Ensayos de laboratorio – resistencia de los suelos (2): ensayo de corte directo

Tema 3: Resistencia al corte de los suelos

Capítulo 4: Ensayos de laboratorio

3.4.3. Ensayo de corte directo

Si bien el ensayo de rotura mediante compresión simple facilita una aproximación directa a la estimación de la resistencia del terreno (en el caso de que el mismo permita la confección de probetas que puedan ser ensayadas sin presión de confinamiento), el valor único que se obtiene del mismo no hace posible discriminar de forma independiente la contribución de las componentes resistentes que usualmente se consideran para el suelo: cohesión y rozamiento interno. Con la finalidad de superar este inconveniente pueden ser realizados ensayos específicos que permiten evaluar los parámetros resistentes del suelo de forma más adecuada.

Los primeros ensayos de laboratorio dirigidos a la estimación directa de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos consistían en la rotura de una probeta inducida por un empuje (Ph) a favor de un plano horizontal predeterminado (x-x) ortogonal a una presión de confinamiento (vertical) variable, según el siguiente esquema:

Esquema básico del aparato de corte directo (Geotecnia LNV, 1993)

Este concepto básico fue desarrollado por Bishop (1959) y Sowers (1964) para concebir una máquina de ensayos que permitiese el corte de una probeta a velocidad controlada, midiendo mediante un anillo dinamométrico la fuerza necesaria que dicha probeta ejercía contra el esfuerzo de corte.

Representación gráfica del modelo de rotura de la probeta de suelo, y de la relación entre la tensión de corte y la deformación (Fuente: Access Science, McGraw – Hill)

A partir del modelo Mohr – Coulomb, puede establecerse que para valores crecientes de la tensión de confinamiento (inducidos por una sobrecarga vertical, ortogonal a la carga de cizalla), los valores de la tensión de rotura se incrementarán de forma directamente proporcional, siguiendo el trazado de una recta en el campo de tensiones σ – τ (tensión normal respecto a tensión tangencial), cuya pendiente es función de la tangente del ángulo de rozamiento interno del suelo, y cuya ordenada en el origen corresponden a la cohesión:

Relación entre la cohesión (c’) y el ángulo de rozamiento interno (φ’) con los puntos que definen la recta característica del suelo, en el campo tensión normal (σ) – tensión tangencial (τ) [1]τ = c’ + σ’ tg φ

Adoptando pues el modelo de Mohr – Coulomb como adecuado para el estudio de la resistencia al corte de los suelos [2] puede estimarse que este procedimiento de ensayo permite la reproducción básica de las condiciones de contorno: es posible controlar tanto la fuerza del esfuerzo cortante, e implementar una carga perpendicular a dicho esfuerzo, midiendo a la vez la deformación de la probeta tanto en la dirección de corte como en la dirección de aplicación de la sobrecarga (perpendicular a la de corte.)

En esencia, el procedimiento normalizado empleado habitualmente para la ejecución del ensayo de corte directo convencional consiste la confección de tres probetas de suelo (mediante tallado si proceden de una muestra inalterada, o mediante remoldeo o compactación en condiciones preestablecidas), que se colocan en sendas células de corte. Cada una de las probetas se somete a una tensión vertical inicial, que puede mantenerse el tiempo necesario – antes de proceder al corte – para que se estabilice la deformación (asiento) inducida al terreno por dicha carga. En tal caso, el ensayo se considera realizado en situación de preconsolidación.

Una vez preparada la célula de ensayo, se la somete a un empuje de corte (aplicado a una mitad de la probeta) a velocidad constante hasta llegar a rotura, midiendo la fuerza que resulta de la resistencia que ejerce la mitad de la probeta que no es empujada. Con los tres valores de tensión de corte obtenidos, se representa gráficamente la recta característica del material, a partir de la cual se deduce la cohesión y el ángulo de rozamiento interno.

La velocidad del empuje de cizalla puede variarse según se estime oportuno. En caso de un corte rápido, y salvo que la muestra presente una permeabilidad alta, se desarrollarán presiones intersticiales en el plano de rotura, por lo que los parámetros medidos serán considerados en tensiones totales, denominándose tal ensayo como no drenado. Si la velocidad de corte es lo bastante lenta como para permitir el drenaje y la compensación de las presiones intersticiales en el plano de corte, el ensayo se considerará drenado, y los parámetros de resistencia al corte obtenidos se considerarán en tensiones efectivas.

Esquema básico de un equipo de corte directo convencional [3]

Esta configuración fundamental ha evolucionado en los últimos años, substituyendo los medidores de deformación antiguos (micrómetros) por captadores electrónicos (transductores LVDT), y los anillos dinamométricos por células de carga, de forma que las lecturas pueden ser registradas de forma automatizada por medios digitales. Las siguientes figuras presentan un esquema de la versión actualizada de los equipos utilizados.

 Figuras procedentes de OLSON, R.E. (1989) y JIUNNREN, L. (2004) (op. cit.)