ngulo de friccin interna efectiva (r ) en suelos finos con
equipo Torshear
En la actualidad existen diversas herramientas para realizar los
anlisis de estabilidad de taludes, tales como mtodos de anlisis de
estado lmite de equilibrio (tradicionales) o mtodos numricos. En
cualquiera de stos, es imprescindible conocer la geometra del talud
y su condicin geotcnica, que se da mediante una caracterizacin del
sitio, asignndole propiedades ndice y mecnicas.
Las propiedades mecnicas asignadas a las unidades geotcnicas
deben ser acordes a las condiciones de anlisis (Duncan, 2004) a
corto plazo (en esfuerzos totales) y a largo plazo (en esfuerzos
efectivos). Para ello, adems de las propiedades ndice y elsticas
del suelo, se requiere conocer los parmetros de resistencia
obtenidos mediante pruebas con equipo triaxial de corte directo y
de corte simple; es recomendable obtener curvas esfuerzo-deformacin
que presenten resistencia residual para considerarla en la obtencin
de la envolvente de falla Mohr-Coulomb.Para el caso especfico de
anlisis a largo plazo, tambin es comn obtener los parmetros de
resistencia con equipo de corte directo. Sin embargo, una de las
limitaciones que se presentan en estas pruebas es que el rea de
corte no permanece constante durante la etapa de falla. Para
mitigar la situacin anterior, se desarroll un equipo de corte
anular (vase figura 1a), corte torsional (Torshear) o Bromhead
(Bromhead, 1979).
ESPECIFICACIONESLas caractersticas de este equipo de corte
anular se muestran en la tabla 1. En la actualidad, este equipo est
instrumentado con 2 celdas de carga y un transductor de
desplazamiento para registrar en tiempo real, mediante una unidad
de adquisicin de datos, tanto la fuerza como los desplazamientos
verticales durante la ejecucin del ensayo.
Tabla 1. Caractersticas del equipo Torshear
Rango de velocidad angular0.001/min a 180/min
Esfuerzo cortante mximo500 kPa
Esfuerzo normal mximo1000 kPa
Relacin de brazo del portapesas10:1
Distancia del brazo de torque7.72 cm
Dimensiones del espcimen (radio exterior-radio
interior-espesor)10 cm-7cm-0.5 cm
Dimensiones del equipo (largo-ancho-alto)77 cm-40 cm-75 cm
Peso total del equipo72.5 kg
EJECUCIN DEL ENSAYOLa preparacin consiste en remoldear la
muestra a ensayar con una cantidad de agua correspondiente a su
lmite lquido. Una vez remoldeada, se deja curar dentro de una bolsa
plstica durante un periodo de 24 horas. Es importante resaltar que
la prueba aplica a suelos predominantemente finos y las partculas
de tamao arena deben ser finas.De manera general, el ensayo
consiste en dos etapas (ASTM D6467, 1999) que se describen a
continuacin.La muestra remoldeada se monta y se carga verticalmente
entre dos piedras porosas por medio de un sistema de carga de
palanca (etapa de consolidacin). Se transmite una rotacin a la
placa base y a la placa inferior por medio de un motor de velocidad
variable; el par transmitido a la muestra reacciona por medio de un
par de celdas que registran la carga correspondiente etapa de falla
(vase figura 1b).
Asimismo, existen dos variantes de la prueba de corte anular: en
serie o multietapa. En la primera se emplea una probeta por cada
esfuerzo normal y en la segunda es necesaria una probeta para los
esfuerzos normales programados en la etapa falla. Comnmente se
recomiendan al menos tres para generar la envolvente de
Mohr-Coulomb.Algunas ventajas que presenta el equipo Torshear
frente al de corte directo son que tiene un rea constante durante
la etapa de corte y que el espesor de la probeta es delgado, lo que
ayuda a que la etapa de consolidacin sea ms rpida, debido a que la
trayectoria del flujo de agua es corta.
CLCULOSLos resultados que se obtienen de este tipo de prueba, al
igual que otros ensayos de resistencia al corte, son las curvas
esfuerzo-deformacin y la envolvente de Mohr-Coulomb, de acuerdo con
la secuencia que se describe a continuacin (ASTM D6467, 1999).La
velocidad de desplazamiento para la etapa de corte dr, recomendada
para minimizar exceso de presin de poro, se determina con la
siguiente ecuacin:
[1]
Donde df es el desplazamiento estimado de falla y tf es el
tiempo estimado de falla. Este ltimo se calcula con la ecuacin 2.tf
= 50 t50 [2]
El tiempo a 50% de consolidacin primaria t50, se obtiene por los
mtodos de Casagrande o Taylor, a partir de la curva de consolidacin
durante la primera etapa de la prueba. Adicionalmente, el
desplazamiento estimado de falla, df, se define mediante la tabla
2.
Tabla 2. Desplazamiento estimado de falla
df (mm)Tipo de suelo
5.0CH, MH
2.5CL, ML, SM, SC
Una vez obtenidos estos datos y realizada la etapa de falla, la
secuencia de clculo para obtener los parmetros de resistencia al
corte es la siguiente:
[3]
Donde es la resistencia al corte, F1 y F2 son la carga
registrada en las celdas, L es la longitud del brazo de torque, R1
es el radio exterior de la muestra y R2 es el radio interior de la
muestra.Por ltimo, el esfuerzo normal efectivo, n, se determina con
la siguiente expresin:
[4]
donde P es la fuerza vertical actuante sobre el
espcimen.Finalmente, el desplazamiento dh se calcula al corregir el
desplazamiento angular por el factor, como se describe en la
ecuacin 5.
[5]De manera alternativa, y en caso de conocer la velocidad de
desplazamiento dr, se multiplica por el tiempo transcurrido durante
la etapa de falla (vase ecuacin 6).
[6]
El desplazamiento dh se usa para graficar las curvas
esfuerzo-deformacin y la envolvente de Mohr-Coulomb, considerando
el criterio de falla de esfuerzo residual (Head, 1992).
Consolidacin continua CRS, UU,CU,CD
Medicin de la tensin totalEnsayos no consolidados no drenados
(UU)Con este mtodo se mide la resistencia al corte respecto a la
tensin total. En este procedimiento no se permite que se consolide
la muestra de suelo (que se presume saturada), manteniendo su
estructura original y contenido de agua, por lo que su resistencia
depender nicamente del nivel de tensin geosttica en el terreno. Los
ensayos se llevan a cabo normalmente con tres partes de la misma
muestra, sometidas a diferentes presiones de confinamiento.
Suponiendo que el suelo est totalmente saturado, la resistencia al
corte ser la misma en todos los ensayos.El crculo de Mohr, trazado
respecto a la tensin total, es horizontal y la resistencia al corte
es constante e igual a la CU (resistencia al corte sin drenaje)
Medicin de la tensin efectivaEnsayos consolidados no drenados
(CU)Mediante este mtodo se mide la resistencia al corte en funcin
de la tensin efectiva. Se deja que se consoliden al menos tres
muestras saturadas (por ejemplo, que cambie su estructura y
contenido de agua) a diferentes niveles de presin de confinamiento
antes de la rotura. Dado que la resistencia al corte aumenta con la
tensin efectiva, se puede aplicar el modelo de Coulomb relativo a
la tensin efectiva: = c + n tg
donde:
= resistencia al corten = tensin normal efectivac, = parmetros
de Mohr respecto a la tensin efectiva
Durante la etapa de rotura, no se permite el drenaje de la
muestra y se mide la presin intersticial, por lo que las tensiones
efectivas se obtienen calculando la diferencia entre la tensin
total y la presin intersticial.
Medicin de la tensin efectiva Ensayos consolidados drenados
(CD)Este mtodo es similar a los ensayos CU, ya que la resistencia
al corte puede calcularse y relacionarse con el nivel de tensin
aplicado. Se deja que se consoliden al menos tres muestras a
diferentes niveles de presin de confinamiento. La rotura se produce
muy lentamente para evitar el aumento de la presin intersticial en
el interior de la muestra, permitindose el drenaje de la misma. Las
tensiones total y efectiva sern iguales. Se trazan los crculos de
Mohr para la tensin efectiva en la rotura y los parmetros c y se
obtienen a partir del circulo de Mohr.
Consolidmetro convencional
Es un proceso de disminucin de volumen, que se tiene en un lapso
de tiempo que es provocado por un aumento en las cargas sobre el
suelo. Frecuentemente ocurre que durante el proceso de consolidacin
la posicin relativa de las partculas slidas sobre un mismo plano
horizontal permanece esencialmente la misma; as, el movimiento de
las partculas de suelo puede ocurrir solo en direccin vertical.
Al observar los depsitos de material muy suave situados en el
fondo de una masa de agua, por ejemplo el de un lago, se nota que
el suelo reduce su volumen conforme pasa el tiempo y aumentan las
cargas por sedimentacin sucesiva. En este caso citado, la
consolidacin seria de este tipo, considerado que los estratos
depositados tienen gran extensin horizontal, en comparacin con su
espesor. En la consolidacin unidimensional el volumen de la masa de
suelo disminuye, pero los desplazamientos horizontales de las
partculas slidas son nulos. En este caso, las caractersticas de la
consolidacin de los estratos de arcilla pueden investigarse
cuantitativamente con aproximacin razonable, realizando la prueba
de consolidacin unidimensional sobre especmenes representativos del
suelo, extrados en forma tan inalterada como sea posible.
El consolidmetro neumtico GEOTEC es una modificacin del aparato
tradicional; el consolidmetro es del tipo de anillo flotante. El
sistema de aplicacin de la carga es accionado mediante presin de
aire, la cual se controla con un regulador de presin constante,
midindose directamente la carga con un anillo calibrado de la
precisin y capacidad requerida. La prueba consolidada, tal como se
hace en un consolidmetro, hace disminuir el volumen de la muestra
por acortamiento de la altura, pero sin cambio en la seccin
transversal. Una vez que el suelo alcanza su mxima deformacin bajo
un incremento de carga aplicado, su relacin de vacos llega a un
valor menor, evidentemente, que el inicial y que puede determinarse
a partir de los datos iniciales de la muestra y las lecturas del
extensmetro.
Banco triaxial
Se atribuye a Arthur Casagrande la idea de utilizar un aparato
triaxial para medir la resistencia al corte de los suelos. Construy
en 1930 el primer aparato de este tipo en el Instituto Tecnolgico
de Massachusetts, sobre el modelo de un aparato de consolidacin
triaxial que haba visto en Alemania en 1929. El aparato triaxial es
hoy un elemento fundamental en todo laboratorio de Mecnica de
Suelos.El aparato de compresin triaxial o triaxial simple, tiene
forma de un cilindro esbelto, a continuacin se muestra la
ilustracin 29 con sus componentes.
La muestra se coloca en una clula que contiene un fluido a
presin, generalmente agua, y se aplica sobre una superficie lateral
una tensin radial , igual a la presin que existe dentro de la
clula. Por otra parte, un pistn que atraviesa la parte superior de
la clula, permite cargar verticalmente la muestra que de este modo
queda sometida tambin a una tensin longitudinal 1. Estas dos
tensiones tienen oblicuidad nula; son pues, las tensiones
principales. Actuando separadamente sobre la presin de la clula y
la fuerza transmitida por el pisn pueden conseguirse una amplia
gama de combinaciones tensinales. Los diferentes tipos de ensayos
los podemos distinguir en: - Ensayos de compresin en los que la
tensin longitudinal 1 es superior a la tensin radial r. - Ensayos
de estriccin en los que 1
