE

Donde:

= fuerza cortante resistente A = área de la sección transversal de la muestra

ENVOLVENTE DE FALLA PARA ARCILLA PRECONSOLIDADA

IV.

METODOLOGIA

Donde:

c = Es la cohesión del suelo φ= Es el ángulo de fricción del suelo

σ = Es el esfuerzo normal total en el plano de fa ENVOLVENTE DE FALLA PARA ARCILLA NORMALMENTE CONSOLIDADA

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7Donde:

φ= Es el ángulo de fricción del suelo

σ = Es el esfuerzo normal total en el plano de fa

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V. -

HERRAMIENTAS Y EQUIPOS

APARATO DE CIZALLADURA: Instrumento diseñado y construido para contener de manera segura la caja de corte y aplicar las fuerzas, medir los desplazamientos y controlar la velocidad de desplazamiento.

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-

PIEDRAS POROSAS: Bloques permeables que permiten el drenaje en la muestra a lo largo de los extremos superior e inferior de la muestra.

-

CAJA DE CORTE: Es circular o cuadrada hecha de acero bronce o aluminio con dispositivos para drenaje superior e inferior.

-

ANILLO DE CORTE: Sirve para medir la fuerza de cizalladura en condiciones de ruptura.

-

EQUIPO MICELANEO: Bandejas espátulas anillo de corte, etc. VI. PROCEDIMIENTO PARA ENSAYO EN MUESTRAS REMOLDEADAS

Procedimiento de Laboratorio – Ensayo de Corte Directo 1) Antes de proceder al ensayo tenemos que medir la caja de corte de forma diametral, medimos el diámetro y la profundidad. 2) La muestra a ensayar debe de estar húmeda, en estado natural, para obtener un resultado más real y disminuir el error.

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9

INGENIERIA AGRICOLA 3) Colocamos la caja en la máquina, con la consideración de que se pone piedra porosa en la parte baja para que drene el agua, luego la muestra. 4) Al momento de llenar el suelo a la caja de corte, con ayuda de moldes compactamos el suelo, para que su distribución sea de forma uniforme, podemos realizar este procedimiento en 3 capas. 5) Luego otra piedra porosa colocamos en la parte superior y colocamos el soporte encima, donde se medirá la deformación en el plano vertical. 6)

Saturamos la muestra en la maquina con agua, lo normal es dejar que el agua sature la muestra por un periodo de una hora.

7) Con ayuda del dial vertical mediremos el esfuerzo normal, y con el dial en forma horizontal, mediremos el esfuerzo tangencial. 8) Para medir la carga usamos la parte mecánica, usaremos pesas de 1Kg, 4 Kg, etc. que se colocan dependiendo del tipo de muestra, esta carga es normal y constante. 9) Para anotar las deformaciones tanto vertical como horizontal, nos apoyaremos en lo que indica la deformación tangencial, esta podemos medir en forma constante, podemos empezar en cero, de ahí pueden ser 10, en 20, en 30 y podemos continuar así de forma constante. Para medir las deformaciones en los diales necesitamos como mínimo dos personas, una que lea el dial vertical y la otra el dial horizontal. 10) El primer ensayo realizamos con 2 Kg de carga normal contante y desaseguramos la caja de corte para que se produzca el corte de manera horizontal, empezamos a aplicarle la carga y anotamos los que marcan los diales. 11) Anotamos valores hasta que los diales empiezan a girar en forma contraria y podemos anotar algunos de estos valores. 12) Observamos que la muestra se ha desplazado en forma horizontal. 13) Realizaremos los mismos procedimientos del 1 - 12 para 2 muestras más, solo que ahora variaremos la carga normal contante, aumentando esta. 14) Luego de terminar cada ensayo. 15) No debemos de olvidarnos limpiar el equipo al final de cada ensayo 16) Se repitió el proceso 3 veces con las siguientes cargas verticales: Fv=2kg, Fv=4kg, Fv=8 kg

VII. σ n Pv /A

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=

CALCULOS Y RESULTADOS

FORMULAS A USAR: tf = c + σ n * 10 tg Φ

INGENIERIA AGRICOLA tf= /A

Ph

ENSAYO DE CORTE DIRECTO (ASTM-D3080)

Altura (h) (cm) Diámetro (d)(cm) Densidad seca (g/cm3) Humedad (%) Esfuerzo Normal(kg/cm2) Área(cm2)

espécimen 1 inici final al 3.6 3.58 6.4 1.70

espécime n2 inici fina al l 3.6 3.4 4 6.4 1.70

espécime n3 inici fina al l 3.6 3.3 1 6.4 1.70

12.51 0.06

12.51 0.12

12.51 0.25

32.17

32.17

32.17

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE Deforma fuerza fuerza fuerza fuerza ción tangenci tangenci normal normal tangenci al al (kg) (kg) al (%) 10 20.00 0.051 10.00 0.200 20 30.00 0.076 16.00 0.320 30 40.00 0.102 22.00 0.440 40 40.00 0.102 28.00 0.560 50 50.00 0.127 32.00 0.640 60 60.00 0.152 39.00 0.780 70 70.00 0.178 45.00 0.900 80 70.00 0.178 55.00 1.100 90 80.00 0.203 62.00 1.240 100 90.00 0.229 72.00 1.440 120 90.00 0.229 89.00 1.780 130 100.00 0.254 99.00 1.980 140 105.00 0.267 110.00 2.200 200 150.00 0.381 240.00 4.800 250 190.00 0.483 450.00 9.000 300 202.00 0.513 740.00 14.800 340 202.00 0.513 740.00 14.800

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(Espécimen 1) - 2kg esfuerzo esfuerzo normal de corte 2 (kg/cm ) (kg/cm2) 0.006 0.010 0.014 0.017 0.020 0.024 0.028 0.034 0.039 0.045 0.055 0.062 0.068 0.149 0.280 0.460 0.460

0.002 0.002 0.003 0.003 0.004 0.005 0.006 0.006 0.006 0.007 0.007 0.008 0.008 0.012 0.015 0.016 0.016

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Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn) 0.018 0.016

f(x) = 0.03x + 0 R² = 0.84

0.014 0.012 0.010 Esfuerzo Cortante (kg/cm2) 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Angulo de Fricción(ɸ) Cohesión(c)

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1.64° 0.0044

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Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial 16 14 12 10 Fuerza Normal (kg)

8 6 4 2 0 0

50

100

150

200

250

300

350

Deformacion Tangencial (%)

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE (Espécimen 2) - 4kg Deformac fuerza fuerza fuerza fuerza esfuerz esfuerz ión tangenc tangen normal normal o o de tangencia ial cial (kg) normal corte l (%) (kg) (kg/cm2 (kg/cm2 ) ) 20 8.00 0.020 14.00 0.280 0.009 0.0006 40 10.00 0.025 19.00 0.380 0.012 0.0008 60 12.00 0.030 23.00 0.460 0.014 0.0009 80 13.00 0.033 28.00 0.560 0.017 0.0010 100 13.00 0.033 35.00 0.700 0.022 0.0010 120 14.00 0.036 43.00 0.860 0.027 0.0011 140 14.00 0.036 49.00 0.980 0.030 0.0011 160 15.00 0.038 56.00 1.120 0.035 0.0012 180 16.00 0.041 58.00 1.160 0.036 0.0013 200 17.00 0.043 62.00 1.240 0.039 0.0013 220 17.00 0.043 65.00 1.300 0.040 0.0013

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Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn) 0.0016 0.0014 0.0012

f(x) = 0.02x + 0 R² = 0.91

0.0010 Esfuerzo Cortante (kg/cm2) 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Angulo de Fricción(ɸ) Cohesión(c)

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1.07° 0.001

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Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial 1.4 1.2 1.0 0.8 Fuerza Normal (kg

0.6 0.4 0.2 0.0 0

50

100

150

200

250

Deformacion Tangencial (%)

DETERMINACIÓN DE ESFUERZO NORMAL Y DE CORTE (Espécimen 3) – 8kg Deformació fuerza fuerza fuerza fuerza esfuerz esfuerz n tangen tangen normal normal o o de tangencial cial cial (kg) normal corte 2 (%) (kg) (kg/cm (kg/cm2 ) ) 20 26.00 0.066 37.00 0.740 0.023 0.002 40 39.00 0.099 63.00 1.260 0.039 0.003 60 48.00 0.122 85.00 1.700 0.053 0.004 80 52.00 0.132 102.00 2.040 0.063 0.004 100 59.00 0.150 115.00 2.300 0.071 0.005 120 65.00 0.165 121.00 2.420 0.075 0.005 140 70.00 0.178 130.00 2.600 0.081 0.006

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Esfuerzo Cortante (τ) vs Esfuerzo Normal (σn) 0.006 f(x) = 0.06x + 0 R² = 0.98

0.005 0.004 Esfuerzo Cortante (kg/cm2) 0.003 0.002 0.001

0.000 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 Esfuerzo Normal (kg/cm2)

Angulo de Fricción(ɸ) Cohesión(c)

3.26° 0.001

Fuerza Normal vs Deformacion Tangencial 3.0 2.5 2.0 Fuerza Normal (kg)

1.5 1.0 0.5 0.0 0

20

40

60

80

100

120

Deformacion Tangencial ()

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16

140

160

INGENIERIA AGRICOLA

- Relacionando la deformación con los esfuerzos cortantes: COMPARACIÓN DE LOS 3 ESPECIMENES Deformación % E.C.1 E.C.2 E.C.3 20 0.0024 0.0006 0.0021 40 0.0032 0.0008 0.0031 60 0.0047 0.0009 0.0038 80 0.0055 0.0010 0.0041 100 0.0071 0.0010 0.0047 120 0.0071 0.0011 0.0051 140 0.0083 0.0011 0.0055 160 0.0071 0.0010 0.0047

COMPARACIÓN DE LOS 3 ESPECIMENES 0.0090 0.0080 0.0070 0.0060 0.0050

E.C.1

E.C.2

E.C.3

0.0040 0.0030 0.0020 0.0010 0.0000 0

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20

40

60

80

17

100

120

140

160

180

INGENIERIA AGRICOLA

CONCLUSIONES  El ángulo de fricción interna de nuestro suelo es: φ = 1.07°.  Los valores de ángulo de fricción obtenidos tan bajos como en nuestro caso concluimos que se trata de un suelo cohesivo o alta plasticidad como es el caso de las arcillas.  El contenido de humedad de nuestro suelo es 12.47% y su cohesión es 0.044.  La ecuación nos resulta de la siguiente manera:

t f =0.044+σn∗tg 1.07 °  El ensayo nos dio resultados de un suelo arcilloso de alta plasticidad y se realizaron 3 pruebas de corte con las masas de 2kg, 4kg y 8kg respectivamente.  En el desarrollo de los cálculos nos dimos cuenta que el espécimen 1 (2kg.) debido a que el tiempo de reposo en agua fue mayor que los otros 2 especímenes.  Los parámetros resistentes de los suelos en nuestro caso son:  Arcillas: con elevada cohesión y ángulo de fricción interna pequeña.  Limos: valores moderados de cohesión y ángulo de fricción interna  Arenas: si están totalmente secas o completamente saturadas no tienen cohesión para valores intermedios de humedad pueden presentar pequeños valores de cohesión así que se podrían considerar cero. Y el ángulo de fricción es elevado.  Al ser un suelo arcilloso se obtuvieron fricciones pequeñas aproximadas casi a 0 como es común en arcillas puras y en este caso también el primer espécimen fue el de menor fricción y además el de mayor cohesión.  Al comparar los gráficos se distingue que el espécimen uno es el que mayor esfuerzo de corte tiene, es decir que dio como resultado más resistencia al corte.

RECOMENDACIONES

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INGENIERIA AGRICOLA  Esperar en caso de arcillas por su baja permeabilidad un tiempo moderado de acuerdo a la arcilla para iniciar con el ensayo, en la toma de datos.  El aparato de corte antes de hacer funcionar se debe tener en cuenta la horizontalidad del brazo de palanca donde se coloca la pesa para la fuerza vertical.  El aparato de corte antes de hacer funcionar sacar los tornillos de sujeción mas no los de nivelación.

BIBLIOGRAFIA  Mecanica de suelos de Peter L. Berry – David Reid  Manual de laboratorio de suelos en ingenieria civil por Joseph E. Bowles.

ANEXOS

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INGENIERIA AGRICOLA

Equipo para hacer el ensayo de corte directo

Preparando la muestra de suelo para el ensayo de Corte Directo

Equipo armado con la muestra para el ensayo de Corte Directo

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INGENIERIA AGRICOLA

Muestra después del Corte Directo

Tomando medidas del equipo para saber el volumen del suelo

Caja de corte y las piedras porosas

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