Ensayos de resistencia al esfuerzo cortante

Las características mecánicas de los suelos y ensayos in-situ, están tradicionalmente caracterizadas por la determinación de los parámetros de resistencia; el ángulo de fricción interna «φ» y la cohesión «c». Estos parámetros son medidos exclusivamente en el laboratorio sobre muestras inalteradas, mediante ensayos de corte directo o por ensayos de compresión triaxial. Para algunos requerimientos en determinar rápidamente la resistencia al corte de un suelo, se puede aceptar ampliamente el ensayo para muestras de suelo cohesivo mediante el método de compresión no-confinada.

Como ya se observó, la presencia de los diferentes suelos que conforman la zona de trabajo corresponden a granulometría fina y están adotados de cohesión, permitiendo la operación de toma de muestras inalteradas sin disturbar el suelo. En muchos casos, a pesar de las precauciones tomadas no se puede tener certeza de la representatividad de la muestra, más aún cuando esta muestra se transporta de la obra al laboratorio, aumentando la perturbación. Para evitar el exceso de perturbación en la muestra y asegurar resultados de ensayos confiables, se puso especial cuidado en la toma de muestra empleando herramientas como cuchillo, espátula y barretilla que permitieron un tallado especial, para luego proceder al parafinado de la muestra obtenida, con la finalidad de conservar las condiciones de humedad natural. Luego de parafinada la muestra se procedió a su empaquetadura para luego en cajas de madera protegidas con aserrín ser remitidas al laboratorio geotécnico del CISMID en Lima.

Los ensayos de laboratorio son generalmente largos y costosos, e incluso para estudios importantes se trata de limitar el número de éstos ensayos. Finalmente se dispone de datos relativamente aislados y fragmentarios, tendiéndose a propiciar la seguridad eligiendo los resultados más débiles, dejando de lado la estadística en la determinación de las características mecánicas, que implican un mayor número de datos.

Para la obtención de los parámetros de resistencia se programó una serie de ensayos realizados con diferentes muestras remitidas al laboratorio. Se realizaron 2 ensayos de compresión no-confinada, 5 ensayos de corte directo y 5 ensayos de compresión triaxial en el laboratorio. Los ensayos se realizaron de acuerdo a las normas de la American Society for Testing and Materials:

• Ensayo de Compresión No-confinada (ASTM D-2166).
• Ensayo de Corte Directo (ASTM D-3080)
• Ensayo Triaxial – sin medición de presión de poros (ASTM D-2850). Además, el ensayo Triaxial con medición de poros (Bishop y Henkel – 1962).

ENSAYOS DE CORTE DIRECTO

El estado límite de equilibrio de un suelo involucra un deslizamiento a lo largo de una superficie de falla. En un elemento de esta superficie la resistencia al corte γ está en función creciente del esfuerzo normal σ y la envolvente de los círculos de Mohr que definen el estado de las deformaciones se conoce como: curva intrínseca de Caquot. En un suelo esta curva es asimilable a una recta y el criterio de falla será:

t = c + σ × φ
conocida como la recta de Coulomb.

Podemos apreciar que esta fórmula, que representa la resistencia al corte de un suelo, depende de dos parámetros fundamentales: la cohesión c y el ángulo de fricción interna φ.

La relación más importante de la Mecánica de Suelos considerando la fase líquida es la que desarrolla una presión u, llamada presión intersticial, obteniendo:

σ = σ’ + μ
donde:
σ’ es el esfuerzo efectivo o intergranular, luego la ley de Coulomb puede escribirse como:

τ = c’ + σ’ tg φ’
donde:
c’ y φ son la cohesión y el ángulo de fricción interna efectivos.

Los valores de las características de corte dependen del modo operatorio, según haya drenaje o no, según la velocidad de corte o carga sea lenta o rápida, se pueden obtener valores completamente distintos. Por ello, para determinar la curva intrínseca, se adoptan convencionalmente los valores de los esfuerzos tangenciales que corresponden a los máximos (picos) de las curvas esfuerzo-deformación ó el valor asintótico, llamado resistencia «residual». Pero se puede obtener los valores de φ y de c que se deseen, fijando el porcentaje de deformación. Luego estos valores se reemplazan en las Ecuaciones 3.1 ó 3.3, según el caso, donde se aprecia que no dependen de la deformación. Se puede notar que, como se trata de fórmulas establecidas en la hipótesis de la plasticidad perfecta, o sea, de grandes deformaciones, se debería aplicar los valores de φ y de c correspondientes al valor residual. Pero es aplicable, en la mayoría de los casos, a los valores picos.

Para determinar los parámetros drenados de la resistencia cortante del suelo, se realizaron ensayos de campo y de laboratorio; con el propósito de verificar los valores de los ensayos de laboratorio, se diseñó y construyó un equipo de campo para realizar ensayos de corte directo in-situ. En este capítulo se describe el equipo de campo utilizado y se comparan los valores de las resistencias cortantes obtenidas en ambos ensayos.

ENSAYOS DE LABORATORIO

Se realizaron cinco ensayos de corte directo con las distintas muestras obtenidas bajo condiciones de contenido de humedad natural y bajo condiciones saturadas. El Anexo 4 presenta los resultados de los ensayos realizados y el Cuadro 3.2 resume los valores más importantes del ensayo de corte directo en laboratorio. Estos parámetros de resistencias obtenidos corresponden a los valores picos de esfuerzos tangenciales. Los valores de cohesión, de las arcillas se encuentran muy próximas cuando se ensayan en condiciones naturales. Los materiales limosos aumentan la cohesión cuando se ensayan bajo condiciones saturadas. Los valores altos y tan dispersos de φ en las arcillas, puede deberse a la presencia de materiales cementantes que incrementan la resistencia al corte. Por otro lado los valores de φ’ para los materiales limosos son en algunos casos bajos, tal vez por la presencia de material más fino que proporciona cierta plasticidad.

ENSAYOS IN-SITU

Se ha visto que los parámetros de resistencia cortante utilizados en el análisis de estabilidad a largo plazo son del tipo consolidado drenado. La manera usual de determinarlos es mediante ensayos de laboratorio de corte directo o triaxiales en muestras inalteradas. La obtención y transporte al laboratorio puede producir perturbaciones en las muestras, con la consecuencia de obtener resultados de ensayo de laboratorio que no reflejen las condiciones de campo.

Dadas las características especial del suelo del talud y con el propósito de verificar los resultados de los ensayos de corte directo en el laboratorio, se diseñó y construyó un equipo de campo para ejecutar ensayos de corte directo in-situ. A continuación se describe el equipo de campo y el procedimiento de ensayo, y se presenta una comparación de las resistencias cortantes drenadas obtenidas con dicho equipo y los resultados de los ensayos de corte directo en el laboratorio, ejecutados en muestras de distintas partes del talud.

Se realizaron cinco ensayos de corte directo in-situ en distintas partes del talud, para determinar los parámetros de resistencia cortante drenada del suelo. Los ensayos los realizó el Laboratorio de Ensayo de Materiales de la Universidad Nacional de Ingeniería. Los principales componentes del equipo son:

• Caja Metálica.- empleada para confinar la muestra y aplicar la carga horizontal y vertical, de dimensiones 0.30 x 0.30 x 0.30 m.
• Sistema de Transmisión de Carga.– sobrecarga apoyada sobre dos vigas de acero para transmitir la carga vertical. Una placa y el terreno para transmitir la carga horizontal.
• Polines.– cilindros de acero de 2″ de diámetro colocados entre dos planchas metálicas de 1″ de espesor. Este sistema evita el desplazamiento del gato que transmite la carga vertical.
• Gatos Hidráulicos.– capaces de transmitir la carga vertical y horizontal al espécimen. Los gatos tienen una capacidad de 20 toneladas.
• Extensómetros.– para medir desplazamientos verticales y horizontales desarrollados durante el ensayo (aproximación de 0.01 mm).

Se realizó la excavación del terreno y el tallado inicial de las muestras a ensayar. El tallado inicial se realizó empleando pala, pico y barreno, consiguiendo posteriormente las dimensiones de ensayo con espátulas, barretillas y cuchillos. Se monta luego la caja metálica de confinamiento y el resto del equipo sobre el espécimen de ensayo.

Teniendo la muestra y el equipo listos, se procede a la aplicación de las cargas vertical y horizontal mediante los gatos hidráulicos. Se aplica la carga vertical en incrementos hasta alcanzar el esfuerzo vertical requerido, anotándose la deformación vertical alcanzada. Luego se aplica la carga horizontal en incrementos, registrando las deformaciones producidas, hasta notar un decremento de la carga horizontal, que indica falla. Se emplearon en el ensayo, esfuerzos verticales normales de 1, 2 y 4 Kg/cm². Se midieron esfuerzos tangenciales máximos de hasta 3.2 Kg/cm² en los ensayos.

Algunas conclusiones que se pueden extraer de la comparación de los resultados de los ensayos de laboratorio y los ensayos in-situ de corte directo, son:

• Los parámetros de resistencia cortante drenada obtenidos de los ensayos de corte directo en el laboratorio son función del tipo de suelo, su composición química y su contenido de humedad durante el ensayo.
• Los parámetros de resistencia cortante drenada obtenidos del ensayo de corte directo in-situ presentan valores similares a los obtenidos en los ensayos de corte directo en el laboratorio. En promedio los valores del ángulo de fricción interna obtenidos en el laboratorio difieren en 3° y los valores de la cohesión en laboratorio para las muestras de arcillas difieren en 0.2 Kg/cm² con los valores de campo.
• Los materiales más arcillosos presentan valores de resistencia drenada menores que los materiales limosos. Los materiales limosos contienen un porcentaje mayor de carbonatos.
• El equipo presentado para realizar ensayos de corte directo in-situ es relativamente sencillo de construir, tiene un costo bajo y necesita adicionalmente solo dos gatos hidráulicos.
• El procedimiento de preparación de especímenes y ejecución de ensayo es simple y rápido, descartándose en el ensayo la perturbación que puede sufrir la muestra inalterada de laboratorio durante su extracción y transporte.

Escrito por: Ing. Wilfredo Gutiérrez Lázares