Resistencia al corte de los suelos

La resistencia al corte de los suelos puede definirse como la resistencia a los esfuerzos de corte y una tendencia consecuente a la deformación por corte. El suelo deriva su resistencia al corte de lo siguiente.

1. Resistencia debido al enclavamiento de partículas.
2. Resistencia a la fricción entre los granos individuales del suelo.
3. Adhesión entre partículas del suelo o cohesión

Planos principales y principales tensiones del suelo

En un punto en un material estresado, cada plano estará sujeto a una tensión normal o directa y una tensión de corte. Un plano principal se define como un plano en el cual el esfuerzo es completamente normal o uno que no tiene esfuerzo cortante.

La tensión normal que actúa en estos planos principales se conoce como tensiones principales. Existen tres planos principales en cualquier punto de un material estresado. Estos tres planos principales son mutuamente perpendiculares.

En el orden de magnitud decreciente, los planos principales se designan como plano principal mayor, plano principal menor y plano principal intermedio y las tensiones principales correspondientes se designan de la misma manera.

Estas ecuaciones darán las tensiones en el plano inclinado formando un ángulo θ con el principal avión principal.

Círculo de estrés de Mohr para suelos

Otto Mohr, un científico alemán, ideó un método gráfico para la determinación de tensiones en un plano inclinado a los principales planos principales. La construcción gráfica se conoce como círculo de Mohr. En este método, se selecciona el origen O y los esfuerzos normales se trazan a lo largo del eje horizontal y los esfuerzos cortantes en el eje vertical.

Para construir un círculo de Mohr, primero marque la tensión principal mayor y menor en el eje X, marque el punto central de eso como C. Se dibuja un círculo con c como centro y CF como radio. ¿Cada punto en el círculo da el esfuerzo? y? en un plano particular El punto E se conoce como el polo del círculo.

1. El círculo de Mohr se puede dibujar para el sistema de tensión con planos principales inclinados a ejes coordinados
2. El sistema de tensión con planos verticales y horizontales no son los planos principales.

Teoría de Mohr-Coulomb 

El suelo es un material particulado. La falla de corte en los suelos se debe al deslizamiento de partículas debido a los esfuerzos de corte. Según Mohr, la falla es causada por una combinación crítica de tensiones normales y de corte. El suelo falla cuando el esfuerzo cortante en el plano de falla al fallar es una función única del esfuerzo normal que actúa en ese plano.

Dado que el esfuerzo cortante del plano de falla se define como la (s) resistencia (s) de corte, la ecuación se puede escribir como

S = f (θ)

La teoría de Mohr se refiere al esfuerzo cortante en el plano de falla en la falla. Se puede hacer un diagrama entre los esfuerzos cortantes y el esfuerzo normal en caso de falla. La curva definida por esto se conoce como la envolvente de falla.

Coulomb expresó la resistencia al corte de un suelo en un punto en un plano particular como una función lineal del esfuerzo normal en ese plano como,

S=C+σ tanφ

En este caso, C es igual a la intersección en el eje Y y phi es el ángulo que forma la envolvente con el eje X

Diferentes tipos de ensayos de corte y condiciones de drenaje

Las siguientes pruebas se utilizan para medir la resistencia al corte del suelo.

1. Ensayo de corte directo
2. Ensayo de compresión triaxial
3. Ensayo de compresión no confinada
4. Ensayo de corte de paleta

Dependiendo de las condiciones de drenaje, hay tres tipos de pruebas.

• Condición no consolidada-no drenada
• Condición consolidado – no drenado
• Condición drenado – consolidado

Ensayo de corte directo en el suelo

Herramienta o aparato

La prueba se lleva a cabo en una muestra de suelo en una caja de corte que se divide en dos mitades a lo largo del plano horizontal en su centro. El tamaño de la caja de corte es de 60 x 60 x 50 mm. la caja se divide horizontalmente de modo que el plano divisorio pase por el centro.

Las dos mitades se mantienen juntas mediante pasadores de bloqueo. La caja también está provista de placas de agarre planas o perforadas según las condiciones de prueba.

Prueba

Se toma una muestra de suelo de tamaño 60 x 60 x 25 mm. Se coloca en la caja de corte directo y se compacta. La placa de rejilla superior, la piedra porosa y la almohadilla de presión se colocan sobre la muestra. La carga normal y la carga de corte se aplican hasta el fallo

Presentación de resultados.

• Estrés – curva de deformación
• Sobre de falla
• Círculo de Mohr

Ventajas

1. la preparación de la muestra es fácil
2. Como el grosor de la muestra es muy inferior, el drenaje es rápido
3. Es ideal para realizar pruebas de drenaje en suelos sin cohesión
4. el aparato es relativamente barato

Desventajas

1. las condiciones de estrés se conocen solo en caso de falla
2. la distribución de tensiones en el plano de falla no es uniforme
3. el área de corte disminuye gradualmente a medida que avanza la prueba
4. la orientación del plano de falla es fija
5. el control de las condiciones de drenaje es muy difícil
6. No es posible medir la presión del agua de los poros.

 Ensayo de compresión triaxial

Se utiliza para determinar las características de corte de todo tipo de suelos en diferentes condiciones de drenaje. En esto, una muestra cilíndrica se tensiona bajo condiciones de simetría axial. En la primera etapa de la prueba, la muestra se somete a una presión de confinamiento en todos los lados, arriba y abajo.

Esta etapa se conoce como la etapa de consolidación. En la segunda etapa de la prueba llamada etapa de corte, se aplica una tensión axial adicional y una tensión de desviación en la parte superior de la muestra a través de un carnero. Por lo tanto, la tensión total en la dirección axial en el momento del corte es igual a la tensión de confinamiento más la tensión del desviador.

Los lados verticales de la muestra son planos principales. La presión limitante es el estrés principal menor. La suma del estrés de confinamiento y el estrés del desviador es el principal estrés principal. El aparato triaxial consiste en una base circular con un pedestal central. La muestra se coloca en el pedestal.

El pedestal tiene uno o dos agujeros que se utilizan en la función de drenaje o en la medición de la presión de poro. Se coloca una célula triaxial en la placa base. Es un cilindro Perspex. Hay tres tirantes que sostienen la célula. Hay un ariete central para aplicar tensión axial. Una válvula de liberación de aire y una válvula de liberación de aceite están unidas a la celda.

El aparato también tiene características especiales como,

• Sistema de control de mercurio
• Dispositivo de medición de presión de agua de poro
• Medición de cambios de volumen

Ensayo triaxial en suelo cohesivo

Las pruebas de CU, UU y CD se pueden realizar en muestras de suelo. La muestra se coloca en el pedestal dentro de una membrana de goma. La presión de confinamiento y la presión axial se aplican hasta el fallo.

Ensayo triaxial en suelo sin cohesión

El procedimiento es el mismo que en el suelo cohesivo, solo la preparación de la muestra es diferente. Un formador de metal, una membrana y un embudo se utilizan para la preparación de la muestra.

Ventajas

1. Existe un control completo sobre las condiciones de drenaje.
2. Los cambios de presión de poro y los cambios volumétricos se pueden medir directamente
3. La distribución de tensiones en el plano de falla es uniforme.
4. El espécimen es libre de fallar en el plano más débil.
5. Se conoce el estado de estrés en todas las etapas intermedias hasta el fracaso
6. La prueba es adecuada para trabajos de investigación precisos.

Desventajas

1. El aparato es elaborado, costoso y voluminoso.
2. La prueba de drenaje lleva un período más largo en comparación con la prueba de corte directo.
3. La condición de deformación en la muestra no es uniforme.
4. No es posible encontrar el área de la sección transversal de la muestra con precisión bajo grandes tensiones
5. La prueba simula solo problemas simétricos axiales
6. La consolidación de la muestra en la prueba es isotrópica, mientras que en el campo, la consolidación es generalmente anisotrópica.

Cálculo de varios parámetros.

Dimensiones posteriores a la consolidación

V0=L0 (πD0ˆ2/4)

D0=[V0/((π/4)L0))]ˆ1/2

Área de sección transversal durante la etapa de corte

A=A0/(1-ξ1)

Tensiones

Tensión del desviador = P / A

Principales tensiones

σ1= σ3+( σ1- σ3)

Fuerza compresiva

El estrés del desviador en la falla se conoce como la resistencia a la compresión del suelo.

Presentación de resultados de la prueba triaxial.

• Curvas de tensión-deformación
• Sobres de Mohr en términos de estrés total y estrés efectivo

Ensayo de compresión no confinada en el suelo

La prueba de compresión no confinada es una forma especial de prueba triaxial en la que la presión de confinamiento es cero. La prueba se puede realizar solo en suelos arcillosos que pueden permanecer sin confinamiento. Hay dos tipos de máquinas UCC: máquina con resorte y máquina con anillo de prueba.

Se aplica una fuerza de compresión a la muestra hasta el fallo. La carga de compresión se puede medir con un anillo de prueba.

Presentación de resultados.

En esta prueba, la tensión principal menor es cero. El principal estrés principal es igual al estrés del desviador. El círculo de Mohr se puede dibujar para condiciones de estrés en caso de falla.

Ventajas

1. La prueba es conveniente, simple y rápida.
2. Es ideal para medir la resistencia al corte no consolidado no drenado de arcillas saturadas intactas.
3. La sensibilidad del suelo se puede determinar fácilmente

Desventajas

1. La prueba no puede realizarse en arcillas fisuradas
2. La prueba puede ser engañosa para suelos cuyo ángulo de resistencia al corte no es cero.

Prueba de corte de paletas

La resistencia no drenada de las arcillas blandas se puede determinar en un laboratorio mediante prueba de cizallamiento de paletas. La prueba también se puede realizar en el campo en el suelo en el fondo del pozo. El aparato consiste en una varilla de acero vertical que tiene cuatro cuchillas o paletas delgadas de acero inoxidable fijadas en su extremo inferior.

La altura de la paleta debe ser igual al doble del diámetro. Para realizar la prueba en un laboratorio, se prepara una muestra de diámetro 38 mm y altura 75 mm y se fija a la base del aparato.

La paleta se baja lentamente dentro de la muestra hasta que la parte superior de la paleta esté a una profundidad de 10 a 20 mm por debajo de la parte superior de la muestra. Se toman las lecturas del indicador de tensión y el indicador de torque.

Resistencia al corte S

S=(T)/π{[(Dˆ2H1)/2]+[Dˆ3/12]}

Donde T = par aplicado

D = diámetro de la paleta

H ₁ = Altura de la paleta

Ventajas

1. La prueba es simple y rápida.
2. Es ideal para la determinación de la resistencia al cizallamiento no drenado in situ de arcilla totalmente fisurada y no fisurada.
3. La prueba se puede usar convenientemente para determinar la sensibilidad del suelo.

Desventajas

1. La prueba no puede realizarse sobre la arcilla fisurada o la arcilla que contiene limo o laminaciones de arena.
2. La prueba no da resultados precisos cuando el sobre de falla no es horizontal