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:

image059 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.

image060Representación 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:

 image061 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.

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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.

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

 

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Equipo tradicional de corte directo (motorizado), Wykeham-Farrance Soil Testing Equipment

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Equipo actualizado de corte directo motorizado y con control digital (E.E. Controls)

[1] OLSON, R.E. (1989), JIUNNREN, L. (2004): Direct Shear. Testing Department of Construction Engineering, Advanced Geotechnical Laboratory, Chaoyang University of Technology.

[2] existen otros modelos más actualizados, precisos y adecuados a ciertas condiciones o tipologías de suelos, si bien el modelo de Mohr – Coulomb presenta una correspondencia con la realidad suficiente como para asumir las simplificaciones que requiere el mismo sin que su uso penalice de forma significativa la seguridad y economía de los proyectos convencionales de edificación.

[3] JIMÉNEZ SALAS, J.A., DE JUSTO ALPAÑES J.L. (1975): Geotecnia y Cimientos, vol. 1: Propiedades de los Suelos y de las Rocas. Ed. Rueda, 2ª edición.

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

  1. He realizado muchos cortes directos en laboratorio, uu, cu y cd, y los resultados obtenidos son en un porcentaje muy elevado poco correlacionables con los parámetros resistentes que se le suponen a las muestras. Os sucede esto a menudo? Consideráis fiables estos ensayos? Si los triaxiales costasen menos, se harían cortes directos?

    • frankie dijo:

      buenas…

      como sabes mucho mejor que yo, hay que considerar tres cosas cuando comparas los resultados de un ensayo (en este caso corte o triaxial) con los parámetros que se obtienen, por ejemplo, de un cálculo retrospectivo (e.d. como dices, los parámetros resistentes que se “suponen” a las muestras, bien por experiencia, o bien por análisis de una rotura):

      1- si las condiciones reales se conrresponden o no a las del ensayo (velocidad de corte, drenaje)
      2 – efecto escala y
      3 – si la superficie de rotura real es primaria o bien es una removilización de una rotura que ya se encuentra en estado residual…

      yo creo que cuando esas tres cosas se tienen bien acotadas y se comparan ensayos con realidad, en general los datos cuadran bastante bien… si bien hay dos aspectos del procedimiento de análisis que también son importantes:

      a – tener un número de muestras, ensayos y datos suficiente como para poder estimar adecuadamente los parámetros característicos del caso y
      b – que las condiciones de medida del ensayo sean buenas (p.e. en ensayos triaxiales hay una variación importante entre los resultados que se obtienen midiendo deformaciones directamente del recorrido de la prensa, a hacerlo con bandas extensiométricas en la misma probeta…)

      … y desde luego, conicido contigo en que si los triaxiales fuesen más baratos, se harían más triaxiales y menos cortes, cuanto menos para cálculo de cimentaciones… yo sería el primero…

      … vamos… digo yo…

      j.f.

  2. teodoro silva dijo:

    Soy ingeniero geólogo especialista en suelos y fundaciones, tengo 35 años realizando estudios geotécnicos para fundaciones y mi comentario es que si existe una correlación aceptable entre los ensayos SPT OBTENIDOS EN PERFORACIONES; LA COHESIÓN y EL ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA, OBTENIDOS MEDIANTE LOS ENSAYOS DE CORTE DIRECTO; Y LA RESISTENCIA A LA ROTURA REAL DE LOS SUELOS ENSAYADOS. Es de mucha contribución para la geotecnia la publicación realizada por ustedes, felicitaciones

    • frankie dijo:

      Apreciado Sr. Silva,

      Antes que otra cosa, gracias por su interés en este humilde blog

      obviamente, las apreciaciones que en él se presentan son fruto de la experiencia de los autores; un servidor asume las correlaciones entre el SPT y el ángulo de rozamiento interno o el módulo de deformación en suelos granulares, claro está, aún en el buen sentido de que las mismas requieren de experiencia (la que Usted tiene, por ejemplo) en un entorno geológico concreto para poder contrastarlas… la interpretación de un SPT en un suelo cohesivo es, a mi modo de entender, harina de otro costal… ahí la experiencia es el único criterio válido para correlacionar un SPT con la resistencia al corte NO DRENADO o bien con un módulo de deformación; No obstante, si Usted tiene una propuesta que correlaciona el SPT con la cohesión drenada o el ángulo de rozamiento interno drenado de un suelo cohesivo, sinceramente, le agradecería enormemente nos permitiese compartirla, contrastarla y, llegado el caso, divulgarla.

      gracias de nuevo por sus palabras

      joan franch

  3. Marleny Santa dijo:

    Buen trabajo

  4. Daniel dijo:

    Yo creo que los resultados del angulo de friccion son mas altos debido a la velocidad q se aplica, a mayor velocidad el valor sera mayor corte UU a menor velocidad en CD el valor sera menor porq esta en las condiciones mas adversas.

    • frankie dijo:

      antes que otra cosa, gracias por tu intervención, Daniel

      al respecto de lo que dices… si me permites…

      … yo diría que precisamente es al revés… si el ensayo NO es drenado, las presiones intersticiales reducen la componente de fricción, por lo que el ángulo de rozamiento es inferior y, llegado el caso, nulo en arcillas… con un ensayo drenado el ángulo se aproxima más al valor máximo posible de la componente friccional… lo que en este caso disminuye (en arcillas, claro) es la componente cohesiva, llegando a ser prácticamente nula en ensayos de corte drenados para arcillas con una preconsolidación muy baja.

      respecto a que el corte drenado (lento) es una condición más adversa que el no drenado (rápido), la comparación entre parámetros drenados y no drenados en un mismo suelo acostumbra a indicar lo contrario: la condiciones a corto plazo en arcillas acostumbran a ser menos favorables que las de a largo plazo (no ha lugar en arenas, claro.)

      saludos

      frankie

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