Ensayo de corte directo: Metodología, procedimientos y cálculos

Introducción ensayo corte directo

El ensayo de corte directo es un procedimiento que se realiza con el fin de definir las propiedades de resistencia de materiales bajo el efecto de cargas combinadas, donde la fuerza de corte se genera a lo largo de una superficie horizontal determinada.

En general, los geotécnicos deben entender los principios de la resistencia al cizallamiento del suelo para analizar problemas como: estabilidad de taludes, capacidad de carga de cimentaciones superficiales, capacidad de carga de pilotes y pozos perforados, contenciones de tierras, entre otros. 

Este ensayo se puede aplicar en muestras inalteradas, compactadas o remoldeadas, aunque existe una limitante en el tamaño máximo de partículas.

Las normas por las cuales se rige el procedimiento son ISO 17892-10:2019 o ASTM D-3080 y ASTM D-6528.

La resistencia a la tensión tangencial o resistencia al corte (τ) es la resistencia interna por unidad de área que la masa del suelo puede ofrecer a la falla y el deslizamiento a lo largo de un plano de deslizamiento interior. Según la ley de Coulomb responde a la siguiente fórmula:

τ= c +σtanφ

Dónde:

c es la cohesión del material,

σ es el valor de tensión normal,

φ es el ángulo de rozamiento interno.

El procedimiento consiste en inducir la falla a través de un plano determinado sobre el que actúan dos esfuerzos: normal y cortante. Al finalizarlo, se obtienen los valores de cohesión (c) y del ángulo de rozamiento interno (φ).

Este ensayo se puede clasificar en tres tipos dependiendo de la forma de ejecutarlo:

• Ensayo no consolidado – no drenado: es una prueba rápida donde el corte es iniciado previo a que la muestra se consolide bajo carga normal (vertical).
• Ensayo consolidado – no drenado: consiste en una prueba rápida-consolidada. La fuerza de corte se aplica luego del asentamiento producido por la carga normal, pero no se permite el drenado.
• Ensayo consolidado – drenado: es una prueba lenta donde la fuerza de corte se aplica muy lentamente, posterior al asentamiento por la carga normal. El fin de que este procedimiento sea lento es que se disipen las presiones de los poros.

Metodología Corte Directo

Instrumentos y materiales

Los instrumentos y materiales que se necesitan para llevar a cabo este ensayo son:

• Aparato de corte directo.
• Pistón para compactar el suelo.
• Caja de corte.
• Aditamentos de carga.
• Equipo general de laboratorio.

Preparación de la muestra

Muestras inalteradas: la muestra tiene que ser lo suficientemente grande para poder obtener al menos 3 probetas. Al prepararla, la pérdida de humedad debe ser mínima y el cilindro se recorta para ajustarse al diámetro interno del aparato. Es necesario que se registre el peso inicial.

Muestras remoldeadas: en este caso, las muestras deben ser compactadas para alcanzar los valores de densidad y humedad que requiera el ensayo.

Las características que deben tener las muestras antes del inicio del ensayo en el equipo de corte directo son:

• Diámetro mínimo de 50 mm.
• Espesor mínimo de 12,5 mm.
• Relación mínima diámetro-espesor de 2.

Procedimiento Corte Directo

Dependiendo del tipo de ensayo que se realice, el procedimiento varía. La serie de pasos que se detallan a continuación corresponden al ensayo consolidado – drenado ya que es el más completo de los tres.

1° Se registran las mediciones de diámetro, altura y peso de la muestra.

2° Se inserta la muestra en la caja de corte y se inicia con la aplicación de la carga normal.

3° La muestra debe permanecer bajo la fuerza normal hasta que se asiente.

4° La caja de corte es llenada con agua hasta que cubra la totalidad de la muestra.

5° Se permite el drenaje y la consolidación.

6° A medida que avanza el proceso de consolidación, previo a cada incremento de la fuerza normal, se deben registrar los datos de desplazamiento normal.

7° Se deben separar la parte inferior y superior de la caja de corte 0,25 mm con la finalidad de que se pueda cortar la muestra. Los indicadores de desplazamiento vertical y horizontal deben estar en cero.

8° La caja de corte se rellena con agua para ensayos saturados y se aplica la fuerza de corte. El ensayo continúa hasta que se alcance una deformación de 10% del diámetro original de la muestra o cuando la fuerza de corte se vuelva constante. El desplazamiento horizontal será del orden de los 0,13 mm/min.

9° En el caso de que el ensayo sea con consolidación y drenaje, la fuerza de corte se debe aplicar muy lentamente para asegurar que se disipe completamente la presión de los poros. Por esto, el tiempo del ensayo responde a la fórmula:

Tiempo de ensayo = 50 t₅₀

Dónde: t₅₀ es el tiempo en que la muestra llega a un 50% de consolidación bajo fuerza normal.

10° Finalizado el ensayo, la muestra es retirada de la caja de corte, se seca en el horno y se pesa para determinar el peso de sólidos.

11° Este procedimiento se repite para dos o más muestras con diferentes cargas normales.

En el caso del ensayo no consolidado – no drenado solo se llevan a cabo los pasos 1, 2, 7, 8,10 y 11. Por su parte, el procedimiento para un ensayo consolidado – no drenado consiste en los pasos 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8,10 y 11.

Cálculos Corte Directo

Datos necesarios

Para realizar los cálculos se deben tener en cuenta los valores obtenidos de la máquina de corte directo y datos iniciales tomados previos al mismo.

Datos de la muestra:

• Diámetro.
• Altura inicial.
• Peso inicial.
• Contenido inicial en agua:
• Peso de la muestra húmeda.
• Peso de la muestra seca al horno (finalizado el ensayo) más la tara.
• Peso de la tara.

Datos de la tensión tangencial: se obtienen de las muestras analizadas bajo diferentes cargas normales

• Velocidad de corte.
• Factor de calibrado del anillo.
• Lecturas del dial vertical.
• Lecturas del anillo del aparato.
• Lecturas del dial de desplazamiento horizontal.

Parámetros de la muestra

En base a los valores de la muestra tomados al comienzo del ensayo, se calculan área inicial y volumen.

Luego del ensayo se obtiene densidad húmeda, contenido de agua y densidad seca.

Tensión tangencial

• Tensión normal: se divide la carga normal (el peso del bloque de carga y la fuerza normal) por el área inicial de la muestra.
• Fuerzas de corte horizontal: se multiplica cada lectura del dial por el factor de calibrado del anillo que tiene el aparato.
• Tensión de tangencial: se divide la fuerza horizontal por el área inicial de la muestra.

Los cálculos se deben realizar para las diferentes muestras a las cuales se les fue aplicando una carga normal distinta.

Tensión tangencial y espesor de la muestra versus desplazamiento de corte

Estos gráficos permiten evaluar la tensión tangencial máxima para cada muestra. Para esto se debe identificar el pico del gráfico o la tensión tangencial en el 10% del desplazamiento del diámetro original, según cual se alcanza primero.

Por otro lado, la tensión tangencial residual es el valor al que tiende a hacerse constante frente al aumento de la deformación.

Tensión tangencial versus tensión normal

Este diagrama se utiliza para analizar los parámetros de resistencia al corte, es decir, cohesión y ángulo de rozamiento interno.

Cohesión: se dibuja una recta que se ajuste lo máximo posible a los puntos representados y se extiende hasta interceptar el eje de las ordenadas.

Ángulo de rozamiento interno: corresponde al ángulo que se genera entre la recta trazada y una línea horizontal.

En la figura anterior puede verse un esquema propio donde se observan los valores de tensión normal y tangencial aplicadas en la muestra, indicados con los distintos puntos, y como se obtienen los parámetros de resistencia al corte.

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