RESISTENCIA DEL SUELO AL ESFUERZO CORTANTE

ÁREA: MECÁNICA DE SUELOS

PRUEBAS TRIAXIALES

PRESENTA: ALEJANDRO PICAZO MEDEL

OCTUBRE 2011

Mecánica de Suelos

Resistencia al corte de los suelos

La evaluación de los parámetros de resistencia al corte es una parte fundamental y necesaria en los procedimientos de análisis, diseño y revisión relacionados con cimentaciones, muros de retención y estabilidad de taludes.

Resistencia al corte de una masa de suelo, es la resistencia interna por unidad de área que la masa de suelo ofrece para resistir la falla y deslizamiento a lo largo de un plano; de otro modo, es el valor máximo de la resistencia al corte que se puede inducir dentro de la masa de suelo antes de que ceda.

En 1776, Coulomb relaciona la resistencia al corte de un suelo, con el esfuerzo de compresión aplicado, basado en el “modelo de fricción”. Coulomb, supuso que la resistencia cohesiva es independiente del esfuerzo de compresión aplicado y que además es constante para un suelo dado. Pero que la resistencia a la fricción varía de forma directa con la magnitud del esfuerzo normal desarrollado en el plano de deslizamiento.

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Problemas donde interviene la resistencia al corte de los suelos

CORTES EN VÍAS TERRESTRES

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DESLIZAMIENTO DE LADERAS

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ESTABILIDAD DE TALUDES

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CIMENTACIONES

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TÚNELES

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EXCAVACIONES

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Criterio de falla Mohr-Coulomb

Este criterio establece que un material falla debido a una combinación crítica del esfuerzo normal y el esfuerzo cortante, y no únicamente por un esfuerzo máximo ya sea normal o cortante.

Así, el esfuerzo cortante en un plano de falla es una función lineal del esfuerzo normal, expresada por la ecuación:

f = c + *tan

donde: c = cohesión

= ángulo de fricción interna

f = resistencia al corte C

Esfuerzo normal,

Esf

uerz

o co

rtan

te,

c

B

A

Envolvente de falla

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Crit. falla Mohr-Coulomb (cont.)

Envolvente de resistencia: es una representación gráfica de una condición límite perticular (/).

Ángulo de resistencia al corte, : es el ángulo entre la envolvente y el eje de esfuerzos normales. El ángulo de resistencia al corte es aproximadamente igual al ángulo de fricción interna. Es necesario agregar un subíndice a para especificar la condición tratada, así:

máx= ángulo de resistencia al corte máxima

ult= ángulo de resistencia al corte última

r= ángulo de resistencia al corte residual

Por lo anterior, se observa que se pueden construir envolventes de resistencia máxima y envolventes de resistencia última.

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Curva esfuerzo vs. deformación del suelo

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Tipos de envolvente de falla

Curva esfuerzo vs deformación (experimental)

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Tipos de pruebas para determinar los parámetros de resistencia al corte (c y )

Pruebas de laboratorio Pruebas in situ

Caja de corte directo Caja de corte directo in situ

Pruebas triaxiales estáticas (UU, CU, CD)

Aparato de veleta de corte

Consolidación isotrópica Torcómetros

Aparato de corte directo por torsión

Prueba de penetración estándar (SPT), por correlaciones empiricas

Trayectoria de esfuerzosOtros (cono eléctrico, dilatómetro, etc)

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Pruebas triaxiales estáticas

Son el ensayo de corte de uso común en laboratorio, pues permite aplicar diferentes procedimientos, es adecuado para todos los tipos de suelo excepto para arcillas muy sensitivas.

Se dice que son pruebas triaxiales debido a que se aplican esfuerzos de compresión a lo largo de tres ejes prependiculares entre sí.

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Preparación de la probeta

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Montaje de la muestra

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Prueba triaxial estática UU (no consolidada, no drenada)

El proposito de esta prueba es determinar el esfuerzo cortante no drenado de un suelo saturado. La prueba UU consiste en aplicarle a la probeta un esfuerzo de confinamiento, sin permitir que ésta se consolide, posteriormente se aplica carga axial, sin permitir el drenaje.

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Circulos de Mohr obtenidos en pruebas UU

CÍRCULOS DE MORH (EXPERIMENTAL)

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Esfuerzos en el interior de la probetaprueba UU

Etapa de confinamiento Etapa de falla

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Comentarios hacerca de la prueba UU

La prueba UU, también llamada prueba rápida, sólo se puede expresar en términos del esfuerzo total, la duración de la prueba es desde 10 a 15 minutos hasta 2 horas aproximadamente. Este ensaye se usa para medir la resistencia sin drenaje (Cu) y sólo se recomienda para arcilla saturadas, en las cuales últ =o

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Prueba triaxial estática CU (consolidada, no drenada)

El objetivo de esta prueba es determinar los parámetros drenados y no drenados de resistencia al corte. En la prueba CU después de aplicar el esfuerzo de confinamiento, se permite el drenaje de la probeta para que ésta se consolide. Más adelante, en la etapa de falla no se permite el drenaje y se mide el exceso de presión de poro.

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Comentarios de la prueba CU

En los ensayos tipo CU se pueden obtener los parámetros de resistencia al corte con respecto al esfuerzo total como al efectivo. La duración de la etapa de consolidación depende del tipo del suelo y del tamaño del espécimen, pero puede durar en algunos casos hasta 48 hrs, la etapa de falla varía entre 10 minutos y 2 hrs, esta prueba se emplea para medir los parámetros c y f de esfuerzos efectivos, así como los de esfuerzos totales, ccu y cu, o sea, sin condiciones de drenaje.

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Prueba triaxial estática CD (consolidada, drenada)

El proposito de esta prueba es determinar los parámetros de resisctencia al corte en condiciones de drenaje. La prueba CD consiste en aplicarle a la probeta un esfuerzo de confinamiento, permitiendo que ésta se consolide, posteriormente se aplica lentamente carga axial al mismo tiempo que se permite la disipación de la presión en exceso de poro, hasta llegar a la falla.

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Circulos de Mohr obtenidos con la prueba CD

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Envolventes de falla de las pruebas triaxiales

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Prueba de compresión simple UC

Este ensaye, en ocasiones se considera como un caso especial de las pruebas triaxiales, donde la presión de confinamiento en la cámara es igual a cero, esto es 3 = 0. Esta prueba sólo es aplicable a suelos en los que últ = 0, esto es, arcillas totalmente saturadas y sin fisuras.

En esta prueba se tiene:

f = 1/2 = qu/2 = cu

donde qu = resistencia a la compresión no confinada simple, es decir a la compresión simple.

Aunque teóricamente los resultados obtenidos en pruebas de compresión simple deberían ser los mismos que los obtenidos en las pruebas UU con 3 =0; en la práctica las pruebas de compresión simple producen valores menores de resistencia al corte no drenada cu.

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Circulo de Mohr obtenido en la prueba UC

1

1

1 = qu3 = 0

= 0

cu

Esfuerzos normales

Esf

uerz

os c

orta

ntes

Circulo de Mohr para esfuerzos totales en la falla

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Cámaras triaxiales análogas

Cámara triaxial estática

( Laboratorio Ingeniería BUAP)

CÁMARA TRIAXIAL SEMIAUTOMÁTICA

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Cámara triaxial estática automatizada

Catalogo de Controls

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Cámaras triaxiales estáticas (cont.)

Cámara triaxial automatizada (IIUNAM)

Prensa análoga para ensayes de compresión simple

(BUAP)

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Cámaras triaxiales automatizadas

Cámara triaxial cíclica (IIUNAM)

Columna resonante (IIUNAM)

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Cámara triaxiales cíclica automatizada

(CENAPRED)

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Instrumentos analógicos y digitales de medición

Anillos y celdas de carga Micrómetros y sensores de

desplazamiento

Sensor electrónicos de volumen

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Accesorios para las cámaras triaxiales

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Tipos de falla

En suelos densos o muy preconsolidados el espécimen se cortará claramente a lo largo de una superficie de deslizamiento bien definida al alcanzar el esfuerzo máximo, a esta se la llama falla frágil de deslizamiento.

En suelos ligeramente preconsolidados, en general, el corte será menos definido, generando una falla parcial al corte. Y en suelos sueltos o normalmente consolidados se presentará la “flexibilidad plástica”, mejor conocida como falla plástica, sin la formación de una superficie de deslizamiento, produciendo una forma abarrilada.

En este caso cuando no se define un valor último del esfuerzo desviador se puede tomar un valor arbitrario que corresponda a una deformación unitaria del 20%.

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Tipos de falla en los suelos

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Fallas frágiles en probetas de suelo

BIBLIOGRAFÍA

• Braja M Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, 2006.

• Bardet Jean Pierre, Experimental Soil Mechanics, USA, 1997.

• Manual de Diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad. Sección B, Tomo I, Tema 2, Capítulo 4, México, 1981.

• Whitlou, Roy, Fundamentos de Mecánica de suelos.

• Controls, Catalogo 2009.

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