Ensayo de Corte Con Veleta y Compresion Inconfinada

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍAS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA MECÁNICA DE SUELOS APLICADA PRUEBA DE CORTE CON VELETA Y ENSAYO DE COMPRESIÓN INCONFINADA Edgar Ramírez, Karol Enríquez, Santiago Gómez, Jhonatan Cárdenas Resumen: 1. INTRODUCCIÓN Como sabemos bien, el estudio de suelos es imprescindible a la hora de llevar a cabo cualquier proyecto de construcción, ya que a través de este podemos conocer las características físicas y mecánicas de dicho suelo. Una vez obtenidos los resultados del estudio, estaremos en capacidad de decidir si el suelo que tenemos cumple o no con las características requeridas por la obra en particular. De no ser así, es labor del ingeniero diseñar estrategias para mejorar las condiciones del mismo de manera que se garantice la seguridad y la estabilidad de la construcción. Así pues, algunos de los métodos más conocidos para determinar una de las tantas características de los suelos sobre los cuales se van a apoyar las estructuras, es la prueba de veleta y en ensayo de compresión inconfinada, con los cuales se puede conocer la resistencia cortante de una masa de suelo, es decir, la resistencia que dicha masa ofrece para resistir una falla a lo largo de cualquier plano dentro de él. Conocer la resistencia al cortante es de gran importancia para el ingeniero, ya que con este parámetro se pueden analizar los problemas de estabilidad de suelos, tales como capacidad de carga, estabilidad de taludes y la presión lateral sobre estructuras de retención de tierras. La prueba de veleta es un ensayo en campo con la que se determina la resistencia cortante no drenada en suelos finos y blandos y se realiza durante la etapa de barrenado enterrando las paletas del aparato en el suelo al fondo de un barreno y que para encontrar el valor de resistencia relaciona el par de torsión necesario para causar la falla; mientras que el ensayo de compresión inconfinada es una prueba que se realiza en laboratorio en una muestra inalterada de suelo tomada con ayuda de un tubo Shelby, a la que se le aplica un esfuerzo axial hasta generar la falla. En este informe se mostrara el procedimiento llevado a cabo en la práctica, al igual que su parte teórica correspondiente. 2. OBJETIVOS * Completar la información faltante en la tabla de datos correspondiente al ensayo de compresión inconfinada con el fin de conocer los esfuerzos normales y las deformaciones unitarias. * Calcular la resistencia no drenada del suelo, para la prueba de corte con veleta y para el ensayo de compresión simple y comparar la magnitud de los datos obtenidos. * Afianzar los conceptos aprendidos en clase. 3. PROCEDIMIENTO Como mencionamos anteriormente, la realización de la presente práctica se llevó a cabo en dos etapas. Cada una de ellas se explicará en detalle a continuación. En primer lugar se realizó en campo la prueba de corte con veleta en los sectores cercanos al lago de la Universidad del Valle. Aquí se hizo un barreno manual, de aproximadamente 30 cm de diámetro y 60 cm de profundidad, con la ayuda de una hoyadora agrícola. Una vez preparada la zona en la cual se efectuará el ensayo, procedemos a hincar la paleta y posteriormente aplicamos un par de torsión a través de un torquímetro, asegurándonos de que la velocidad a la cual se aplica el giro sea muy pequeña. Esta rotación inducirá la falla en el suelo en contacto con las paletas. En general, se registra siempre el valor del momento aplicado que produjo la falla, pero en nuestro caso, debido a que el suelo era muy duro, no se produjo falla alguna al aplicar el máximo par de torsión (). A continuación, se tomó una muestra de suelo por medio de un tubo Shelby, con el fin de realizarle a dicha muestra un ensayo de compresión simple o inconfinada para determinar la resistencia no drenada del suelo y poder así conocer algunas de sus propiedades mecánicas. 4. MARCO TEÓRICO El ensayo o prueba de corte con veleta (ASTM D-2573) se usa durante la operación de barrenado para determinar la resistencia no drenada in situ (Cu) de arcillas blandas o en general suelos bastante blandos, esta prueba consiste básicamente en fallar el suelo estudiado, aplicando una par de torsión (T); para la determinación de la resistencia no drenada (Cu) se debe conocer el par de torsión máximo aplicado, o el para aplicado que causa la falla. [Ec. 1] Debido a que el par de torsión máxima aplicado está en función de la resistencia no drenada del suelo, y las dimensiones de la veleta, la resistencia no drenada puede calcularse, relacionando el par de torsión máximo y una constante K, la cual a su vez depende de las dimensiones de la veleta. [Ec. 2] En donde D: diámetro de la paleta en cm, y H: altura medida de la veleta en cm. Si la relación H/D = 2, se tiene que: [Ec. 3] Según la norma la cual rige la prueba de veleta, la velocidad a la cual se debe aplicar el par de torsión es 0.1 grados/seg, lo cual en la práctica es imposible debido a que el par de torsión aplicado es manual. El ensayo de compresión infonfinada (ASTM D-2166/AASHTO T-208). Básicamente, el ensayo consiste en colocar una muestra de suelo, entre dos placas (para transferir la carga al suelo), con piedras porosas. Se aplica una carga axial y a medida que la muestra se deforma, se obtienen las cargas correspondientes. Se registran las cargas de "falla" y deformación. Estos datos se utilizan para calcular las áreas corregidas y la resistencia a la compresión inconfinada. Para la determinación de la resistencia no drenada (Cu) del suelo, se deben realizar previamente los cálculos de esfuerzo y deformación unitaria axial, para asi construir la curva esfuerzo-deformacion y obtener el valor máximo de esfuerzo, el cual se toma como la resistencia a la compresión inconfinada () del suelo; la deformación unitaria () se calcula: [Ec. 4] Donde : deformación total de la muestra axial y : longitud inicial de la muestra A medida de que la muestra se va deformando el área transversal va variando, por lo cual el área corregida de la muestra se calcual, utilizando la expresión: [Ec. 5] Figura. N~ A partir de la resistencia a la compresión inconfinada del suelo, se construye el circulo de Mohr, del cual se obtiene que la cohesion o resistencia no drenada (Cu) es: [Ec. 6] Según la norma la relación longitud-diámetro de las muestras para el experimento debería ser suficientemente grande para evitar interferencias de planos potenciales de falla a 45° y suficientemente corta para no obtener falla de "columna". La relación L/d que satisface estos criterios es: [Ec. 7] 5. APLICACIONES 6. DATOS Y CÁLCULOS A continuación se muestran los datos correspondientes al ensayo de compresión inconfinada y el valor de la resistencia no drenada obtenida.   Lectura Deformación anillo de Q δv δv   A correg Esf N   carga [Kg] [in] [cm] δv/ho [Cm2] Q/Acorreg 0.001" 0.0001"           [kg/cm2]  0 0,0 0,00 0,00 0,00 0,000 20,590 0,000 10 35 7,48 0,01 0,03 0,002 20,636 0,362 20 66 14,10 0,02 0,05 0,004 20,683 0,682 40 108 23,07 0,04 0,10 0,009 20,777 1,110 60 142 30,33 0,06 0,15 0,013 20,871 1,453 80 173 36,95 0,08 0,20 0,018 20,967 1,762 100 194 41,44 0,10 0,25 0,022 21,063 1,967 120 216 46,14 0,12 0,30 0,027 21,160 2,180 140 233 49,77 0,14 0,36 0,031 21,258 2,341 160 251 53,61 0,16 0,41 0,036 21,357 2,510 180 266 56,82 0,18 0,46 0,040 21,457 2,648 200 275 58,74 0,20 0,51 0,045 21,558 2,725 220 285 60,88 0,22 0,56 0,049 21,660 2,811 240 294 62,80 0,24 0,61 0,054 21,763 2,886 260 302 64,51 0,26 0,66 0,058 21,867 2,950 280 309 66,00 0,28 0,71 0,063 21,972 3,004 300 315 67,28 0,30 0,76 0,067 22,077 3,048 320 318 67,92 0,32 0,81 0,072 22,184 3,062 340 323 68,99 0,34 0,86 0,076 22,292 3,095 360 326 69,63 0,36 0,91 0,081 22,401 3,108 380 331 70,70 0,38 0,97 0,085 22,511 3,141 400 333 71,13 0,40 1,02 0,090 22,622 3,144 420 336 71,77 0,42 1,07 0,094 22,734 3,157 440 336 71,77 0,44 1,12 0,099 22,848 3,141 460 336 71,77 0,46 1,17 0,103 22,962 3,126 480 336 71,77 0,48 1,22 0,108 23,078 3,110 500 330 70,49 0,50 1,27 0,112 23,195 3,039 520 321 68,57 0,52 1,32 0,117 23,312 2,941 Tabla 1. Datos correspondientes al ensayo de compresión inconfinada. Una vez terminada la tabla, se grafican los esfuerzos normales Vs las deformaciones unitarias. Resistencia máxima a la compresión: 3,16 kg/cm2 Gráfica 1. Relación de esfuerzos normales Vs deformaciones unitarias De la gráfica anterior podemos conocer la resistencia máxima a la compresión, dada por el valor máximo que presenta la curva. Esta resistencia a la compresión dividida entre dos nos da la cohesión (resistencia no drenada) del suelo. Para poder establecer una comparación entre los datos obtenidos en cada prueba, debemos calcular el valor de por el método de la veleta. Como mencionamos anteriormente, el valor de está dado por la relación entre el torque aplicado y la constante K, cuya magnitud es únicamente función de las dimensiones de la paleta. En nuestro caso, como el suelo era muy duro y no falló al aplicar el giro, tomaremos el momento máximo (600 ) para poder realizar los cálculos y efectuar la respectiva comparación. Los valores de la altura y diámetro de la paleta se obtuvieron promediando las cuatro medidas registradas en el laboratorio. Diámetros (cm) Alturas (cm) 4,83 9,11 4,92 9,14 4,92 9,08 4,86 9,07 Tabla 2. Medidas realizadas en laboratorio. Diámetro promedio: 4,88 cm = 1,927 in Altura promedio: 9,10 cm = 3,583 in Sustituyendo estos valores en la siguiente ecuación, podemos encontrar la magnitud de la constante K. Es importante mencionar que para hacer uso de la anterior ecuación, el diámetro y la altura deben estar en pulgadas (in), de tal manera que la constante K tenga unidades . El par de torsión aplicado debe estar en . Así pues, tenemos los datos necesarios para calcular con los datos obtenidos en la prueba de corte con veleta. Finalmente convertimos este valor de de a Adicionalmente, nos proporcionan los datos necesarios para hallar la humedad y el peso específico del suelo. 7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS En la presente práctica se llevó a cabo una prueba de corte con veleta sobre un suelo duro (no arcilloso ni fino). Como sabemos bien, este ensayo es empleado para determinar la resistencia no drenada del suelo . Durante la ejecución de la prueba notamos que el suelo era demasiado duro, de manera que al hincar la veleta y girar el torquímetro no se produjo ninguna falla sobre este. Esto nos permite concluir que definitivamente el uso de la veleta no es el método más adecuado para hallar el parámetro en cuestión. Así pues, se le realizó un ensayo de compresión simple o inconfinada a una muestra de suelo extraída por medio de un tubo Shelby a una profundidad de 60 cm en un barreno manual. La muestra aquí obtenida es ligeramente alterada (las pocas alteraciones puedes ser producidas por el proceso de hincado del tubo en el suelo, hincado por percusión). A medida que se iba avanzando en profundidad, se prestó especial atención a las características físicas del suelo tales como el color, olor y contenido de agua. Hasta los primeros 60 cm teníamos un suelo orgánico de color café con presencia de ramas, hojas y de más materiales degradables. En cuanto a la determinación del contenido de agua, lo estimamos haciendo rollitos con la masa de suelo, pero vimos que no era posible moldearlo pues en seguida se desmoronaba. Esto nos indica que la humedad del suelo es inferior a la humedad límite, es decir, hay pocos vacíos llenos de agua, por lo tanto ese suelo tiene alta resistencia. Poco más abajo de los 60 cm, encontramos que el suelo si bien y aún era orgánico, presentaba unas características ligeramente diferentes. Aquí el color era un poco más claro y tenía alta plasticidad, pues se dejaba moldear fácilmente haciendo rollitos. Esto nos permite inferir que esta capa de suelo es poco permeable, es decir, las partículas están muy juntas y si este suelo es eventualmente sometido a una solicitud de cargas, no se presentará un cambio muy apreciable en su volumen. En cuanto a los valores de obtenidos por ambas pruebas, vemos que los resultados son ligeramente diferentes, esto se debe principalmente a que el suelo en el cual aplicamos la prueba de corte con veleta no era arcilloso o blando, lo cual hace que los resultados no sean los esperados. El error también puede deberse a una mala calibración del torquímetro o quizá a que la velocidad de aplicación del par torsor es muy difícil de controlar. En general es más confiable el resultado que nos arroja el ensayo de compresión inconfinada. Es importante resaltar que en los datos obtenidos en laboratorio, los valores de las lecturas del anillo de carga estaban multiplicadas por 0,0001 in mientras que la constante del anillo estaba dividida entre 0,00001 in. Haciendo los cálculos así, el valor máximo de la curva, o sea la resistencia a la compresión máxima sería 31, 56 y al dividirlo entre dos para hallar la cohesión tendríamos que que es un valor muy grande y alejado del real. 8. CONCLUSIONES Sin lugar a dudas la prueba de corte con veleta es un método relativamente rápido, económico y efectivo para calcular en campo la resistencia cortante no drenada de un suelo determinado. Del ensayo podemos medir directamente el valor del momento aplicado necesario para inducir la falla en el suelo. La relación de este valor y la constante K nos permite conocer el parámetro deseado. Por otro lado, el ensayo de compresión inconfinada es un ensayo más preciso, un poco más dispendioso que igualmente nos permite conocer el valor de la resistencia no drenada del suelo. Aquí es necesario completar los datos para obtener finalmente las deformaciones unitarias y los esfuerzos normales, los cuales serán graficados con el fin de hallar el valor de la resistencia máxima a la compresión. Toda la información aquí recopilada y analizada es de gran importancia ya que nos permite predecir el posible comportamiento de este tipo de suelo cuando esté sometido a un incremento de esfuerzos. Por ejemplo si notamos que este es un suelo cuyo parámetro de diseño es la cohesión, podemos asegurar que es un suelo poco permeable, con pocos espacios vacios llenos de agua y de alta resistencia, por lo tanto si eventualmente el suelo es sometido a un incremento de esfuerzos, la mayor parte del asentamiento tendrá lugar después de la aplicación de cargas y será un proceso muy lento. Para cuestiones de diseño de fundaciones esto es fundamental ya que nos permite saber cómo diseñar para evitar posibles fallas y hasta colapsos en una estructura. 9. BIBLIOGRAFÍA [1] Braja M Das. Fundamentos de Ingeniería geotécnica. Thomson Learning. México