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COMPRESIÓN INCONFINADA EN MUESTRAS DE SUELO (DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE) I.N.V. E–152–07

PRESENTADO POR: LAURA MARCELA ALVAREZ PEÑA - 14201097 INGRID JOHANA CHIA ORTEGA - 13201173 LIZETH XIOMARA GONZÁLEZ FERNÁNDEZ – 13201079 LUIS FERNANDO PEDRAZA SUAREZ – 13201252 RICHART REATIGA CARVAJAL - 142011 GEMMY MARCELA SUAREZ LEÓN - 13201151

UNIVERSIDAD DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL MECANICA DE SUELOS BUCARAMANGA 2015

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COMPRESIÓN INCONFINADA EN MUESTRAS DE SUELO (DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTE) I.N.V. E–152–07

PRESENTADO POR: LAURA MARCELA ALVAREZ PEÑA - 14201097 INGRID JOHANA CHIA ORTEGA - 13201173 LIZETH XIOMARA GONZÁLEZ FERNÁNDEZ – 13201079 LUIS FERNANDO PEDRAZA SUAREZ – 13201252 RICHART REATIGA CARVAJAL - 142011 GEMMY MARCELA SUAREZ LEÓN - 13201151

PRESENTADO A: ING. BIBIANA MUNEVAR PEREZ

UNIVERSIDAD DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL MECANICA DE SUELOS BUCARAMANGA 2015

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CONTENIDO

Pg. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS MARCO TEORICO PROCEDIMIENTO RESULTADOS ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS CONCLUSIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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4 4 5 14 20 27 29 30

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Determinar la deformación y el ángulo de fricción interno para una muestra de suelo arcilloso. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación, para unas determinadas cargas aplicadas a dicha muestra. Encontrar los valores máximos de los esfuerzos cortantes para las diferentes cargas aplicadas. Obtener la gráfica de esfuerzo normal contra cortantes máximos.

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MARCO TEÓRICO

Resistencia a la compresión inconfinada qu: Mínimo esfuerzo compresivo al cual falla una muestra no confinada de suelo, de forma cilíndrica, en condiciones normalizadas. En este método, la resistencia a la compresión inconfinada se toma como la máxima carga por unidad de área alcanzada durante el ensayo, o la carga por unidad de área cuando se alcanza el 15 % de deformación axial, lo que ocurra primero, durante la ejecución del ensayo. Resistencia al corte Su: para los especímenes sometidos al ensayo de resistencia a la compresión Inconfinada, la resistencia al corte se define como: Su=0.5 x qu Cuando una estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo de fundación. Estos esfuerzos producen deformaciones en el suelo que pueden ocurrir de tres maneras: 1. Por deformación elástica de las partículas; es despreciable para la mayoría de los suelos, en los niveles de esfuerzo que ocurren en la práctica. 2. Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los huecos entre las partículas; corresponde al fenómeno de la consolidación. 3. Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran masa de suelo; 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. El análisis debe asegurar, que los esfuerzos de corte solicitantes son menores que la resistencia al corte, con un margen adecuado de modo que la obra siendo segura, sea económicamente factible de llevar a cabo. Sabemos 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. Una valoración correcta de este concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, el análisis de la estabilidad de las obras civiles.

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Corte Directo El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento.

Ilustración A. Corte directo

Principio del ensayo de corte directo 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. Ensayos de resistencia al esfuerzo de corte en suelos Los tipos de ensayos para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos en Laboratorio son: Corte Directo, Compresión Triaxial, Compresión Simple. Durante muchos años, la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante fue prácticamente la única usada para la determinación de la resistencia de los suelos: hoy, aun cuando conserva interés práctico debido a su simplicidad, ha sido sustituida en buena parte por las pruebas de compresión Triaxial. Clasificación de ensayos de corte directo

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

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. 

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. 

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. Para suelos no cohesivos, estos tres ensayos dan el mismo resultado, esté la muestra saturada o no, y por supuesto, si la tasa de aplicación del corte no es demasiado rápida. Para materiales cohesivos, los parámetros de suelos están marcadamente influidos por el método de ensayo y por el grado de saturación, y por el hecho de que el material esté normalmente consolidado o sobre consolidado. Generalmente, se obtienen para suelos sobre consolidados dos conjuntos de parámetros de resistencia: un conjunto para ensayos hechos con cargas inferiores a la presión de pre consolidación y un segundo juegos para cargas normales mayores que la presión de pre consolidación. Donde se sospeche la presencia de esfuerzo de pre consolidación en un suelo cohesivo sería aconsejable hacer seis o más ensayos para garantizar la obtención de los parámetros adecuados de resistencia al corte. Fundamentos para el análisis del ensayo - Ley de coulomb El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del ensayo. O sea, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos): un esfuerzo normal debido a una carga vertical (Pv) aplicada externamente y un esfuerzo cortante

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debido a la aplicación de una carga horizontal (Ph). Estos esfuerzos se calculan simplemente como: σ n = Pv /A

t f = Ph /A

Donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se corrige para tener en cuenta el cambio de área causada por el desplazamiento lateral de la muestra (Ph).La relación entre los esfuerzos de corte de falla (t f) y los esfuerzos normales (σ n) en suelos, se muestra y puede representarse por la ecuación siguiente: tf = c + σ n * tg Φ

Ilustración B. Relación entre los esfuerzos de corte máximo y los esfuerzos normales. La línea recta obtenida se conoce como Envolvente de falla.

Ecuación de falla de corte de Coulomb En 1776 Coulomb observó que si el empuje que produce un suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. El postuló que la máxima resistencia al corte, t, en el plano de falla está dada por t = c + s tan j Donde s es el esfuerzo normal total en el plano de falla j es el ángulo de fricción del suelo c es la cohesión del suelo La utilización de la ecuación de Coulomb no condujo siempre a diseños satisfactorios de estructuras de suelo. La razón para ello no se hizo evidente hasta que Terzaghi publicó el principio de esfuerzos efectivos. s = s´+ u Donde u = presión intersticial s´= esfuerzo efectivo

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Pudo apreciarse entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes substanciales, la resistencia al corte de un suelo debe ser el resultado únicamente de la resistencia a la fricción que se produce en los puntos de contacto entre partículas; la magnitud de ésta depende solo de la magnitud de los esfuerzos efectivos que soporta el esqueleto de suelo. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte en dicho plano. Entonces, si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos, se tiene: t = c´ + s´ tan j´ En la cual los parámetros c´ y j´ son propiedad del esqueleto de suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente. Puesto que la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos en el suelo, los análisis de estabilidad se harán entonces, en términos de esfuerzos efectivos. Sin embargo, en ciertas circunstancias el análisis puede hacerse en términos de esfuerzos totales y por tanto, en general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales. Es decir, los valores de c´, j´ y c, j. Estos se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo representativas mediante el ensayo de corte directo (ASTM D3080-72) o el ensayo de compresión Triaxial (ASTM D-2805-70). Componentes de la resistencia al corte De la ley de Coulomb se desprende que la resistencia al corte de suelos en términos generales tiene dos componentes: a)

Fricción (tg Φ) que se debe a la trabazón entre partículas y al roce entre ellas

cuando están sometidas a esfuerzos normales. b)

Cohesión (C) que se debe a fuerzas internas que mantienen unidas a las

partículas en una masa. Como en la ecuación” t f = c + σ n * tg Φ” existen dos cantidades desconocidas (c y Φ), se requiere obtener dos valores, como mínimo de esfuerzo normal y esfuerzo cortante para obtener una solución. Como el esfuerzo cortante t y el esfuerzo normal σn tienen el mismo significado dado en la construcción del círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones simultáneas para c y para tg Φ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados los

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valores de t

contra σn para los diferentes ensayos (generalmente con

t como

ordenada), dibujar una línea a través del lugar geométrico de los puntos, y establecer la pendiente de la línea como el ángulo y la intersección con el eje t como la cohesión c. Para materiales no cohesivos, la cohesión debería ser cero por definición y la ecuación de Coulomb se convierte en: tf = σ n * tgΦ Siendo N la fuerza vertical que actúa sobre el cuerpo, la fuerza horizontal necesaria (T) para hacer deslizar el cuerpo, debe ser superior a N, siendo el coeficiente de roce entre los dos materiales. Esta relación también puede ser escrita de la forma siguiente: T = N tgΦ Siendo Φ, el ángulo de roce o ángulo formado por la resultante de las dos fuerzas con la fuerza normal. La resistencia al deslizamiento es proporcional a la presión normal y puede ser representada.

Ilustración C. Mecanismos de los fenómenos de fricción.

Ensayo de corte directo En la ilustración A. Corte Directo (a) muestra los principales detalles del aparato de corte directo, en el cual la muestra de suelo se introducen en un molde dividido horizontalmente en dos mitades. Se aplica luego a la muestra una fuerza normal N mediante una placa de carga, y, luego de fijar la mitad superior del molde, se corta la muestra en un plano horizontal mediante la aplicación de una fuerza cortante t. El diseño del molde no permite el control del drenaje de la muestra. Esta no es una limitante en el caso de arenas y gravas, que son materiales de drenaje libre y por lo general fallan en condiciones completamente drenadas. Sin embargo, en depósitos de arcilla un elemento de suelo en el campo puede fallar sin ningún drenaje, con drenaje parcial, o drenaje completo. La falta de control del drenaje hace obvio que exista una

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incertidumbre sobre si este valor representa o no la verdadera resistencia no drenada. Por esta razón, la resistencia al corte no drenado de un suelo arcilloso a menudo se mide en una cámara Triaxial, la cual permite el completo control del drenaje de la muestra. Sin embargo,

el ensayo de corte directo puede utilizarse para medir la

resistencia drenada de los suelos arcillosos si primero se consolida por completo la muestra bajo la carga normal y luego se corta la muestra a una velocidad suficientemente lenta para asegurarse de la disipación inmediata del exceso de presión intersticial que se produce durante el corte. En la ilustración A. Corte Directo (b) muestra las relaciones típicas esfuerzodeformación unitaria-cambio de volumen. Al graficar el máximo esfuerzo cortante tf en función del esfuerzo normal efectivo s´ se obtiene el ángulo de fricción efectivo para un estado de densidad en particular. Para establecer la envolvente de falla se realizan diferentes ensayos con diferentes valores de presión de confinamiento (esfuerzo normal) y se dibuja una línea recta desde el origen (ya que s´ = 0 en suelos granulares) pasando por los respectivos puntos; la pendiente de esta línea se designa con j’.

Ilustración D. Valores de j´ para suelos granulares.

En la ilustración C. Mecanismos de los fenómenos de fricción (b) y (c), se ve que los cambios de volumen tienen una influencia fundamental en el valor de la resistencia al corte de los suelos. Tales efectos se reflejan empíricamente en el valor j´ en la ecuación de Coulomb. Sin embargo, un tratamiento detallado requiere un estudio del comportamiento de las partículas del suelo para separar el componente de la resistencia debido a la estructura de partículas, de aquel que corresponde a la fricción entre partículas.

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Algunas veces para obtener el desplazamiento necesario debe invertirse de manera repetida la dirección del corte, pero ello distorsiona el alineamiento de las partículas y no se logra el verdadero valor para el estado mínimo. El problema puede resolverse utilizando el aparato de corte de corte tipo anular en el cual se prueba una muestra de suelo de forma anular en un anillo partido horizontalmente en su plano medio, lo cual permite que la mitad inferior de la muestra sea cizallada continuamente en una dirección sobre la mitad superior fija, sin cambio de contacto en el área de contacto entre las dos caras.

Ventajas del ensayo de corte directo    

  







El ensayo es relativamente rápido y fácil de llevar a cabo. El principio básico es fácilmente comprensible. La preparación de la muestra no es complicada. El principio puede aplicarse a suelos granulares y otros materiales que contienen grandes partículas que serían muy caras de ensayar por otros medios. Puede medirse el ángulo de fricción entre suelo y roca, o entresuelo y otros materiales. El ensayo Triaxial es, relativamente, mucho más difícil de ejecutar e interpretar, especialmente si se toman medidas de presión de poros. El tamaño de las muestras hace que efectuar ensayos consolidados no drenados y consolidados drenados no requiere demasiado tiempo, pues el tiempo de drenaje es bastante corto aún para materiales con bajo coeficiente de permeabilidad, debido a que el camino de drenaje es muy pequeño. Se ha introducido cajas con muestra cuadrada de forma que la reducción de área durante el ensayo pueda fácilmente tenerse en cuenta si se desea. El uso de cajas cuadradas es relativamente reciente, y la mayoría de las máquinas antiguas todavía en servicio, utilizan cajas circulares. La máquina de corte directo es mucho más adaptable a los equipos electrónicos de medición, de forma que no se requiera la presencia continua de un operario para efectuar ensayos consolidados- drenados, que puedan durar varios días. Se ha encontrado que los parámetros de suelo t y c obtenidos por el método de corte directo son casi tan confiable como los valores triaxiales (probablemente esto se debe más a problemas del operador que al hecho de que los equipos tengan igual capacidad de comportamiento). Lo anterior no quiere indicar que el ensayo Triaxial sea indeseable; sino que, si se desean únicamente los parámetros de suelo, los valores que brinda el ensayo de corte directo se han encontrado usualmente bastante aceptables.

Limitaciones del ensayo de corte directo

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     

 

La muestra está obligada a fallar en un plano predeterminado. La distribución de esfuerzos en ésta superficie no es uniforme. No es posible controlar el drenaje de la muestra, sólo se puede variar la velocidad de desplazamiento. No puede medirse la presión de poros. Las deformaciones aplicadas están limitadas por recorrido máximo de la caja. El área de contacto entre las dos mitades de la muestra disminuye a medida que se realiza el ensayo. Pero como afecta a t y a σ en la misma proporción, el efecto en la envolvente de Coulomb es despreciable. El ensayo usa una muestra muy pequeña, con el consiguiente resultado de que los errores de preparación son relativamente importantes. No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de Poisson.

PROCEDIMIENTO

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Para el óptimo desarrollo del ensayo de COMPRESION INCONFINADA EN MUESTRAS DE SUELOS, los instrumentos usados son: Equipo

Cantid ad

1

Papel aluminio

1

Espátula

1

Caja de corte

1

Balanza

1

Máquina de corte directo

1

Martillo de goma

1

Calibrador

1

Horno

1

Taras

1

Equipo

Cantidad

Extractor de muestras



Diagrama

Diagrama

PREPARACION DE LAS MUESTRAS

La muestra de suelo utilizada para este ensayo, fue traída de Sabana de Torres. Para la toma de la muestra se tuvo en cuenta el procedimiento descrito en la norma INV E-104-13 (Toma de muestras inalteradas de suelo en superficie). Esta muestra se debía de realizar bajando la excavación la profundidad precisa para que el terreno descubierto estuviese completamente fresco y no haya perdido humedad, con las herramientas apropiadas se procedía a darle a la muestra una forma

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cubica, esta muestra se envolvió en papel aluminio para que conservara su humedad y luego se procedió a su embalaje acomodando la muestra de tal manera que dentro del recipiente no se moviera. La muestra fue transportada a los laboratorios de la Universidad de Santander con especial cuidado de que no estuviera expuesta a elevadas temperaturas ni a los rayos solares. 1. Ya en el laboratorio se procedió a realizar la preparación de las muestras que iban a ser falladas. Se destapo la caja de embalaje y el molde metálico era introducido en la muestra hasta que con la espátula se pudiera nivelar con el borde del molde, para que la muestra quedara bien prolija y con las dimensiones adecuadas.

2. Luego, con mucho cuidado se sacaba el molde ya con la muestra, teniendo cuidado de que esta no se viera afectada y que quedara un exceso en la parte de abajo para que con la espátula fuese retirado y el molde por sus dos caras quedara completamente liso.

3. Se procedia a extraer la muestra del molde con el extrator de muestra, para ello este se colocaba en una cara de donde habia quedado la muestra dentro del molde y con un poco de presion se iba empujando el extrator y subiendo el molde con las manos, para que asi la muestra no sufriera alteraciones.

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4. Inmediatamente despues de ser extraida la muestra, se procedia a tomar sus dimensiones (ancho y alto) y a pesarla.

5. Finalmete se envuelve la muetra en papel alumnio para ser almacenada y que su humedad se conserve hasta el momento en que sera fallada.

6. Se realiza el mismo procedimiento (1-5) hasta completar tres (3) muestras.

16



PROCEDIMIENTO (FALLA DE LAS MUESTRAS DE SUELOS)

1. Se inicia con la adecuacion de la caja de corte, se introduce dentro de ella una placa y luego se procede a introducir uno de los especimenes previamete pesados y medidos, se le aplica un poco de presion hasta que quede nivelado.Se retiran los tornillos de la caja de corte.

2. El especimen se se coloca en la maquina de corte directo, de tal manera que encaje, quede firme y centrado (nivelarlo para que quede en contacto).

3. En la parde de debajo de la maquina de corte directo se coloca el esfuerzo vertical que sera aplicado al especimen, en este caso 2 Kgf. Se nivela el deformimetro moviento la manija hasta que se muevan las dos agujas.

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4. Se introducen los valores de la velocidad en el equipo, en este caso se uso una velocidad maxima de 1 mm/min.

5. Se procede a anotar los valores de defromacion del anillo, marcando de diez en diez la deformacion horizontal (10, 20, 30, 40...). 6. Al terminar de fallar el especimen, este se retira de la caja de corte , se pesa y se lleva al horno, para con estos datos calcular su humedad.

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7. Este procedimiento se repite para con las otras dos muestras de suelo preparadas, solo que el esfuerzo vertical para una sera de 6 Kgf y a la otra se le aplica un esfuerzo vertical de 8 Kgf.

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RESULTADOS

k (Constante del anillo) [Kn]

4.5

Muestra N° 1 Para la carga de 2 kg: Primero tomamos los valores de la deformación y los pasamos a cm, luego realizamos los respectivos cálculos donde se encuentran los valores de los esfuerzos cortantes y normales para la carga aplicada. Muestra 1 Ancho Alto

[cm]

[m] 5.6 2.8

0.056 0.028

2 Kgf [vel 1 mm/min] D. Horizo ntal

D. Horizo ntal [cm]

10

0.0254

20

0.0508

30

0.0762

40

0.1016

50

0.127

60

0.1524

70

0.1778

80

0.2032

90

0.2286

100

0.254

110

0.2794

120 130

0.3048 0.3302

D. Horizo ntal [m]

0.0002 54 0.0005 08 0.0007 62 0.0010 16 0.0012 7 0.0015 24 0.0017 78 0.0020 32 0.0022 86 0.0025 4 0.0027 94 0.0030 48 0.0033

D. Anil lo

27 30 32 35 37 39 44 45 46 46. 5 47 41 39

D. Anillo [m]

0.00068 58 0.00076 2 0.00081 28 0.00088 9 0.00093 98 0.00099 06 0.00111 76 0.00114 3 0.00116 84 0.00118 11 0.00119 38 0.00104 14 0.00099

20

Fuerza

0.00308 61 0.00342 9 0.00365 76 0.00400 05 0.00422 91 0.00445 77 0.00502 92 0.00514 35 0.00525 78 0.00531 495 0.00537 21 0.00468 63 0.00445

Area Corregida [m2]

0.003121 776 0.003107 552 0.003093 328 0.003079 104 0.003064 88 0.003050 656 0.003036 432 0.003022 208 0.003007 984 0.002993 76 0.002979 536 0.002965 312 0.002951

Esfuerzo Cortante

0.988571 89 1.103440 908 1.182415 832 1.299241 598 1.379858 265 1.461226 7 1.656286 062 1.701901 391 1.747948 127 1.775342 713 1.802998 856 1.580373 33 1.510527

140

0.3556

150

0.381

160

0.4064

170

0.4318

180

0.4572

190

0.4826

200

0.508

210

0.5334

220

0.5588

230

0.5842

02 0.0035 56 0.0038 1 0.0040 64 0.0043 18 0.0045 72 0.0048 26 0.0050 8 0.0053 34 0.0055 88 0.0058 42

37 34 32 30 29 27 26 23 21. 5 20

06 0.00093 98 0.00086 36 0.00081 28 0.00076 2 0.00073 66 0.00068 58 0.00066 04 0.00058 42 0.00054 61 0.00050 8

77 0.00422 91 0.00388 62 0.00365 76 0.00342 9 0.00331 47 0.00308 61 0.00297 18 0.00262 89 0.00245 745 0.00228 6

088 0.002936 864 0.002922 64 0.002908 416 0.002894 192 0.002879 968 0.002865 744 0.002851 52 0.002837 296 0.002823 072 0.002808 848

643 1.440005 394 1.329688 227 1.257591 761 1.184786 635 1.150950 288 1.076893 121 1.042181 012 0.926551 195 0.870487 894 0.813856 784

ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACION HORIZONTAL (2 Kgf) 2 1.8 1.6 Esfuerzo Cortante 1.4 1.2 1 0.8 0

0

0

0

0

0.01 0.01 0.01

Deformación Horizontal

Muestra N°2 Para la carga de 6 kg: Primero tomamos los valores de la deformación y los pasamos a cm, luego realizamos los respectivos cálculos donde se encuentran los valores de los esfuerzos cortantes y normales para la carga aplicada.

21

Muestra 2 Ancho Alto

[cm]

[m] 5.8 2.2

0.058 0.022

6 Kgf [vel 1 mm/min] D. D. D. D. Horizon Horizon Anil Horizo tal tal [m] lo ntal [cm]

10

0.0254

20

0.0508

30

0.0762

40

0.1016

50

0.127

60

0.1524

70

0.1778

80

0.2032

90

0.2286

100

0.254

110

0.2794

120

0.3048

130

0.3302

140

0.3556

150

0.381

160

0.4064

170

0.4318

180

0.4572

190 200

0.4826 0.508

0.0002 54 0.0005 08 0.0007 62 0.0010 16 0.0012 7 0.0015 24 0.0017 78 0.0020 32 0.0022 86 0.0025 4 0.0027 94 0.0030 48 0.0033 02 0.0035 56 0.0038 1 0.0040 64 0.0043 18 0.0045 72 0.0048 26 0.0050

10 14 18 24 27 29 29 32 32 34 34 35 36 36 37 37 38 39 39 40

D. Anillo [m]

Fuerza

0.00025 4 0.00035 56 0.00045 72 0.00060 96 0.00068 58 0.00073 66 0.00073 66 0.00081 28 0.00081 28 0.00086 36 0.00086 36 0.00088 9 0.00091 44 0.00091 44 0.00093 98 0.00093 98 0.00096 52 0.00099 06 0.00099 06 0.00101

0.00114 3 0.00160 02 0.00205 74 0.00274 32 0.00308 61 0.00331 47 0.00331 47 0.00365 76 0.00365 76 0.00388 62 0.00388 62 0.00400 05 0.00411 48 0.00411 48 0.00422 91 0.00422 91 0.00434 34 0.00445 77 0.00445 77 0.00457

22

Area Corregida [m2]

0.003349 268 0.003334 536 0.003319 804 0.003305 072 0.003290 34 0.003275 608 0.003260 876 0.003246 144 0.003231 412 0.003216 68 0.003201 948 0.003187 216 0.003172 484 0.003157 752 0.003143 02 0.003128 288 0.003113 556 0.003098 824 0.003084 092 0.003069

Esfuerzo Cortante

0.341268 6 0.479886 857 0.619735 382 0.829997 047 0.937927 387 1.011934 273 1.016505 994 1.126752 233 1.131889 094 1.208140 07 1.213698 661 1.255170 657 1.297027 818 1.303078 899 1.345553 003 1.351889 596 1.394996 589 1.438513 449 1.445384 898 1.489561

210

0.5334

220

0.5588

230

0.5842

240

0.6096

250

0.635

260

0.6604

270

0.6858

280

0.7112

290

0.7366

300

0.762

310

0.7874

320

0.8128

330

0.8382

340

0.8636

350

0.889

360

0.9144

370

0.9398

380

0.9652

390

0.9906

400

1.016

8 0.0053 34 0.0055 88 0.0058 42 0.0060 96 0.0063 5 0.0066 04 0.0068 58 0.0071 12 0.0073 66 0.0076 2 0.0078 74 0.0081 28 0.0083 82 0.0086 36 0.0088 9 0.0091 44 0.0093 98 0.0096 52 0.0099 06 0.0101 6

40 42 43 43 44 44 44 44 45 46 46 47 47 47 47 47 46 46 46 46

6 0.00101 6 0.00106 68 0.00109 22 0.00109 22 0.00111 76 0.00111 76 0.00111 76 0.00111 76 0.00114 3 0.00116 84 0.00116 84 0.00119 38 0.00119 38 0.00119 38 0.00119 38 0.00119 38 0.00116 84 0.00116 84 0.00116 84 0.00116 84

23

2 0.00457 2 0.00480 06 0.00491 49 0.00491 49 0.00502 92 0.00502 92 0.00502 92 0.00502 92 0.00514 35 0.00525 78 0.00525 78 0.00537 21 0.00537 21 0.00537 21 0.00537 21 0.00537 21 0.00525 78 0.00525 78 0.00525 78 0.00525 78

36 0.003054 628 0.003039 896 0.003025 164 0.003010 432 0.002995 7 0.002980 968 0.002966 236 0.002951 504 0.002936 772 0.002922 04 0.002907 308 0.002892 576 0.002877 844 0.002863 112 0.002848 38 0.002833 648 0.002818 916 0.002804 184 0.002789 452 0.002774 72

342 1.496745 267 1.579198 762 1.624672 249 1.632622 826 1.678806 289 1.687102 981 1.695482 086 1.703944 836 1.751412 776 1.799359 352 1.808477 12 1.857202 715 1.866709 94 1.876315 003 1.886019 422 1.895824 746 1.865185 057 1.874983 953 1.884886 35 1.894893 899

ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACION HORIZONTAL (6 Kgf) 1.8 1.3 Esfuerzo Cortante 0.8 0.3 0

0

0

0.01

0.01

0.01

0.01

Deformacion Horizontal

Muestra N°3 Para la carga de 8 kg: Primero tomamos los valores de la deformación y los pasamos a cm, luego realizamos los respectivos cálculos donde se encuentran los valores de los esfuerzos cortantes y normales para la carga aplicada. Muestra 3 Ancho Alto

[cm]

[m] 5.9 2.2

0.059 0.022

8 Kgf [vel 1 mm/min] D. Horizo ntal

D. D. D. Horizon Horizon Anil tal [cm] tal [m] lo

10

0.0254

20

0.0508

30

0.0762

40

0.1016

50

0.127

60

0.1524

0.0002 54 0.0005 08 0.0007 62 0.0010 16 0.0012 7 0.0015 24

8 15 19 24 29 33

D. Anillo [m]

Fuerza

0.00020 32 0.00038 1 0.00048 26 0.00060 96 0.00073 66 0.00083 82

0.00091 44 0.00171 45 0.00217 17 0.00274 32 0.00331 47 0.00377 19

24

Area Corregida [m2]

0.003466 014 0.003451 028 0.003436 042 0.003421 056 0.003406 07 0.003391 084

Esfuerzo Cortante

0.263818 9 0.496808 487 0.632035 348 0.801857 672 0.973174 362 1.112299 194

70

0.1778

80

0.2032

90

0.2286

100

0.254

110

0.2794

120

0.3048

130

0.3302

140

0.3556

150

0.381

160

0.4064

170

0.4318

180

0.4572

190

0.4826

200

0.508

210

0.5334

220

0.5588

230

0.5842

240

0.6096

250

0.635

260

0.6604

270

0.6858

280

0.7112

290

0.7366

300

0.762

310 320

0.7874 0.8128

0.0017 78 0.0020 32 0.0022 86 0.0025 4 0.0027 94 0.0030 48 0.0033 02 0.0035 56 0.0038 1 0.0040 64 0.0043 18 0.0045 72 0.0048 26 0.0050 8 0.0053 34 0.0055 88 0.0058 42 0.0060 96 0.0063 5 0.0066 04 0.0068 58 0.0071 12 0.0073 66 0.0076 2 0.0078 74 0.0081

36 39 40 42 43 44 45 46 48 48

0.00091 44 0.00099 06 0.00101 6 0.00106 68 0.00109 22 0.00111 76 0.00114 3 0.00116 84 0.00121 92 0.00121 92

50 0.00127 50 0.00127 0.00129 51 54 0.00132 52 08 0.00132 52 08 0.00134 53 62 0.00134 53 62 0.00137 54 16 0.00137 54 16 0.00137 54 16 0.00139 55 7 0.00139 55 7 0.00139 55 7 0.00147 58 32 0.00147 58 32 58 0.00147

25

0.00411 48 0.00445 77 0.00457 2 0.00480 06 0.00491 49 0.00502 92 0.00514 35 0.00525 78 0.00548 64 0.00548 64 0.00571 5 0.00571 5 0.00582 93 0.00594 36 0.00594 36 0.00605 79 0.00605 79 0.00617 22 0.00617 22 0.00617 22 0.00628 65 0.00628 65 0.00628 65 0.00662 94 0.00662 94 0.00662

0.003376 098 0.003361 112 0.003346 126 0.003331 14 0.003316 154 0.003301 168 0.003286 182 0.003271 196 0.003256 21 0.003241 224 0.003226 238 0.003211 252 0.003196 266 0.003181 28 0.003166 294 0.003151 308 0.003136 322 0.003121 336 0.003106 35 0.003091 364 0.003076 378 0.003061 392 0.003046 406 0.003031 42 0.003016 434 0.003001

1.218803 483 1.326257 5 1.366356 198 1.441128 262 1.482108 491 1.523460 787 1.565190 242 1.607302 039 1.684903 615 1.692693 871 1.771413 02 1.779679 701 1.823784 378 1.868304 582 1.877147 226 1.922344 626 1.931529 99 1.977422 488 1.986962 19 1.996594 384 2.043474 502 2.053477 634 2.063579 182 2.186895 91 2.197760 667 2.208733

330

0.8382

340

0.8636

350

0.889

360

0.9144

370

0.9398

380

0.9652

390

0.9906

400

1.016

410

1.0414

420

1.0668

28 0.0083 82 0.0086 36 0.0088 9 0.0091 44 0.0093 98 0.0096 52 0.0099 06 0.0101 6 0.0104 14 0.0106 68

58 58 58 58 58 58 59 60 60 60

32 0.00147 32 0.00147 32 0.00147 32 0.00147 32 0.00147 32 0.00147 32 0.00149 86 0.00152 4 0.00152 4 0.00152 4

94 0.00662 94 0.00662 94 0.00662 94 0.00662 94 0.00662 94 0.00662 94 0.00674 37 0.00685 8 0.00685 8 0.00685 8

448 0.002986 462 0.002971 476 0.002956 49 0.002941 504 0.002926 518 0.002911 532 0.002896 546 0.002881 56 0.002866 574 0.002851 588

918 2.219817 296 2.231012 467 2.242321 131 2.253745 023 2.265285 913 2.276945 608 2.328186 744 2.379960 855 2.392402 917 2.404975 754

ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACION HORIZONTAL (8 Kgf) 2.7 2.2 1.7 Esfuerzo Cortante

1.2 0.7 0.2 0

0

0

0.01

0.01

0.01

0.01

Deformación Horizontal

Ahora representaremos estos datos la siguiente grafica que a la cual se le denominara esfuerzo cortante vs deformación:

26

ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACION HORIZONTAL (2 Kgf -6 Kgf - 8 Kgf) 3 2.5 2

2 Kgf

Esfuerzo cortante

1.5

6 Kgf

8 Kgf

1 0.5 0 0

0

0

0.01

0.01

0.01

0.01

Deformación Horizontal

Lo cual de esta grafica tomaremos un punto máximo por cada curva lo cual están en la siguiente tabla:

Muestra1 Muestra2 Muestra3

Carga Vertical [Kgf] 2 6 8

Esfuerzo Normal 6.256377551 17.49702735 22.54524562

Esfuerzo Max 1.802998856 1.895824746 2.404975754

Con estos datos que tenemos en la tabla anterior nos sirven para graficar de resistencia al corte lo cual será de la siguiente forma:

27

ESFUERZO Max VS ESFUERZO normal 2.6

f(x) = 0.12x

2.4 2.2

Esfuerzo Max

2 1.8 1.6 4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Esfuerzo Normal

ɸ

tan −1 0.1156

ɸ=

6.5941

Contenido de húmeda de las muestras de suelo: CONTENIDO DE HUMEDAD MUEST N° RA TARA 1 2 3

23 247 103

TAR A (gr)

TARA CON MUESTRA HUMEDA

71 68 62

TARA CON MUESTRA SECA 251 199 213

HUMEDA D (%) 232 188 205

11.8012 9.1667 5.5944

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

TIPO Y PROCEDENCIA DE LA MUESTRA Para la realización de este ensayo de corte directo se tomó una muestra de suelo, la cual fue una arcilla que fue suministrada por un estudiante de laboratorio, fue extraída de Sabana de Torres – Santander, se mantuvo compacta todo este tiempo hasta su llegada al laboratorio de suelos de la Universidad de Santander UDES, donde se sacaron las respectivas muestras para obtener su resistencia al cortante, por lo que se estima que no se presentaron alteraciones en sus características.

28

Como se explica anteriormente en el procedimiento, para realizar nuestro laboratorio tomamos tres (3) muestras y se sometieron a tres (3) cargas diferentes (2 kg – 6kg – 8kg) los resultados varían notablemente, con los datos anteriormente calculados podemos inferir una serie de observaciones tales: 1.

Al graficar los respectivos esfuerzos cortantes a los que esta soportado una

muestra de arcilla al aplicarle una carga, se observa una tendencia de proporcionalidad, es decir, que a medida que aumenta el esfuerzo sobre la masa de suelo se incrementa dicha deformación hasta alcanzar el máximo valor de esfuerzo soportado por el suelo y a partir del cual la deformación comienza a presentar características constantes evidenciadas en la gráfica con lo cual se sustenta o se suscita el hecho de que la curva se comporta constante hacia arriba. 2.

Los valores de los puntos máximos en las respectivas curvas de cortante

contra deformación implican que al aplicar una carga mucho mayor que la anterior la resistencia al cortante aumentara proporcionalmente al aumentar la carga aplicada, hasta el instante donde las cargas actuante se igualan a la resistencia presentada por el suelo, es decir, se presenta una falla en la configuración estructural interna del suelo. 3.

Con los respectivos esfuerzos cortantes máximos obtenidos en la respectiva

grafica cortante vs deformación, y al graficar estos en función del esfuerzo normal se obtuvo una línea de tendencia, la cual pasa por el origen de los ejes coordenados los que nos ratifica que este suelo no presenta cohesión, además, la ecuación de la anterior línea de tendencia está dada por

y = 0.1156x, donde la tangente de la

pendiente (0.1156) arroja como resultado la magnitud del Angulo de fricción interna de aproximadamente 6.59°. Lo cual al compararlo con la tabla de peso específico y ángulo de fricción del suelo, podemos comprender con mayor facilidad las partículas de arcillas que están contenidas en la muestra ensayada.

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En el laboratorio no estamos exentos a un posible error humano o de la maquinaria que utilizamos para realizar el ensayo, podríamos identificarlos en lo siguiente:   

No realizar correctamente el proceso de extracción de la muestra de suelo. Des-calibración de nuestra máquina de corte directo. Cometer errores en las lecturas de datos que nos arrojó la máquina de corte.

CONCLUSIONES

El ensayo de corte directo cumplió a cabalidad los objetivos propuestos al inicio de la práctica, se logró determinar la magnitud del ángulo de fricción preexistente en el

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interior de la estructura en una muestra de suelo arenoso y suelta. Lo cual induce a una posible cohesión cercana al valor cero por el hecho estar sueltas las partículas que conforman la muestra de suelo. De la gráfica obtenida esfuerzo cortante-deformación unitaria muestra cierto cambio de volumen que podrían obtenerse en ensayos drenados con arcillas normalmente consolidadas y pre consolidadas. Para las arcillas normalmente consolidadas la disminución del esfuerzo cortante desde el valor pico hasta el valor residual se asocia con la orientación gradual de las partículas de arcillas en la zona de corte, como resultado de una posible presencia de cohesión atribuida a la presencia de partículas de arcillas en la muestra de suelo, cuyas superficies planas se alinean paralelo al plano de fallas y presentan así una mínima resistencia al corte. La magnitud del descenso del esfuerzo cortante luego del valor pico se incrementa debido a un posible índice de plasticidad. Para las arcillas pre consolidadas existe una notable disminución del esfuerzo cortante desde el valor pico hasta el valor residual, donde las deformaciones se mantienen constantes, como resultado parcial de la dilatancia en el plano de falla y parcialmente también por el alineamiento horizontal de las partículas de arcillas. De la gráfica de la línea de resistencia se hace evidente que no pasa por el origen lo cual supone la existencia de una posible y mínima cohesión atribuida a las partículas de arcillas que podrían estar contenidos en la muestra de suelo. Para establecer el estado residual antes mencionado se necesitan deformaciones cortantes muy grandes que no podría alcanzarse con el simple desplazamiento del molde de corte. Evidenciamos que para obtener el desplazamiento necesario debe invertirse de manera repetida la dirección de corte, pero ello distorsiona el alineamiento de las partículas y no se logra el verdadero valor para el estado mínimo.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

o

VIAS, I. N. (13 de 08 de 2015). INVIAS. Obtenido de http://www.invias.gov.co/

31

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INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS: CBR de Suelos Compactados en el Laboratorio I.N.V. E–148–13.

o

INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS.: Compresión Inconfinada En Muestras De Suelo (Determinación De La Resistencia Al Corte). I.N.V. E–152–07.

o

http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica8.htm

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