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ENSAYO DE COMPRESIÓN NO CONFINADA
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
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Ensayo de Consolidación
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
I. RESUMEN
Al someter una masa de suelo saturado a un incremento de carga, ésta esta soportada
inicialmente por el agua contenida en los poros, ya que ella es incompresible en
comparación con la estructura del suelo. La presión que resulta en el agua a causa del
incremento de la carga es llamada exceso de presión hidrostática. A medida que el
agua drena de los poros del suelo, el incremento de carga es transmitido a la
estructura del suelo. La trasferencia de carga es acompañada por un cambio de
volumen del suelo igual al volumen de agua drenada. Este proceso es conocido como
consolidación.
Este es un proceso que tiene un tiempo acotado de ocurrencia, comienza cuando se
aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presión de los poros es igual a la
hidrostática, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido la totalidad de la
transferencia de carga del agua a la estructura de suelo. Terminando este proceso
llamado consolidación primaria, el suelo continúa deformándose, aunque en menor
magnitud, debido a un reacomodamiento de los granos. A este último proceso se lo
denomina consolidación secundaria.
El asiento total, suponiendo que el último valor medido coincide con el momento en
que desaparece toda la sobrepresión intersticial creada al aplicar la carga, es una
medida de la deformación del esqueleto del suelo. Si se realizan varios escalones de
carga, se obtendrá una curva de compresibilidad. Que relaciona la presión efectiva (en
escala logarítmica) con la deformación del esqueleto mineral, expresada por el índice
de poros o relación de vacios.
El propósito fundamental del ensayo de consolidación es determinar ciertos
parámetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del asentamiento
de estructuras fundadas sobre arcillas. Además, el ensayo permite obtener
información acerca de la historia de presiones a que ha sido sometido el suelo.
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II. INTRODUCCIÓN
El ensayo de consolidación, también llamado ensayo de compresión confinada, es
de gran importancia, debido a que la consolidación es un problema natural de los
suelos finos, como arcillas y limos, y todas las edificaciones fundadas sobre este tipo
de suelo enfrentarán este fenómeno. Por lo anterior es de vital importancia conocer la
velocidad de asentamiento total y diferencial de la estructura. La consolidación es el
proceso de asentamiento de los suelos antes mencionados, cuando están saturados y
sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros. Todo lo
anterior se refleja en los resultados obtenidos a partir del ensayo, el cual entrega la
curva de esfuerzo deformación, la presión de preconsolidación y el coeficiente de
consolidación. El ensayo de consolidación es un ensayo bastante complicado debido a
que tiene un complejo procedimiento, en el cual debemos ver cómo va variando el
volumen del suelo al aplicar la carga, con una duración de dos semanas
aproximadamente, aunque en nuestro caso se verá una forma simplificada del ensayo,
ya que por motivos de tiempo y espacio en el laboratorio no se podrá hacer completo.
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III. OBJETIVOS
2.1.-Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para
realizar el ensayo de consolidación, aprendiendo las características de cada uno, y los
cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia.
2.2.-Interpretar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de
manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.
2.3.-Evaluar asentamientos por consolidación.
2.4.-Estimar velocidad del asentamiento (tiempo).
2.5.-Conocer la magnitud y rapidez de los cambios de volumen de una muestra al ser
sometida a un ensayo de consolidación.
2.6.-Construir las curvas de consolidación y establecer los puntos importantes a través
del método de Casagrande, para la determinación de las características de
compresibilidad del suelo y rapidez de consolidación.
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IV. MARCO TEORICO
La consolidación es la disipación del exceso de presión de poro debido al flujo de
agua hacia el exterior.
Este ensayo se encuentra estandarizado por la ASTM D-2435.
La consolidación es el proceso de asentamiento de arcillas saturadas cuando están
sujetas a incrementos de cargas debido a la disipación de la presión de poros. Como
podemos apreciar los parámetros obtenidos con ese ensayo son muy importantes para
la estimación de la magnitud y velocidad de asentamiento total y diferencial de una
estructura o relleno, es por esto que estos parámetros son de gran importancia en
cualquier tipo de construcción.
Los parámetros más importantes que se obtienen del suelo al realizar el ensayo son:
El coeficiente de consolidación CV, que indica el grado de asentamiento del suelo bajo
un cierto incremento de carga y vinculada a la velocidad del mismo.
El índice de compresibilidad CC, que expresa la compresibilidad de una muestra.
La presión de preconsolidación PC, que indica la máxima presión que ha soportado el
suelo en su historia geológica.
En campo, cuando el esfuerzo sobre un estrato de arcilla saturada se incrementa; por
ejemplo, por la construcción de una cimentación, por la presión del agua de poro en la
arcilla se incrementará. Debido a que la permeabilidad de las arcillas es muy pequeña,
se requerirá algún tiempo para que el exceso de presión del agua de poros se disipe y
el incremento del esfuerzo se transfiera a la estructura del suelo.
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1. DEFINICIÓN
Se define como consolidación la deformación plástica debida a reducción en la
relación (generalmente llamada asentamiento) la cual es función del tiempo y el
exceso de presión de poros.
Consolidación inicial Reducción casi instantánea en el volumen de la masa de un
suelo bajo una carga aplicada, que precede a la consolidación primaria, debida
principalmente a la expulsión y compresión del aire contenido en los vacios del suelo.
Consolidación primaria Reducción en el volumen de la masa de un suelo originada por
la aplicación de una carga permanente y la expulsión del agua de los vacios,
acompañada por una transferencia de carga del agua a las partículas sólidas del
suelo.
Consolidación secundaria Reducción en el volumen de la masa del suelo, causada por
la aplicación de una carga permanente y el acomodo de la estructura interna de su
masa luego de que la mayor parte de la carga ha sido transferida a las partículas
sólidas del suelo.
2. ENSAYO DE CONSOLIDACION
Cuando se somete un suelo a un incremento en presión (o carga), ocurre un
reajuste da la estructura del suelo que podría considerarse primeramente como una
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Figura Nº 01: Principios de consolidación
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deformación plástica correspondientes a una reducción en la relación de vacios.
Puede producirse también una pequeña cantidad de deformación elástica peor
considerando la magnitud de las cargas involucradas y el hecho de que el módulo de
elasticidad de los granos de suelo sea del orden de 20mpa de la deformación elástica
es despreciable.
Cuando se aplica una carga a un suelo de grano grueso completamente seco, parcial
o completamente saturado, o cuando la carga se aplica a suelo seco, el proceso de
deformación plástica con reducción en la relación de vacios tiene lugar en un periodo
de tiempo tan corto que es posible considerarlo como instantáneo. Esto puede
explicarse en suelos secos por el hecho de que el aire tiene poca viscosidad y es muy
fácilmente comprimido; se esa forma los sólidos no presentan ninguna resistencia al
flujo hacia fuera del fluido de los poros, a medida que lo vacios del suelo se reducen.
En el caso de un suelo de grano saturado o parcialmente saturado, el coeficiente de
permeabilidad “” es suficientemente grande para que el agua de los poros también
pueda salir casi instantáneamente.
Cuando se aplica una carga a un suelo de grano fino saturado parcial o totalmente el
tiempo para lograr la deformación plástica y la reducción en la relación de los vacios
es mucho mayor, y para este proceso dependerá de varios factores entre los cuales
los principales son:
Grado de saturación
Coeficiente de permeabilidad del suelo.
Las propiedades del flujo de los poros.
La longitud de la trayectoria que debe recorrer el fluido expulsado de la
muestra para encontrar equilibrio.
El ensayo del laboratorio es unidimensional por el hecho de que con un anillo metálico
para confinar la muestra, no se permite flujo o movimiento de agua en un sentido
lateral. Todo el flujo de agua sucede en un sentido vertical. En el terreno ocurre algo
de movimiento lateral de agua y algo de movimiento lateral del suelo.
EL en ensayo de consolidación en el laboratorio se hace sobre una muestra que tiene
entre 20 y 40mm de espesor colocada en un anillo de metal confinante de diámetro
entre 45 y 113mm (100cm2). Existe dos tipos de anillos el fijo y el flotante, el fijo
facilita la medición del coeficiente de permeabilidad. La relación diámetro/altura debe
ser >2.5
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3. TEORÍA DE TERZAGHI PARA LA CONSOLIDACIÓN
Terzaghi en 1923 publicó la ecuación diferencial fundamental para el proceso de
consolidación.
En 1924 presentó su teoría de "consolidación de arcillas" (para la cual también usaba
el nombre de "teoría de esfuerzos hidrodinámicos"), en el Primer Congreso
Internacional de Mecánica Aplicada, en Delft, Holanda.
En mayo de 1926 construyó un aparato de consolidación en miniatura, equipo para
realizar ensayos de suelos, el cual fue utilizado en el M.I.T.
Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de
consolidación, lo cual se conoce como analogía mecánica de Terzaghi. El mismo
consiste en un recipiente cilíndrico lleno de agua, con un resorte dentro y sobre el
pistón con una válvula. El resorte representa el esqueleto mineral de un suelo y el
agua sería el agua intersticial del suelo. Se supone que el pistón sin fricción es
soportado por el resorte. Al aplicar una carga al pistón con la válvula cerrada, la
longitud del resorte permanece invariable, puesto que el agua se considera
incompresible. Si la carga introduce un aumento de la presión total, entonces la
totalidad de este aumento debe ser absorbido por un aumento igual de la presión del
agua. Cuando se abre la válvula, el exceso de presión de agua en la cámara causa el
flujo de ésta hacia afuera, la presión disminuye y el pistón se hunde a medida que se
comprime el resorte, En esta forma, la carga se transfiere en forma graduada al
resorte, reduciendo su longitud, hasta que toda la carga es soportada el mismo. Por
consiguiente, en la etapa final, el aumento de la presión efectiva es igual al aumento
de la presión total, y el exceso de presión de agua se reduce a cero. La velocidad de
compresión depende del grado de apertura de la válvula, esto es análogo a la
permeabilidad del suelo.
Si el estrato que consolida es libre de drenar por sus caras superior e inferior, el
mismo es llamado capa abierta, y su espesor se denota por 2H. Si el agua sólo puede
escapar a través de una superficie, el estrato es llamado semiabierto. El espeso del los
estratos semiabiertos se denota por H. Ambos caos se muestran en la figura.
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Figura Nº 02: Analogía Mecánica de Terzaghi
Figura Nº 02: Variación de la presión de poros en función del tiempo
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4. TEORÍA DE TERZAGHI PARA LA CONSOLIDACIÓN VERTICAL
4.1. Deducción de la ecuación de comportamiento:
Considérese un depósito de suelo homogéneo, saturado de longitud lateral infinita
y cometido a una carga uniforme que aplicada en toda el área superficial. El suelo
reposa sobre una base impermeable y drena libremente por cara superior. La
disipación del exceso de presión de poros en cualquier punto solo se producirá
mediante el flujo del agua intersticial en sentido vertical ascendente hacia la superficie.
vz=.Es la velocidad vertical del flujo que entra en el elemento.
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Figura Nº 03: Consolidación vertical de una capa de suelo
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vz+∆z=¿¿ Es la velocidad vertical el flujo que sale del elemento
Si se aplica el Teorema de Taylor, se tiene.
……(1)
Puesto que ∆ z es muy pequeño, puede suponerse que los términos de segundo orden
y de orden superior son insignificantes, por lo tanto.
…… (2)
A partir del principio de continuidad del volumen se tiene que:
Entonces:
…… (3)
Donde A es el área plana del elemento y V es el volumen. Por tanto:
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…… (4)
V. MATERIALES
1 Muestra
2 Pie de rey
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3 Anillos metálicos
4 Consolidometro
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5 Micrómetro
6 Pesas
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7 Balanza
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VI. PROCEDIMIENTO
La prueba de Consolidación Estándar consiste en comprimir verticalmente una
muestra de suelo en estudio, confinándola en un anillo rígido. El suelo está sujeto a un
esfuerzo en sus dos superficies planas; toda deformación ocurre en el eje vertical, las
deformaciones elástica y cortante son insignificantes debido a que toda la superficie de
la muestra se carga y no permite deformación lateral.
Los esfuerzos se aplican siguiendo una secuencia de cargas normalizadas o
establecidas previamente, las cuales estarán de acuerdo al nivel de cargas que el
suelo en estudio soportará en el futuro. En todos los casos y para cada incremento de
carga la muestra sufre una primera deformación correspondiente al retraso
hidrodinámico que se llama consolidación primaria y también sufre una deformación
adicional debido a un fenómeno secundario.
Teóricamente es factible el fenómeno de consolidación cuando la muestra está
saturada, sin embargo, la práctica se admite que también se genera un proceso similar
en masas de suelo que no están 100% saturadas y por lo tanto, para estos casos se
aplica también la teoría de la consolidación, teniendo presente que se trata sólo de
una interpretación aproximada y que las conclusiones finales deben darse en base a
las propiedades físico-químicas y límites de consistencia, acompañadas de una buena
descripción de campo.
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Los pasos realizados en el laboratorio fueron los siguientes:
1) Tallamos la muestra usando el anillo y un cuchillo
M
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2)
Pesamos el anillo
3) Pesamos luego el anillo más suelo húmedo
4) Posteriormente colocamos la nuestra en el consolidometro antes de
cual primero empezamos a colocar los componentes de mismo
echando primero vaselina alrededor de estos para puedan ingresar.
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5) Luego de colocada la muestra ejercemos un carga generada por las pesas
ubicadas en la parte inferior del consolidometro .
Tomamos lectura del micrómetro cada 6,15,30 segundos luego cada
1,2,4,8,15,30,60 y 120 minutos
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VII. CONCLUSIONES
1. Se conocieron equipos y materiales para realizar en ensayo de consolidación.
2. Se obtuvieron los asentamientos y se calcularon los datos
3. Se realizaron los gráficos de acuerdo a los valores calculados
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TABULACION PARA CURVA DE COMPRESIBILIDAD
RESUMEN DE DATOS Y CALCULOS
Consolidometro: Nº 165 P - 00
Hs = 12,31 H1 = 24,70 e1 = 1,007
X Y
Fecha en que se aplica el
incremento de carga
Tiempo transcurrido para cada incremento de carga (horas)
Presión P
(Kg/cm2)
Lectura micrómetro promedio
(Izq. y Der.) (mm)
Deformación S (mm)
Corrección por
compresión Sc (mm)
Deformación Corregida S' = S -Sc
(mm)
S'/HsRelación de
vacíos e =e1-S'/ Hs
CARGA04/03/2008 3.05505/03/2008 24 0,25 3.201 0.146 0,019 0.127 0.010 0.99706/03/2008 24 0,50 3.225 0.024 0,032 0.056 0.005 1.00207/03/2008 24 1,00 3.2945 0.0695 0,052 0.0175 0.001 1.00610/03/2008 24 2,00 6.23 2.9355 0,077 2.8585 0.232 0.77511/03/2008 24 4,00 6.6645 0.4345 0,103 0.3315 0.027 0.95
DESCARGA12/03/2008 24 1,00 6.637 2.758 0,104 2.654 0.216 0.79113/03/2008 24 0,50 6.6115 2.449 0,093 2.356 0.191 0.818616/03/2008 24 0,25 6.575 2.1845 0,084 2.101 0.171 0.836
17/03/2008 24 0,00 6.519 1.298 0,061 1.237 0.100 0.907
0.1 1.0 10.00.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
CURVA DE COMPRESIBILIDAD
Esfuerzo aplicado kg /cm2
Rel
ació
n de
vac
ios
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ENSAYO DE CONSOLIDACION
(Carga de Pre-Consolidación)
Fig. (23). CALCULO DE LA CARGA: METODO DE CASA GRANDE
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Fig. (23). CALCULO DE LA CARGA: METODO DE SCHMERTMANN
P=4.50 kg/cm2
INDICE DE RECOMPRESION (Cr):Cr=0.112
INDICE DE COMPRESION (CC):CC=0.237
ASENTAMIENTO:H=0.169 cm
TABULACION PARA CURVA DE CONSOLIDACION
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Pc = 0,92 kg/cm2peso especifico (y) = 0,00215 Kg/cm3
Po = y*h = 0,344 Kg/cm2H1= 2,47 cm
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REGISTRO: P-00
CARGA : 0,25 Kg/cm2Y X
Dia/Hora Presión
Lectura del Micrometro Lectura
PromedioTiempo (min)
IzquierdoDerech
o08:54 -6
0,25 kg.
2,830 3,980 3,405 0,10 ' 0,3208:54 -15 2,847 2,990 2,919 0,25 ' 0,5008:54 -30 2,850 2,991 2,921 0,50 ' 0,7108:55 -1 2,852 2,994 2,923 1,00 ' 1,0008:57 -2 2,871 3,005 2,938 3,00 ' 1,7309:01 -4 2,880 3,010 2,945 7,00 ' 2,6509:09 -8 2,890 3,020 2,955 15,00 ' 3,87
09:24 -15 2,901 3,029 2,965 30,00 ' 5,4809:54 -30 2,918 3,038 2,978 60,00 ' 7,7510:54 -60 2,930 3,043 2,987 120,00 ' 10,95
12:54 -120 2,932 3,050 2,991 240,00 ' 15,4905/06/12 8:53:00 2,970 3,075 3,023 1440,00 ' 37,95
0.10 ' 1.00 ' 10.00 ' 100.00 ' 1000.00 ' 10000.00 '
2.850
2.950
3.050
3.150
3.250
3.350
3.450
CURVA DE CONSOLIDACIÓN Carga 0.25 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
CARGA :
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√𝑡
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0,50 Kg/cm2Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
Promedio Tiempo (min)
Izquierdo Derecho08:54 -6
0,50 kg.
3,060 3,140 3,100 0,10 0,3208:54 -15 3,072 3,150 3,111 0,25 0,5008:54 -30 3,082 3,152 3,117 0,50 0,7108:55 -1 3,100 3,160 3,130 1,00 1,0008:57 -2 3,127 3,170 3,149 3,00 1,7309:01 -4 3,128 3,175 3,152 7,00 2,6509:09 -8 3,180 3,200 3,190 15,00 3,8709:24 -15 3,230 3,240 3,235 30,00 5,4809:54 -30 3,265 3,265 3,265 60,00 7,7510:54 -60 3,290 3,290 3,290 120,00 10,95
12:54 -120 3,315 3,315 3,315 240,00 15,4906/06/12 08:53a.m. 3,372 3,359 3,366 1440,00 37,95
Carga de 1kg
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√𝑡
0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00
3.050
3.100
3.150
3.200
3.250
3.300
3.350
3.400
CURVA DE CONSOLIDACIÓN Carga 0.50 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
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CARGA : 2,00 Kg/cm2Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
Promedio Tiempo (min)
Izquierdo Derecho08:54 -6
2,00 kg.
4,36 4,072 4,216 0,10 0,3208:54 -15 4,428 4,08 4,254 0,25 0,5008:54 -30 4,468 4,088 4,278 0,50 0,7108:55 -1 4,52 4,1 4,31 1,00 1,0008:57 -2 4,65 4,135 4,3925 3,00 1,7309:01 -4 4,728 4,17 4,449 7,00 2,6509:09 -8 4,783 4,225 4,504 15,00 3,8709:24 -15 4,83 4,309 4,5695 30,00 5,4809:54 -30 4,914 4,389 4,6515 60,00 7,7510:54 -60 5,04 4,52 4,78 120,00 10,9512:54 -120 5,079 4,569 4,824 240,00 15,49
41068 08:53a.m. 5,169 4,68 4,9245 1440,00 37,95
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0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00
3.300
3.400
3.500
3.600
3.700
3.800
3.900
4.000
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 1,00 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
√𝑡
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0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0 10000.0
3.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 2,00 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
CARGA : 4,00 Kg/cm2Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
Promedio Tiempo (min)
Izquierdo Derecho08:54 -6
4,00 kg.
5,48 4,85 5,165 0,1 0,3208:54 -15 5,532 4,874 5,203 0,25 0,5008:54 -30 5,548 4,88 5,214 0,5 0,7108:55 -1 5,576 4,92 5,248 1 1,0008:57 -2 5,631 4,981 5,306 3 1,7309:01 -4 5,7 5,41 5,555 7 2,6509:09 -8 5,761 5,118 5,4395 15 3,8709:24 -15 5,841 5,21 5,5255 30 5,4809:54 -30 5,941 5,325 5,633 60 7,7510:54 -60 6,026 5,41 5,718 120 10,9512:54 -120 6,191 5,575 5,883 240 15,49
41071 08:53a.m. 6,367 5,728 6,0475 1440 37,95
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√𝑡
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
0.1 1.0 10.0 100.0 1,000.0 10,000.0
5.105.205.305.405.505.605.705.805.906.006.10
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 4,00 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
DESCARGAS
DESCARGA : 1,00 Kg/cm2
Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
Promedio Tiempo (min)
Izquierdo Derecho
08:55 -1
1,0kg.
6,278 5,662 5,970 0,1 0,32
08:57 -2 6,265 5,651 5,958 0,3 0,50
09:01 -4 6,254 5,639 5,947 0,5 0,71
09:09 -8 6,245 5,622 5,934 1,0 1,00
09:24 -15 6,234 5,603 5,919 3,0 1,73
09:54 -30 6,213 5,574 5,894 7,0 2,65
10:54 -60 6,200 5,535 5,868 15,0 3,87
12:54 -120 6,149 5,468 5,809 30,0 5,48
12/06/12 08:53a.m. 6,111 5,405 5,758 60,0 7,746
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√𝑡
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
1.0 10.0 100.0
5.70
5.80
5.90
6.00
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 1,00 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
DESCARGA : 0,50 Kg/cm2
Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
Promedio
Tiempo Minutos
Izquierdo Derecho08:55 -1
0.50kg.
6,080 5,375 5,728 0,1 0,3208:57 -2 6,075 5,370 5,723 0,3 0,5009:01 -4 6,071 5,365 5,718 0,5 0,7109:09 -8 6,067 5,355 5,711 1,0 1,0009:24 -15 6,060 5,340 5,700 3,0 1,7309:54 -30 6,040 5,300 5,670 7,0 2,6510:54 -60 6,025 5,280 5,653 15,0 3,87
12:54 -120 6,000 5,250 5,625 30,0 5,4813/06/12 08:53a.m. 5,868 5,029 5,449 60,0 7,746
1.0 10.0 100.0
5.40
5.45
5.50
5.55
5.60
5.65
5.70
5.75
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 0,50 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 33
√𝑡
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
DESCARGA : 0,25 Kg/cm2
Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro Promedio Tiempo
MinutosIzquierdo Derecho
08:55 -1
0,25kg.
4,46 4,43 4,445 0,1 0,32
08:57 -2 4,459 4,43 4,4445 0,3 0,50
09:01 -4 4,457 4,429 4,443 0,5 0,71
09:09 -8 4,456 4,428 4,442 1,0 1,00
09:24 -15 4,451 4,422 4,4365 3,0 1,73
09:54 -30 4,45 4,422 4,436 7,0 2,65
10:54 -60 4,449 4,419 4,434 15,0 3,87
12:54 -120 4,449 4,419 4,434 30,0 5,48
14/06/12 08:53a.m. 4,442 4,412 4,427 60,0 7,746
1.0 10.0 100.0
4.42
4.43
4.44
4.45
CURVA DE CONSOLIDACION Carga de 0,25 kg/cm2
Tiempo (min)
Lect
ura
del m
icro
met
ro (m
m)
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 34
√𝑡
DESCARGA : 0, Kg/cm2
Y X
Dia/Hora Presión Lectura del Micrometro
PromedioTiempo MinutosIzquierdo Derecho
08:55 -1
0,kg.
4,391 4,341 4,366 0,1 0,3208:57 -2 4,389 4,34 4,3645 0,3 0,5009:01 -4 4,383 4,326 4,3545 0,5 0,7109:09 -8 4,381 4,321 4,351 1,0 1,0009:24 -15 4,38 4,32 4,35 3,0 1,7309:54 -30 4,379 4,314 4,3465 7,0 2,6510:54 -60 4,376 4,31 4,343 15,0 3,87
12:54 -120 4,372 4,308 4,34 30,0 5,4815/06/12 08:53a.m. 4,367 4,229 4,298 60,0 7,746
√𝑡
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
RESUMEN
Este ensayo consiste en colocar el espécimen del ensayo en una
caja de cizalladura directa, aplicar un esfuerzo normal determinado,
humedecer o drenar el espécimen de ensayo, o ambas cosas,
consolidar el espécimen bajo el esfuerzo normal, soltar los marcos
que contienen la muestra y desplazar en marco horizontalmente
respecto al otro a una velocidad constante de deformación y medir
la fuerza de cizalladura y los desplazamientos horizontales a
medida que la muestra es cizallada.
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
INDICE
I. INTRODUCCIÓN
II. GENERALIDADES
III. OBJETIVOS
IV. MARCO TEORICO
V. MATERIALES Y EQUIPOS
VI. PROCEDIMIENTO
VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
VIII. CONCLUSIONES
IX. RECOMENDACIONES
X. BIBLIOGRAFÍA
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
I. INTRODUCCIÓN
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 a esfuerzo cortante. 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
por 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 y tan f, 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 Y y f por la pendiente de esta recta. En
este ensayo también se puede obtener los parámetros de resistencia residual.
Normalmente el ensayo se realiza sobre tres probetas de un mismo suelo,
sometida cada una de ellas a una presión normal diferente, obteniéndose la
relación entre la tensión tangencial de rotura y la tensión normal aplicada.
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
II. GENERALIDADES
Este método describe y regula el método de ensayo para la determinación de la
resistencia al corte de una muestra de suelo, sometida previamente a un
proceso de consolidación, cuando se le aplica un esfuerzo de cizalladura o
corte directo mientras se permite un drenaje completo de ella. El ensayo se
lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca de un
plano de cizalladura determinado por la configuración del aparato de
cizalladura. Generalmente se ensayan tres o más especímenes, cada uno bajo
una carga normal diferente para determinar su efecto sobre la resistencia al
corte y al desplazamiento y las propiedades de resistencia a partir de las
envolventes de resistencia de Mohr.
Los esfuerzos de cizalladura y los desplazamientos no se distribuyen
uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada
para el cálculo de las deformaciones por cizalladura. En consecuencia, a partir
de este ensayo no pueden determinarse las relaciones esfuerzo-deformación o
cualquier otro valor asociado, como el módulo de cizalladura.
La determinación de las envolventes de resistencia y el desarrollo de criterios
para interpretar y evaluar los resultados del ensayo se dejan a criterios del
ingeniero o de la oficina que solicite el ensayo.
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 39
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ASTM D 3080
Este ensayo consiste básicamente en someter una muestra de suelo de
sección cuadrada y 2.5 cm. de espesor, confinada lateralmente, dentro de una
caja metálica, a una carga normal (σ ) y a un esfuerzo tangencial (τ ), 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 móvil y se desliza respecto a la otra, que es fija, produciendo el
esfuerzo de corte).
En el ensayo se determina cargas y deformaciones.
III. OBJETIVOS
1. 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 a esfuerzo cortante.
2. Medir la resistencia cortante de suelos granulares.
3. Obtener la envolvente de Mohr –coulomb.
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Figura N° 01 (Envolvente de falla para una
arena seca ensayada en corte directo)Figura N° 02 (Envolvente de falla para una
arcilla cura ensayada en corte directo)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
IV. MARCO TEÓRICO
El ensayo está normalizado en ASTM 3080.
La caja de corte es del tipo cuadrada de 100 * 100mm.
El “set” de presiones normales aplicadas a la muestra queda a criterio del
constructor.
Se recomienda usar valores de 50% ;100% ;150% y200% del valor de terreno.
Es decir si la estructura descarga en su fundación una tensión de compresión
de 2(kg/cm ²), se recomienda usar valores de 1 ,2 ,3 y 4 (kg /cm2), lo que
traducido a pesos significan 100 ,200 ,300 y 400 kg respectivamente.
Es un ensayo de cortante, que determina el ángulo de fricción interna y la
cohesión del suelo. Estos parámetros son importantes, para determinar la
capacidad portante del suelo, sobre el que se va a construir. Consiste en
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 41
Figura N° 03 (Ensayo de Corte Directo: ASTM D 3080)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
aplicar esfuerzos verticales y horizontales, a tres muestras de suelo, y
determinar el instante de falla a cortante. Cuando se aplica un esfuerzo vertical
fijo de 0.5kg /cm2, la primera muestra falla con un esfuerzo horizontal o cortante
τ1, la segunda muestra es sometida a un esfuerzo de 1.0kg /cm2, y falla con un
esfuerzo cortanteτ 2. La tercera es sometida a un esfuerzo de compresión de
1.5kg /cm2, y falla con un cortante τ3. Con estos tres pares ordenados se grafica
el diagrama de ruptura de Mohr. También, se hace uso del análisis de
regresión lineal, para obtener el ángulo de fricción interna y la cohesión del
suelo.
Las condiciones del ensayo, incluyendo los esfuerzos normales y la humedad,
son seleccionadas para representar las condiciones de campo que se
investigan.
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:
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.
Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al
deslizamiento de una gran masa de suelo.
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
I.1. Ventajas del ensayo de corte directo
I.1.1. El ensayo es relativamente rápido y fácil de llevar a cabo.
I.1.2. El principio básico es fácilmente comprensible.
I.1.3. La preparación de la muestra no es complicada.
I.1.4. Puede medirse el ángulo de fricción entre suelo y roca, o
entresuelo y otros materiales.
I.2. Limitaciones del ensayo de corte directo
I.2.1. La muestra está obligada a fallar en un plano predeterminado.
I.2.2. La distribución de esfuerzos en ésta superficie no es uniforme.
I.2.3. No es posible controlar el drenaje de la muestra, sólo se puede variar la
velocidad de desplazamiento.
I.2.4. No puede medirse la presión de poros.
I.2.5. Las deformaciones aplicadas están limitadas por recorrido máximo de la
caja.
I.2.6. No es posible determinar el módulo de elasticidad ni el de la relación de
Poisson.
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Figura N° 04 (Esquema del
aparato de corte directo)Figura N° 05 (Ensayo de corte
directo en suelos arenosos)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
I.3. Modalidades del Ensayo
Para determinar los parámetros resistentes, c y f 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:
I.3.1. Ensayo Consolidado Drenado (CD)Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta
finalizar la consolidación primaria. De este ensayo se obtienen los
parámetros resistentes efectivos.
I.3.2. Ensayo Consolidado no Drenado (CU)Se aplica la presión normal, permitiendo el drenaje del suelo hasta
finalizar la consolidación primaria. De este ensayo se obtienen los
parámetros resistentes totales.
I.3.3. Ensayo no Consolidado no Drenado (UU)La rotura se inicia nada más 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.
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 45
Figura N° 05 (Detalles del ensayo ya la caja de corte directo)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
V. MATERIALES Y EQUIPOS
Se utiliza el aparato para corte directo (caja partida una fija y la otra se puede
mover horizontalmente con una fuerza horizontal aplicada).
V.1. Máquina de Corte Directo
V.2. Anillos
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Figura N° 06 (máquinade cortedirecto)
Figura N° 07 (Anillo para la muestra)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
V.3. Muestra Inalterada
V.4. Balanza
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Figura N° 08 (Muestra Inalterable)
Imagen N° 09 (balanza electrónica)
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
V.5. Vernier
V.6. Micrómetros
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Figura N° 10(vernier para medir las
dimensiones del anillo)
Figura N° 11
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VI. PROCEDIMIENTO
El procedimiento depende del tipo de suelo y de las condiciones en que
será ensayado; ya que en el ensayo realizado se utilizó muestra inalterada.
Una vez instalo y calibrado el equipo se procede a:
VI.1. Pesar los anillos utilizados para la muestra; así como también
obtener la respectiva altura y diámetro para extraer su volumen.
VI.2. Preparar la muestra a ensayar en una bandeja, con la ayuda de una
espátula.
VI.3. Colocar la muestra en cada anillo formando tres capas, cada una
distribuida y compactada con la ayuda de un pisón mediante golpes,
para así reconstruir el suelo.
VI.4. Tallarlos anillos con la muestra, posteriormente se pesaron,
obteniendo el peso del anillo más muestra natural; ya que así
podemos obtener el peso de la muestra restando el peso del anillo
obtenido anteriormente.
VI.5. Se colocó la respectiva muestra para así poder realizar el ensayo.
VI.6. Aplicar la carga normal σ y deseada (0.5; 1 y 1.5) y colocar el dial
para determinar el desplazamiento vertical (con precisión de 0,01 mm
por división).
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Figura N° 12
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VI.7. A continuación se debe fijar el bloque de carga apretando los tornillos
de fijación provistos para tal propósito a los lados de la parte superior
del anillo.
VI.8. Ajustar el micrómetro de (0.01 mm/división) para medir el
desplazamiento en cortante.
VI.9. Comenzar la carga horizontal (cortante) y tomar lecturas del
micrómetro de carga, del micrómetro de desplazamiento cortante, y
del micrómetro vertical (cambio de volumen).
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Figura N° 13
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VI.10. Las lecturas deberán realizarse en un tiempo de 2 minutos como
mínimo.
VI.11. Luego se extraerá la muestra para ser llevada a la estufa y poder
encontrar el contenido de humedad y podamos realizar nuestros
cálculos.
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Figura N° 14
Figura N° 15 Figura N° 16
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
VII.1. Cálculo de Esfuerzos Normales (σ )
σ=σ y . A…………(1)
Dónde:
σ y = Carga aplicada normal
A = Área de la muestra.
Los esfuerzos normales con los que se trabajó son:
σ N 1=0 ,50 ( kgcm2 )σ N 2=1,00 ( kgcm2 )σ N 3=1.50(kg /cm2)
VII.2. Calculo del Esfuerzo Cortante Último (τ )
τ=TA…………(2)
T= Fuerza rasante dada por el anillo de carga.
VII.3. Construir la Envolvente de Falla (Diagrama envolvente de Mohr)
VII.3.1. Confeccione un gráfico llevando en las ordenadas el esfuerzo de
corte de falla,y en abscisas los esfuerzos normales. Las escalas
vertical y horizontal deben ser las mismas.
VII.3.2. Determine la inclinación de esta recta ( tan∅ ), que indica el ángulo
de fricción interna. Determine la intersección con el eje vertical
que nos indica la cohesión del suelo.
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MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VII.3.3. Dibujar el valor del esfuerzo cortante contra el esfuerzo Normal.
VII.3.4. Trazar una línea recta a través de los puntos dibujados. Si el
suelo es granular y no cohesivo, esta recta debería pasar por el
origen (c=0) que puede considerarse como otro punto del
ensayo. Esta recta es la llamada envolvente de falla o de
Coulomb.
VII.3.5. Obtener el intercepto de cohesión (si existe) con el eje ordenado y
medir la pendiente de la línea para obtener el ángulo de fricción
interno.
VII.4. Deformación Unitaria
VII.4.1. Dibujar una curva de esfuerzo de deformación Unitaria contra esfuerzo
cortante.
VII.4.2. Entregar el dato de deformación máxima en milímetros.
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ENSAYO DE COMPRESIÓN NO CONFINADA
Número de anillo 7
Peso del anillo 81.12 g
Peso del anillo + muestra húmeda natural 319.83 g
Peso de muestra Seca 238.71 g
% Humedad 11.80 %
Diámetro 7.14 cm
Área del Anillo 40.0169 cm2
Altura del Anillo 3.50 cm
Volumen del Anillo 139.8592 cm3
Densidad Seca 1.40 g/cm3
Esfuerzo normal 0.50kg/cm2
K(Constante) 1.6129
Tiempo
(seg)
Dial
Horiz.Desplaz.
Horiz.
Dial de
Carga
Fuerza
Corte
Esfuerzo
de corte
00:00 10.00 0.00 0.00 0.000 0.000 0.000
00:15 9.55 0.45 9.00 14.52 0.35 0.70
00:30 9.10 0.90 11.00 17.74 0.43 0.86
00:45 8.20 1.80 15.00 24.19 0.59 1.17
01:00 7.15 2.85 20.00 32.26 0.78 1.56
01:15 6.20 3.80 20.00 32.26 0.78 1.56
01:30 5.15 4.85 19.00 30.65 0.74 1.48
01:45 4.20 5.80 18.80 30.32 0.73 1.47
02:00 4.30 5.70 18.40 29.68 0.72 1.44
02:15 3.55 6.45 18.80 30.32 0.73 1.47
02:30
02:45
03:00
03:15
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TABLA N° 01
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Número de anillo 16
Peso del anillo 82.00g
Peso del anillo + muestra húmeda natural 317.79 g
Peso de muestra Seca 235.79 g
% Humedad 11.42 %
Diámetro 7.15 cm
Área del Anillo 40.0955 cm2
Altura del Anillo 3.50 cm
Volumen del Anillo 140.1337 cm3
Densidad Seca 1.43 g/cm3
Esfuerzo normal 1.00kg/cm2
K(Constante) 1.6129
Tiempo
(seg)
Dial
Horiz.Despla.
Horiz.
Dial de
Carga
Fuerza
Corte
Esfuerz
o de
corte00:00 10.00 0.00 0.00 0.000 0.000 0.00000:15 9.45 0.55 12.80 20.65 0.51 0.51
00:30 8.45 1.55 19.80 31.94 0.78 0.78
00:45 7.70 2.30 22.80 36.77 0.90 0.90
01:00 6.80 3.20 25.40 40.97 1.01 1.01
01:15 5.85 4.15 27.70 44.68 1.10 1.10
01:30 4.80 5.20 27.00 43.55 1.07 1.07
01:45 3.80 6.20 27.00 43.55 1.07 1.07
02:00 3.80 6.20 27.40 44.19 1.09 1.09
02:15 27.40 44.19 1.09 1.09
02:30 28.20 45.48 1.12 1.12
02:45 29.00 46.77 1.15 1.15
03:00 29.00 46.77 1.15 1.15
03:15 29.00 46.77 1.15 1.15
UNPRG – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 55
TABLA N° 02
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Número de anillo 17
Peso del anillo 81.74 g
Peso del anillo + muestra húmeda natural 318.35 g
Peso de muestra Seca 236.61 g
% Humedad 9.19 %
Diámetro 7.15 cm
Área del Anillo 40.0955 cm2
Altura del Anillo 3.50 cm
Volumen del Anillo 140.1337 cm3
Densidad Seca 1.44 g/cm3
Esfuerzo normal 1.50kg/cm2
K(Constante) 1.6129
Tiempo
(seg)
Dial
Horiz.Despla.
Horiz.
Dial de
Carga
Fuerza
Corte
Esfuerz
o de
corte00:00 10.00 0.00 0.00 0.000 0.000 0.00000:15 9.70 0.30 15.00 24.19 0.59 0.40
00:30 8.80 1.20 25.00 40.32 0.99 0.66
00:45 7.85 2.15 28.40 45.81 1.13 0.75
01:00 6.86 3.14 32.20 51.94 1.28 0.85
01:15 5.75 4.25 36.80 59.35 1.46 0.97
01:30 4.70 5.30 37.00 59.68 1.47 0.98
01:45 3.70 6.30 37.20 60.00 1.47 0.98
02:00 2.70 7.30 38.00 61.29 1.51 1.00
02:15 2.70 7.30 38.70 62.42 1.53 1.02
02:30 2.70 7.30 39.00 62.90 1.54 1.03
02:45 2.70 7.30 39.00 62.90 1.54 1.03
03:00 2.70 7.30 39.00 62.90 1.54 1.03
03:15 2.70 7.30 39.40 63.55 1.56 1.04
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TABLA N° 03
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
ESPÉCIMEN N°
PESO VOLUMEN
SECO (gr/cm3)
ESFUERZONORMAL (kg/cm2)
PROPORCIÓN DE ESFUERZOS
HUMEDAD NATURAL
ESFUERZO DE CORTE
(kg/cm2)
7 1.401 0.50 1.56 11.80 % 0.781
16 1.432 1.00 1.15 11.42 % 1.149
17 1.442 1.50 1.03 9.19 % 1.545
VII.5. Curva de Deformaciones y Envolvente de Mohr
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.000.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
Deformacion Tangencial (mm)
Prop
orci
ón d
e Es
uerz
os (
t / s
)
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TABLA N° 04
Figura N° 17
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
0.00 0.50 1.00 1.50 2.000.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
f(x) = 0.763563122096697 x + 0.394827762373241
Esfuerzo Normal (kg/cm2)
Esfu
erzo
Cor
tant
e (k
g/cm
2)
Del gráfico Y=0.355 x+1.210
El ángulo de fricción interna : arct (0.355) 37.364 º
Cohesión C=0.395 kg /cm2
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Figura N° 18
TABLA N° 05
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VII.6. Gráfico de los Factores de Capacidad de Carga N ’C , N ' q , N ' δ (Correspondientes a la ecuación de Terzaghi).
VII.7. Calculo De La Capacidad Portante Del Suelo.
ESPECIMEN N°
PESO VOLUMETRICO
HUMEDO g/cm3
PESO UNITARIO
DE LA MUESTRA
g/cm3
PROMEDIO(δ)
FACTORES DE
CAPACIDAD DE CARGA
VALORES OBTENIDOS
SEGÚN EL ANGULO DE FRICCIÓN
COHESIÓN(kg/m2)
7 2,046 2046,26
2071,993
N 'C 19,0
θ=37.364° 395016 2,107 2107,38 N 'q 8,6
17 2,062 2062,34 N 'δ 2,9
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Figura N° 19
TABLA N° 06
MECÁNICA DE SUELOS II - ENSAYO DE CORTE DIRECTO
VIII. CONCLUSIONES
VIII.1. El ángulo de fricción interna fue de 37.364 °
VIII.2. La cohesión fue de 0.395 kg /cm2.
VIII.3. En nuestro caso, en el ensayo realizado se trabajó con esfuerzos de
0.50 ,1.00 , y1.00 kg /cm2.
IX. RECOMENDACIONES
IX.1. Es recomendable que se hallen los esfuerzos de falla máximos en
condiciones de saturación, es decir en las peores condiciones, lo cual
permitirá obtener óptimos resultados en el momento de evaluación,
propuesta y ejecución del proyecto, e incluso se pueden realizar en
estados desfavorables para la construcción de la edificación.
X. BIBLIOGRAFIA
X.1. Información entregada por el docente.
X.2. ASTM Standard D3080-90: Method for Direct Shear Test of Soil
Under Consolidated Drained Conditions.
X.3. Ingeniería Geotecnia (Ing. William Rodríguez Serquén).
X.4. www.google.com.pe.
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