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UNIVERSIDAD TEGNOLÓGICA DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

LABORATORIO 01: ENSAYO DE CONSOLIDACIÓN ASIGNATURA: INGENIERÍA GEOTÉCNICA

DOCENTE: M. Ing. ELESCANO MUÑOZ, CHRISTIAN CLAUDE

INTEGRANTES:

• • •

ARANGURI ESCUDERO, Lisbeth GORA CASTILLO, Fredy PISCONTE BECERRA, Gerson

LIMA, octubre 2020

1624763 17306454 1524879

CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 4 Objetivo general ..................................................................................................................... 4 Objetivos específicos .............................................................................................................. 4 ENSAYOS REALIZADOS .................................................................................................................. 5 Normativa NTP 339.171 - ASTM D3080.................................................................................. 5 ENSAYO CONSOLIDADO – DRENADO (CD) ............................................................................. 7 ENSAYO CONSOLIDADO – NO DRENADO (CU) ....................................................................... 8 ENSAYO NO CONSOLIDADO – NO DRENADO (UU)................................................................. 8 ECUACIÓN DE FALLA DE COULOMB ....................................................................................... 8 IDENTIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS.......................................................................................... 9 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA............................................................................................ 13 PROCEDIMIENTO .................................................................................................................. 13 APLICACIONES DEL ENSAYO ................................................................................................. 13 CÁLCULO DE RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................................... 14 ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE RESULTADOS ................................................................................. 21 COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ............................................................................................... 22 ANEXOS ....................................................................................................................................... 23 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................... 25

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INTRODUCCIÓN La resistencia al corte del suelo es la resistencia interna por área unitaria que el suelo ofrece para poder resistir a la falla y el deslizamiento a lo largo de cualquier plano al interior de este. Estudiar la resistencia de los suelos a través de este concepto es fundamental para poder analizar los problemas de estabilidad, capacidad de carga, presión lateral sobre estructuras de retención de tierras, etc. En el ensayo de corte directo tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra, valor que, entre otras cosas será muy útil para el cálculo de la capacidad portante. La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: la cohesión, aportada por la fracción del suelo y responsable, a su deformación, del comportamiento plástico de este y el rozamiento interno entre las partículas granulares o fricción. Para conocer o determinar esa resistencia del suelo, en el laboratorio uno de los equipos que se usa es el aparato de corte directo. El más típico es una caja de sección cuadrada o circular dividido horizontalmente en dos mitades; dentro de ella se coloca la muestra de suelo con pedradas porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento y luego una carga horizontal creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra En el presente informe se detallará el ensayo de corte directo que posteriormente dará a proceder los cálculos correspondientes. Para esta etapa del curso será suficiente hallar los parámetros de cohesión y ángulo de fricción basados en la Ecuación de falla de Coulomb.

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OBJETIVOS Objetivo general Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo en base a la norma NTP 339.171 y la norma ASTM D3080.

Objetivos específicos Este ensayo tiene por finalidad obtener datos, mediante los cuales se pueda determinar las siguientes constantes de los suelos: • •

Graficar la curva de esfuerzo y deformación para determinadas cargas aplicadas a dicha muestra. Graficar la curva de esfuerzo y esfuerzo efectivo vertical.

•

Determinar la Cohesión (C) y Ángulo de fricción (Φ).

•

Determinar capacidad portante del suelo.

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ENSAYOS REALIZADOS Normativa NTP 339.171 - ASTM D3080 Este ensayo de CORTE DIRECTO está basado según la norma técnica peruana NTP 339.171 y la norma (ASTM D3080). El ensayo busca identificar la relación que se establece entre el esfuerzo y la deformación considerando una carga lateral aplicada de tal forma que se genera un esfuerzo cortante, se presenta un plano de falla horizontal paralelo a la carga aplicada. Existen dos sistemas para la ejecución de este ensayo, el de esfuerzo controlado y el de deformación controlada. En el primero se aumenta gradualmente la carga que induce el esfuerzo hasta que se produzca la falla. Este sistema se usa de preferencia para ensayos de una rata de carga muy baja debido a que con el mismo puede mantenerse más fácilmente una carga constante durante cualquier período de tiempo; además, pueden quitarse más fácil y rápido las cargas. El inconveniente que se presenta es que por el exceso de desplazamiento que se impone después de haber pasado la resistencia máxima no se obtiene la resistencia al esfuerzo cortante final verdadera. 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. 2. Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los huecos entre las partículas. 3. 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. 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. 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.

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ESFUERZO CORTANTE EN SUELOS: El ensayo de corte directo se realiza sobre una muestra de suelo situada dentro de una caja de metal dividida en dos piezas: la mitad superior y la mitad inferior. Simultáneamente la muestra es sometida a una carga normal constante y a un esfuerzo lateral que se va incrementando en forma progresiva. Mientras se realiza el ensayo se toma nota del esfuerzo aplicado y el desplazamiento producido entre los dos bloques. El ensayo se realiza un mínimo de dos veces con diferentes cargas normales.

Ilustración 1: Ensayo de corte directo – ASTM D 3080

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ENSAYO CONSOLIDADO – DRENADO (CD) La velocidad de corte es lenta, se permite el drenaje de la muestra durante todo el ensayo siendo las presiones intersticiales nulas durante la aplicación del esfuerzo cortante (µ=0), esto implica que: σ = σ’, c = c’, φ = φ’. Por otro lado, según la forma en que se aplica el esfuerzo horizontal, los ensayos de corte se pueden clasificar en dos tipos.

Ensayos de tensión controlada. Se aplica el esfuerzo horizontal, se miden las deformaciones hasta llegar hasta la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan n, lo que nos indica que hemos sobrepasado la carga de rotura.

Ensayos de deformación controlada. La mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada; los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal

Ilustración 2: Sección y disposición del sistema de carga

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ENSAYO CONSOLIDADO – NO DRENADO (CU) Se aplica fuerza normal, se observa el movimiento vertical del deformímetro hasta que pare el asentamiento antes de aplicar la fuerza cortante. Es decir, se permite que la muestra drene o se consolide durante la aplicación de la carga vertical, de modo que en el momento de aplicar el esfuerzo de corte las presiones intersticiales sean nulas, pero no durante la aplicación del esfuerzo cortante. La tensión de corte es rápida para que la presión de poros no pueda disiparse en el transcurso del ensayo.

ENSAYO NO CONSOLIDADO – NO DRENADO (UU) Es un ensayo rápido, donde el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (Pv); si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Generalmente la recta intrínseca en el diagrama de τ contra σ es horizontal, donde τ =Cu. No se permite el drenaje de la muestra en todo el ensayo.

ECUACIÓN DE FALLA DE COULOMB 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 𝑔 𝜑 − − − − − − − (1) 𝐷 𝜎=𝐸 𝑓𝑎 𝑎.

: 𝑓

𝑟𝑧

𝜑 = 𝐸 ángulo 𝑗 𝑚𝑝 , 𝑎𝑟 𝑎) 𝑐 = 𝐸 𝑎 cohesión

𝑟𝑚𝑎

𝑎

𝑝𝑎

fricción

(𝑝 𝑟

(𝑝 𝑟 𝑗 𝑚𝑝 , 𝑎𝑟𝑐𝑖 𝑎).

Ilustración 3: Gráfica 𝜎 vs 𝜏

Suelo Limo Arena Limosa Arena uniforme Suelo redondeado uniforme Suelo redondeado bien gradado

27°-30° 27°-33° 28° 30° 34°

30°-36° 30°-35° 34° 37° 40°

Suelo Arena bien gradada Grava arenosa Suelo anguloso uniforme Suelo anguloso bien gradado Rangos de la tabla

33° 35° 35° 39° 27°-39°

45° 50° 43° 45° 30°-45°

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IDENTIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS EQUIPO NECESARIO: •

Balanza: Precisión de 0,01 gramos, con conteo automático y Calibración digital

Ilustración 4: Balanza

•

Máquina de corte directo: capaz de sujetar la probeta entre dos piedras porosas, medir las cargas normales, medir cambios de espesor, medir desplazamientos y permitir el drenaje a través de las piedras porosas

Panel digital Deformímetro Anillo de fuerza cortante

Celda de corte Marco para carga normal

Ilustración 5: Máquina de corte directo

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•

Cajas de corte, normalmente son cuadradas de 10 o 6 cm. de lado, o bien cilíndricas de 6, 10 ó 16 cm. de diámetro, con sus respectivas piedras porosas.

Celda para confinación de muestra

Muestra de ensayo

Piedras porosas

Ilustración 6: Cajas de corte

•

Herramientas y accesorios. Equipo para compactar las probetas remoldadas, diales de deformación, agua destilada, espátulas, cuchillas enrasador, cronómetro, regla metálica, recipientes para determinar humedad, grasa.

Ilustración 7: Beaker 250ml Ilustración 8: Martillo de goma 0.42 Kg

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Ilustración 9: Cucharón metálico

Ilustración 10: Agua destilada

Ilustración 11: Tamiz N° 40

Ilustración 12: Recipiente metálico

Ilustración 13: Pie de rey

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OTROS FACTORES ❖ Temperatura: Para mantener inalterada la humedad de la muestra no debe tener variaciones de temperatura mayores a ±4ºC, ni tampoco tener un contacto directo con la luz solar. ❖ Muestreo y Almacenamiento: El muestreo de un suelo es la etapa previa al análisis y determinación de propiedades. Es una de las fases más importantes para poder hacer un dictamen verídico sobre el suelo en análisis. ❖ Su almacenamiento debe garantizar que la muestra conserve su humedad natural y que no se presentes eventos de cambios de volumen en el mismo. Se debe evitar golpear las muestras y producir fisuras en las mismas.

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PREPARACIÓN DE LA MUESTRA I. II. III. IV. V.

Elegir un volumen de muestra suficiente para poder realizar 3 ensayos. Hallar el peso inicial para determinar el contenido de humedad inicial Tomar medidas del recipiente Evitar en todo momento la pérdida de humedad de la muestra Tallar la muestra un poco más grande al recipiente.

PROCEDIMIENTO I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. XIII. XIV.

Colocar las piedras porosas y filtros de papel, ambos humedecidos. Ensamblar la caja de corte y alinear el marco, luego bloquear con los pernos. Introducir la muestra. Conectar el dispositivo de carga y ajustar los diales de medición Llenar el depósito con agua para que la muestra esté saturada. Aplicar una fuerza normal determinada según el tipo de suelo. Registrar las lecturas durante el ensayo en los tiempos predeterminados, antes de incrementar la fuerza. Realizar el grafico de la deformación vs tiempo. Para realizar el corte de la muestra se debe de quitar los seguros para permitir su desplazamiento. Aplicar la fuerza cortante hasta que se logre la disipación del exceso de presión de poros según la teoría. El ensayo finaliza cuando el esfuerzo cortante es constante o cuando la deformación es 10% de la longitud inicial. Tomar la medida de los datos obtenido en intervalos de tiempo adecuados. Finalmente se retira la muestra de la caja de corte y se lleva a al horno para hallar contenidos de humedad y pesos finales Realizar las gráficas con los datos obtenidos

APLICACIONES DEL ENSAYO El ensayo de consolidación se aplica en obras civiles, ya que el estudio del suelo es muy importante para tipo de proyectos ya sea en edificaciones, obras hidráulicas, obras de protección: ➢ Muros de contención ➢ Represas ➢ Diques ➢ Gaviones, etc.

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CÁLCULO DE RESULTADOS OBTENIDOS EJERCICIO 2: A continuación, se dan los resultados de cuatro pruebas de corte directo con drenaje sobre una arcilla. - Diámetro del espécimen = 50mm - Altura del espécimen = 25mm Dibuje la gráfica del esfuerzo cortante versus el esfuerzo normal; y determine el ángulo de fricción y cohesión de la muestra. Según los resultados, ¿a qué tipo de arcilla pertenece? Justifique.

Ilustración 14: Tabla de fuerzas - Datos

Aplicación de esfuerzo cortante: Datos: Datos de la caja de corte Diámetro 50 Altura 25 Área -

mm mm -

0.05 0.025 0.00196

m cm m2

Paso 1: Se halla el área de la muestra en metros cuadrados (𝑚2 ) 𝐴=

𝜋 2 𝜋 𝐷 = 0.052 = 0.00196𝑚2 4 4

Paso 2: Se halla el Esfuerzo Normal, transformando las unidades a kPa y aplicando la siguiente fórmula (fuerza normal/área): 𝜎=

𝑁 𝐴

Paso 3: Se halla el Esfuerzo Tangencial, transformando las unidades a kPa y aplicando la siguiente fórmula (fuerza tangencial/área): 𝜏=

𝑇 𝐴 Página | 14

PRUEBA 1: Esfuerzo Normal: 𝜎 =

𝑁 𝐴

=

271 0.00196

𝑇

Esfuerzo Tangencial: 𝜏 = 𝐴 =

= 138265.31 𝑃𝑎 = 138.27 𝑘𝑃𝑎

120.6 0.00196

= 61530.61 𝑃𝑎 = 61.53 𝑘𝑃𝑎

PRUEBA 2: Esfuerzo Normal: 𝜎 =

𝑁 𝐴

=

406.25 0.00196

𝑇

Esfuerzo Tangencial: 𝜏 = 𝐴 =

= 207270.40 𝑃𝑎 = 207.27 𝑘𝑃𝑎

170.64 0.00196

= 87061.22 𝑃𝑎 = 87.06 𝑘𝑃𝑎

PRUEBA 3: Esfuerzo Normal: 𝜎 =

𝑁 𝐴

=

474 0.00196

𝑇

Esfuerzo Tangencial: 𝜏 = 𝐴 =

= 241836.73 𝑃𝑎 = 241.84 𝑘𝑃𝑎

204.1 0.00196

= 104132.65 𝑃𝑎 = 104.13 𝑘𝑃𝑎

PRUEBA 4: Esfuerzo Normal: 𝜎 =

𝑁 𝐴

=

Esfuerzo Tangencial: 𝜏 =

PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PRUEBA 4

𝑇 𝐴

541.65 0.00196

=

= 276352.04 𝑃𝑎 = 276.35 𝑘𝑃𝑎

244.3 0.00196

ESFUERZO NORMAL (kPa) 138.27 207.27 241.84 276.35

= 124642.86 𝑃𝑎 = 124.64 𝑘𝑃𝑎

ESFUERZO TANGENCIAL (kPa) 61.53 87.06 104.13 124.64

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Paso 4: Se realiza en la gráfica la intersección de resultados en una recta Esfuerzo Normal VS Esfuerzo Tangencial. En ella se puede observar que los 4 puntos no forman una recta.

Paso 5: Se procede a trazar la línea de regresión de los puntos. A partir de la ecuación de eta recta se obtiene el ángulo de fricción y la cohesión. 𝑎

−1

(0.4503) = 𝜑 = 24.24° = 24° , C = 0

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INTERPRETACIÓN: Según los datos obtenidos de la gráfica de Tensión Normal VS Tensión Tangencial, los parámetros: • •

Cohesión: c -> 0 Ángulo de fricción: 𝜑 = 24°

Por lo cual se define como Arcilla Normalmente Consolidada

Ilustración 15: Valores de parámetros de resistencia

Así mismo, según los valores de parámetro de resistencia, se define al material como Arcilla normalmente consolidada muy suelta.

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EJERCICIO 3: A continuación, se dan los resultados de tres pruebas de corte directo con drenaje sobre una muestra de suelo. - Dibuje la gráfica del esfuerzo cortante versus el esfuerzo normal; y determine el ángulo de fricción y cohesión de la muestra. - Según los resultados, ¿a qué tipo de suelo pertenece? ¿es suelo denso? Justifique.

Ilustración 16: Gráfica de resultados - Datos

Paso 1: Analizar la gráfica de la curva Esfuerzo – Deformación y determinar los valores de Esfuerzo Normal y Esfuerzo Tangencial para cada prueba.

PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3

ESFUERZO NORMAL (kPa)

ESFUERZO TANGENCIAL (kPa)

100 200 300

56 90 148

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Paso 2: Se realiza en la gráfica la intersección de resultados en una recta Esfuerzo Normal VS Esfuerzo Tangencial. En ella se puede observar que los 3 puntos no forman una recta.

Paso 3: Se procede a trazar la línea de regresión de los puntos. A partir de la ecuación de eta recta se obtiene el ángulo de fricción y la cohesión. 𝑎

−1

(0.46) = 𝜑 = 24.70° = 25° , C = 6

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INTERPRETACIÓN: Según los datos obtenidos de la gráfica de Tensión Normal VS Tensión Tangencial, los parámetros: • •

Cohesión: c > 0 Ángulo de fricción: 𝜑 = 25°

Por lo cual se define como Arcilla Preconsolidada

Así mismo, según los valores de parámetro de resistencia, se define al material como Arcilla Preconsolidada muy suelta.

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ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE RESULTADOS ➢ A partir de la la línea de regresión de los puntos se obtiene el ángulo de fricción y la cohesión. Estos valores serán fundamentales para determinar las características del suelo (Arenas y arcillas Normalmente consolidadas y Preconsolidada) ➢ Cuando la recta pasa por el origen o se asemeja c´=0, será una gráfica típica de Arenas y Arcillas Normalmente Consolidadas. Caso contrario, de presentarse cohesión efectiva c’>0, será una gráfica típica de Arcillas Preconsolidadas. ➢ Se obtuvieron los parámetros de resistencia al corte. Con estos se pudo determinar que, para el primer ejercicio, se define al material como Arcilla normalmente consolidada muy suelta y, para el segundo ejercicio, se define al material como Arcilla Preconsolidada muy suelta. ➢ En la gráfica se analiza la respuesta tensión – desplazamiento horizontal. De cada relación tensión – deformación, se toman el valor de la resistencia tangencial máxima, 𝛕𝒎𝒂𝒙, en kPa y la deformación horizontal correspondiente. ➢ En un mismo grafico se representan en escala decimal, la tensión tangencial máxima, 𝛕𝒎𝒂𝒙, en kPa, en ordenadas y la tensión normal, 𝝈𝒏, en kPa, en abscisas, para cada uno de los análisis del ensayo. Es imprescindible que la escala utilizada en ambos ejes sea la misma. ➢ Estimando que la relación entre 𝛕𝒎𝒂𝒙 y 𝝈𝒏 es lineal, la pendiente de la línea de mejor ajuste y el punto de corte con el eje de ordenadas dan los parámetros resistentes del suelo, ángulo de fricción y cohesión, respectivamente.

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COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ➢ Se deben tener en cuenta las condiciones de saturación de la muestra. Esta debe ser preservada y transportada con parafina u otro componente que ayude a preservar las propiedades del suelo. ➢ Los resultados obtenidos pueden verse enormemente afectados por la pérdida de las características originales de la muestra. Por ello se, la preparación de la muestra debe efectuarse de tal manera que la pérdida de humedad sea insignificante. ➢ Es necesario conocer las características del suelo tales como la resistencia al corte y al ángulo de fricción para evitar los asentamientos diferenciales y los desplazamientos en taludes. ➢ En ensayos de corte directo los ensayos pueden variar de acuerdo con el tipo de suelo, en caso de arenas termina en un tiempo de hasta 4 horas, mientras que en el caso de suelos cohesivos el ensayo tardará hasta 2 días de prueba. ➢ Los incrementos de carga que se aplican (fuerza normal) están en función del tipo de muestra de suelo. Así mismo, para suelos relativamente firmes solo es necesario un incremento de carga, debido a su resistencia y a su sensibilidad. ➢ Es importante conocer los resultados, ya que simulan las presiones del peso propio de un talud y los esfuerzos cortantes que pueden generar los momentos sísmicos. Los resultados del ensayo se ven afectados de acuerdo con el tipo de suelo ensayado. ➢ Para suelos expansivos se debe efectuar el humedecimiento después de la aplicación de la fuerza normal, para evitar expansiones que no son representativas de las condiciones de campo.

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ANEXOS

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ➢ ASTM D2435 – D2435M – 11 “Métodos de prueba estándar para la prueba de corte directo de suelos en condiciones de drenaje consolidado”, ASTM Internacional, consultado el 09 de octubre 2020, https://www.astm.org/Standards/D2435 ➢ NTP 339.171:2002 “Métodos de ensayo normalizado para el corte directo de suelos bajo condiciones consolidadas drenadas”, INACAL, consultado el 09 de octubre 2020, https://servicios.inacal.gob.pe/cidalerta/bibliotecadetalle.aspx?id=24860 ➢ J. Badillo, R. Rodríguez. (2005), Mecánica De Suelos, Tomo 1, Fundamentos De La Mecánica De Suelos (Pág. 293-305). (México): Limusa. ➢ Terzaghi K. Theoretical Soil Mechanics. Ed. Wiley, New York (1943) ➢ Corte directo de Deformación controlada – Fuente: Salas J. y De Justo Alpañes J. Vol. 1, 1975. ➢ Repositorio Universidad Politécnica de Cartagena, Ensayo de Corte directo [en línea]. Repositorio.upct.es, 2017 [consulta: 10 de octubre de 2020]. Disponible en: https://repositorio.upct.es/xmlui/bitstream/handle/10317/6283/tfg-ortens.pdf?sequence=1&isAllowed=y ➢ Universidad Militar Nueva Granada, Guía para la ejecución de Ensayos de Mecánica de Suelos [en línea]. Mecadesuelosumng.weebly.com, 2011 [consulta: 8 de octubre de 2020]. Disponible en: http://mecanicadesuelosumng.weebly.com/presentacioacuten-laboratorio.html

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