3. RESEARCH METHODOLOGY
3.4 Budgetary constraints
Los parámetros de resistencia al corte de un suelo son determinados en laboratorio principalmente con dos tipos de ensayo: la prueba de corte directo y la prueba triaxial. Sin embargo, existe un tercer ensayo que permite obtener estos parámetros, el cual se emplea particularmente en el caso de arcillas saturadas, se refiere a la prueba de compresión simple.
Ensayo de Corte Directo
La finalidad de este ensayo es determinar la resistencia al corte en el plano horizontal, de una muestra de suelo, sometida a esfuerzos que simulen los que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga.
Para conocer la resistencia al corte de un suelo se emplea el aparato de corte directo, el cual se representa esquemáticamente en la figura 5.5. Se trata de una caja rígida de acero, usualmente de sección cuadrada (también las hay de sección circular), que se encuentra dividida en dos mitades y en cuyo interior se coloca la muestra de suelo. La parte superior de la caja está fija, mientras que la parte inferior se desplazará originando el corte de la muestra de suelo.
Figura 5.5 N N x Δ L Movimiento (v = cte) FH
En la parte superior de la caja se dispone una placa de reparto rígida, sobre la cual se puede aplicar la carga vertical N. Todo el conjunto se introduce en un recipiente de acero de mayores dimensiones, el cual puede llenarse de agua para realizar el ensayo en condiciones de saturación (en este caso se pueden disponer de piedras porosas por sobre y bajo la muestra de suelo para facilitar el drenaje). La inducción del esfuerzo de corte en el suelo se logra trasladando horizontalmente la parte inferior de la caja de corte, mientras que se impide totalmente el movimiento de la zona superior. La deformación de la muestra es medida con extensómetros, tanto en dirección horizontal como vertical. Para la deformación vertical se emplea un deformímetro que se apoya sobre la placa superior.
El diseño del molde de corte no permite el control del drenaje de la muestra, lo cual no representa una limitante en el caso de suelos granulares, puesto que son materiales de libre drenaje que fallan, por lo general, en condiciones completamente drenadas. Sin embargo, los suelos arcillosos pueden fallar sin ningún drenaje (sin disipación del exceso de presión intersticial generada por el incremento de carga), con drenaje parcial (cuando parte del exceso de las presiones intersticiales se han disipado), o con drenaje completo (cuando todo el exceso de presión intersticial se ha disipado) lo cual depende de la velocidad de aplicación de la carga en la masa de suelo.
Una prueba completa sobre un determinado suelo consiste en ensayar tres muestras idénticas del mismo material bajo tres cargas verticales distintas (N1, N2, N3) o, lo que es
lo mismo, bajo tres tensiones normales diferentes, para lo cual basta dividir cada carga N por la sección So de la muestra.
Dependiendo del equipo, la prueba de corte puede ser por esfuerzo controlado o por deformación controlada. En las pruebas controladas por el esfuerzo, la fuerza cortante es aplicada en incrementos iguales hasta que la muestra de suelo falle, lo cual tiene lugar a lo largo del plano de separación de la caja de corte. De este modo, se aplica el esfuerzo horizontal y se miden las deformaciones hasta llegar a la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan, lo cual indica que se ha sobrepasado la carga de rotura.
En las pruebas controladas por la deformación unitaria la mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada y los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal.
En términos generales, el procedimiento del ensayo consiste en saturar la muestra, aplicar la fuerza vertical Fv (la que dividida por el área entrega el valor del esfuerzo
normal) y aplicar la fuerza horizontal Fh que producirá el corte (al dividirla por la sección
entrega el valor del esfuerzo de corte).
A
F
v n=
σ
A
F
h=
τ
Durante la aplicación de la fuerza horizontal se van midiendo las deformaciones, con los cuales se podrá graficar la tensión de corte (τ) en función de la deformación (ε). De este gráfica se puede tomar el punto máximo de tensión de corte como la resistencia al corte del suelo. Posteriormente, los valores de τ se llevan a un gráfico en función del esfuerzo normal (σn), obteniendo la recta intrínseca, donde los valores de τ van en el eje de
ordenadas y σn en el eje de abscisas. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal
corresponde a la fricción interna (φ) y la intersección con el eje de las ordenadas corresponderá a la cohesión (c). Este mismo proceso se realiza con otras dos muestras idénticas de suelo, pero sometidas a tensiones normales crecientes (σn2) y (σn3) (figura
5.6).
Figura 5.6
El ensayo de corte directo en laboratorio se puede clasificar en tres tipos según exista drenaje y/o consolidación de la muestra, por lo tanto los valores de φ y c dependen, esencialmente, de la velocidad del ensayo y de la permeabilidad del suelo.
9 Ensayo de corte directo no consolidado no drenado (UU):
Es un ensayo rápido donde el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la fuerza normal Fv. Cuando el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará un exceso de presión
de poros. Generalmente, la recta intrínseca en el diagrama de τ v/s σ es horizontal, donde τ = cu.
En este ensayo no se permite el drenaje de la muestra en ningún momento, lo que significa que una vez aplicada la fuerza vertical se aplica inmediatamente la fuerza horizontal, con el objeto de que las presiones intersticiales generadas por la aplicación de cada una de las cargas no tengan tiempo de disiparse.
En síntesis, las etapas son:
1º Aplicación a velocidad rápida de la carga vertical Æ consolidación nula 2º Aplicación a velocidad rápida de la carga horizontal Æ drenaje nulo
φ c τ1 τ2 τ3 τ ε σn3 σn2 σn1 σn2 σn3 σn1 τ1 τ τ2 3 τ σn
9 Ensayo de corte directo consolidado no drenado (CU):
En este ensayo 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 se hayan disipado producto de esta carga vertical. Posteriormente, se aplica la fuerza horizontal a una velocidad tal, que las presiones intersticiales generadas ahora por esta nueva carga no se alcancen a disipar, en el momento que la muestra de suelo falla por corte.
Esta modalidad de ensayo no se usa en suelos permeables y es necesario medir el descenso vertical durante la etapa de consolidación o drenaje para saber cuando se ha producido por completo. Luego, la ecuación de Coulomb queda representada por:
cu
cu
tg
c
σ
φ
τ
=
+
'⋅
En síntesis, las etapas son:
1º Etapa de consolidación Æ aplicación lenta de la carga vertical 2º Aplicación a velocidad rápida de la carga horizontal Æ drenaje nulo
9 Ensayo de corte directo consolidado drenado (CD):
En este ensayo, la velocidad con la cual se produce el corte es lenta permitiendo el drenaje de la muestra durante todo el ensayo. De este modo, las presiones intersticiales generadas tanto por la fuerza vertical como por la horizontal son nulas.
Esta modalidad de ensayo se emplea, por lo general, en suelos permeables o de libre drenaje.
En síntesis, las etapas son:
1º Etapa de consolidación Æ aplicación lenta de la carga vertical 2º Etapa de drenaje Æ aplicación lenta de la carga horizontal
En términos generales, el ensayo de corte directo (independiente de la modalidad empleada) presenta algunas ventajas y desventajas con respecto a otros ensayos que permitan obtener los parámetros resistentes de un suelo. De este modo, las principales ventajas que presenta este equipo son:
- Ensayo rápido y económico
- Sus principios básicos son elementales
- La preparación de la muestra es sencilla
- Con cajas de corte de mayor tamaño se pueden ensayar materiales de grano
grueso
- Con algunas modificaciones se puede emplear el mismo principio para determinar
la resistencia de discontinuidades en rocas, contacto hormigón – suelo, etc
En cuanto a las limitaciones se puede decir que:
- La superficie de rotura es obligada
- La distribución de tensiones en la superficie de corte no es uniforme
- No se pueden medir las presiones intersticiales, de manera que la única forma de controlar el drenaje es variando la velocidad de desplazamiento horizontal
- El área de contacto del plano de corte disminuye a medida que se produce el
desplazamiento horizontal relativo entre ambas mitades de la caja Ensayo Triaxial
El ensayo de laboratorio más difundido para el estudio de la resistencia al corte de los suelos es el triaxial. Aunque con algunas limitaciones, esta prueba permite obtener la información sobre la resistencia al corte del suelo en diversas condiciones controlables a voluntad. Dentro de las razones por las cuales se considera un ensayo confiable, están:
- Proporciona información sobre el comportamiento esfuerzo – deformación unitaria
del suelo
- Proporciona condiciones más uniformes de esfuerzo
- Proporciona más flexibilidad en términos de trayectoria de carga
El ensayo triaxial consiste en preparar una probeta cilíndrica de suelo, de altura igual al doble del diámetro, la cual se rodea completamente con una membrana de caucho impermeable. La probeta se coloca dentro de una cámara llena de agua y se aplica, a la muestra de suelo, una presión de confinamiento (σc). El drenaje se facilita por medio de bandas de papel filtro colocadas verticalmente alrededor de la muestra, las cuales están en contacto con un disco poroso en la parte superior e inferior de la probeta.
En la parte superior de la probeta, conectado a ella a través de la piedra porosa, se dispone un tubo llamado línea de drenaje. Este conducto permite aplicar al agua que rellena los poros del suelo la presión intersticial deseada. Al mismo tiempo, también permite controlar la salida y entrada de agua de la probeta. Así, si el suelo se encuentra saturado, la reducción o aumento de su volumen de vacíos irá necesariamente asociado a la expulsión o ganancia del mismo volumen de agua, de manera que el sistema conectado a la válvula permite en todo momento medir los cambios de volumen del suelo durante ensayos con drenaje.
Por último, en el pedestal, bajo la probeta se dispone de un tercer conducto conectado directamente con la muestra de suelo a través de la piedra porosa inferior. Dicho conducto, conectado a un transductor de presión intersticial, permite medir en todo momento la presión intersticial en la muestra.
La figura 5.7 muestra un esquema del ensayo triaxial:
Figura 5.7
Durante el ensayo se imprime un movimiento ascendente controlado, a velocidad constante, a toda la célula. Para contrarrestar este movimiento, en la parte superior de la probeta se dispone de un pistón muy rígido, que sobresale de la célula y se encuentra unido a un anillo dinamométrico en donde se mide la reacción necesaria para mantener inmóvil la parte superior de la muestra.
Este ensayo puede realizarse con deformaciones controladas, en cuyo caso el pistón de carga vertical se apoya en un marco de carga motorizado con un sistema de engranajes que permita deformar verticalmente la muestra a una velocidad constante; o con esfuerzo controlado, en este caso se permite que la muestra se deforme libremente bajo la aplicación de cargas en el pistón vertical.
Bajo las condiciones del ensayo triaxial, el esfuerzo principal mayor σ1 es el esfuerzo
axial, y los esfuerzos principales intermedio y menor, σ2 y σ3 respectivamente, son iguales
a la presión de cámara. Por supuesto ésta actúa no sólo en la superficie vertical de la muestra, sino también en sus bases. Por lo tanto, si en cualquier etapa del ensayo de corte la carga del pistón vertical es P y la sección transversal de la muestra es A, entonces:
3 1
σ
σ
=
+
A
P
Donde 3 1σ
σ
−
=
A
P
El esfuerzo P/A que aplica el pistón es por lo tanto igual a la diferencia entre los esfuerzos totales principales, mayor y menor, σ1 - σ3, el cual se denomina desviador de esfuerzos.
La aplicación de la presión de cámara y del desviador de esfuerzos son dos etapas diferentes del ensayo. Si el drenaje de la muestra en cada etapa se permite o no, depende del tipo de suelo y de la naturaleza del problema que se va a estudiar. Un elemento de suelo en terreno puede fallar en estado no drenado, parcialmente drenado o drenado. Puede tenerse, entonces, tres tipos básicos de ensayos: no drenado, consolidado no drenado y drenado.
En todos los casos, como en el ensayo de corte directo, se llevan a rotura tres muestras idénticas de suelo, sometidas en la primera fase del ensayo a tensiones isótropas crecientes (σc1, σc2, σc3).
9 Ensayo de compresión triaxial con consolidación previa y rotura con drenaje (CD): En este ensayo la muestra se consolida completamente con la presión de cámara y luego se falla bajo condiciones drenadas a una velocidad adecuada para impedir la generación de excesos de presión intersticial, de tal manera que μ = 0 a lo largo de la etapa de corte.
Debido a ello, se tiene que σ’3 = σ3 y σ’1 = σ1, y el círculo de Mohr de esfuerzos efectivos y
el de esfuerzos totales coinciden. La envolvente de falla define los parámetros de esfuerzos efectivos c’ y φ‘.
Esta modalidad de ensayo es aplicable a suelos granulares, o bien, cuando la falla potencial se producirá en condiciones drenadas. Es posible que se presenten fallas en cortes medios en arcilla mucho tiempo (años) después de la construcción, cuando el exceso de presión intersticial inicial se disipe completamente, para este caso también es aplicable esta modalidad.
En la primera de las fases que conforman el ensayo, se aplica la presión de cámara (σc) y
la presión intersticial (μ0) dejando que la muestra drene libremente. Los incrementos
tensionales aplicados de forma instantánea darán lugar a una cierta distribución inicial de tensiones efectivas e intersticiales, de acuerdo a lo postulado por Terzaghi. Al permitir el drenaje, los excesos de presión intersticial generados se irán disipando paulatinamente en función de la permeabilidad del suelo, hasta alcanzar la consolidación completa.
Complementariamente, la reducción de volumen originada por el incremento isótropo de tensiones efectivas puede medirse en el sistema de control de drenaje. Así, partiendo de
la muestra saturada, el volumen de agua expulsado será igual a la disminución de volumen de la muestra.
Una vez finalizada la consolidación se puede dar comienzo la fase de corte. Para ello se mantiene invariable la presión de cámara y la presión intersticial de la fase anterior, y se imprime una velocidad ascendente a la célula. Dado que el ensayo se realiza con drenaje, se selecciona una velocidad lo suficientemente lenta como para asegurar que los excesos de presión intersticial generados se van disipando de forma continua.
En un ensayo completo se rompen tres probetas preparadas de la misma forma, aplicando a cada una tensiones efectivas isótropas de consolidación crecientes en la primera fase. En cada ensayo la rotura se alcanza con una tensión vertical σ1 = σ’1
diferente, mayor cuanto más elevada sea la presión efectiva de cámara inicial. Por lo tanto, en un diagrama σ’ v/s τ se podrán dibujar tres círculos de Mohr en tensiones efectivas (figura 5.8), lo cual resulta sencillo dado que la tensión principal menor es igual a la presión efectiva de consolidación de la primera fase (σc - μ); y el diámetro del círculo es
el desviador en rotura (σ1 - σ3).
Así como en el ensayo de corte directo los puntos representativos de la rotura de cada muestra se encontraban alineados, en este caso ocurre algo semejante, los círculos tienen aproximadamente una tangente común. Trazando la tangente común a los tres círculos se obtiene la envolvente de rotura en tensiones efectivas, de la que resulta inmediato deducir los parámetros de resistencia al corte del suelo (c‘, φ‘).
Figura 5.8
9 Ensayo de compresión triaxial con consolidación previa y rotura sin drenaje (CU): En este ensayo la muestra de suelo se consolida por completo con la presión de cámara y luego el desviador de esfuerzos produce la falla en condiciones no drenadas.
Esta modalidad es aplicable a casos en que se produzca la falla en condiciones no drenadas, como por ejemplo, un depósito de arcilla sometida a un cambio en los esfuerzos en que la velocidad con que se produce la variación de esfuerzos es rápida con respecto al tiempo en que se disipan las presiones intersticiales. Sin embargo, si el tiempo de construcción se extiende por largo periodo es razonable suponer que al final de la construcción ya se habrá producido algún grado de consolidación.
Los círculos de Mohr que se obtienen de esta situación son en esfuerzos totales, por lo que los parámetros del suelo que se obtienen son ccu y φcu. Si durante el ensayo se mide la presión intersticial, lo cual es bastante habitual, se pueden obtener los círculos de Mohr en tensiones efectivas, por lo que la envolvente de falla permitirá obtener los parámetros resistentes en esfuerzos efectivos c’ y φ‘ (figura 5.9).
La primera de las fases básicas de este ensayo es la consolidación bajo una tensión efectiva isótropa, y es idéntica a la primera etapa del ensayo CD. Completada la consolidación se cierra la válvula de drenaje y de introducción de presión intersticial, y se comienza la fase de corte imprimiendo un movimiento ascendente a la célula.
Cuando se alcanza la rotura se habrá introducido un incremento de tensión vertical total, como se conoce la presión intersticial en ese instante, se pueden determinar las tensiones efectivas en el momento de la rotura y dibujar los círculos de Mohr correspondientes.
Al igual que en el caso anterior, en un ensayo completo se rompen tres probetas preparadas de la misma forma aplicando tensiones efectivas isótropas de consolidación crecientes, de manera que trazando la tangente común a los tres círculos de Mohr resultantes en tensiones efectivas, se pueden determinar los parámetros efectivos de resistencia del suelo.
En la fase de corte del ensayo, la válvula de drenaje permanece cerrada, en consecuencia, si la muestra de suelo se encuentra saturada, como es habitual en este ensayo, al impedir que el agua entre o salga de la probeta el volumen de la misma permanece constante durante toda la fase de corte, luego ΔV = 0.
En estas condiciones, si el suelo ensayado tiende a contraerse, es decir, tiende a reducir su volumen cuando se le somete a corte, dicha tendencia se verá reflejada en un aumento de la presión intersticial durante el ensayo (Δμ > 0). Por otra parte, si el suelo ensayado tiende a dilatarse, es decir, tiende a aumentar de volumen cuando se le somete a corte, esta tendencia se verá reflejada en una disminución de la presión intersticial durante el ensayo (Δμ < 0).
9 Ensayo de compresión triaxial sin consolidación previa y rotura sin drenaje (UU): Es un ensayo rápido que se aplica en los análisis de estabilidad a corto plazo (condiciones no drenadas), en los cuales se considera que el tiempo transcurrido hasta el final de la construcción es insuficiente para la disipación del exceso de presión intersticial.
La resistencia no drenada de una arcilla se obtiene con muestras de suelo sometidas a condiciones no drenadas durante todo el ensayo, donde no se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de cámara ni durante la aplicación del desviador de esfuerzos.