RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS

INDICE :

1. GENERALIDADESEste capitulo se ocupa de la evaluación de los parámetros de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos.Los suelos fallan bajo una combinación de esfuerzo normal de compresión y esfuerzo cortante en el plano de falla.Es necesario evaluar el esfuerzo cortante en los suelos por el problema de estabilidad de los suelos.

Esfuerzos normal y cortante, en el interior de un bloque de suelo, producidos por esfuerzos

externos: vertical y horizontal.

2. LA EVALUACION DE LA RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE LOS SUELOS

La evaluación incluye analizar los siguientes problemas:

a. Selección adecuada de los taludes para terraplenes y excavaciones (incluyendo los cortes en carreteras)

b. Determinación de la carga que un suelo puede resistir con cierta seguridad, incluyendo la carga que terraplenes, rellenos y diques imponen sobre el suelo de cimentación.

c. Determinación de la capacidad de soporte para zapatas y losas de cimentación

d. Determinación de la resistencia al esfuerzo del corte desarrollado entre el suelo y pilote o cajón de cimentación.

3. TEORÍA DE COULOMB.

La primera hipótesis en la resistencia al esfuerzo de corte de un suelo fue presentada por Coulomb (1773) como la siguiente:

S = C +σn Tangφ (1)

Terzaghi (1925) hizo notar la necesidad de considerar el efecto de la presión de poros en la resistencia del suelo.Hvorslev (1937) utilizó los datos de laboratorio para verificar el uso de los parámetros en presiones efectivas y obtener la ecuación de la Resistencia al Corte COULOMB – HVORSLEV.

S = C’ + σ’TANGφ’

S : Resistencia al esfuerzo cortante.

C : Cohesión del suelo.

C’: Valor efectivo cuando se usa σ’.

φ : Angulo de fricción interna.

φ’: Angulo efectivo de fricción interna obtenido usando σ’.

3. TEORÍA DE COULOMB.

TERZAGHI (1925) Hizo notar la necesidad de considerar el efecto de la presión de poros en la resistencia de suelo. La presión de poros consiste en la presión en el agua dentro de los poros del suelo.

Hvcrslev en (1937) utilizando datos de laboratorio verifico el uso de parámetros en Presiones efectivas y obtener la ecuación siguiente: S=C*+σ*tg(ϕ*) (Couloub-Hvorslev).

4. ESFUERZOS BIDIMENSIONALES EN

UN PUNTO.

La figura ilustra el caso para una condición de esfuerzo bidimensional con el esfuerzo principal σ1 y σ3 que actúan sobre los planos principales mostrados (caras del elemento)

Se seleccionan para la inspección detallada dos de los planos principales AC y CB de la figura .

A

σ3 σ3

σ1

σ1

C

D

Bφ

σ3

A

C B

σn

τ

AB.Cosφ

AB

.Senφ

σ1

4. ESFUERZO BIDIMENSIONALES EN UN PUNTO.

Suponiendo que el plano AB es 1unidad x 1unidad perpendicular al plano de la página la que da un área de 1 unidad. Esto deduce:

BC = AB. Cosϴ

AC = AB. Senϴ

Realizando el cálculo trigonométrico obtenemos:

4. ESFUERZO BIDIMENSIONALES EN UN PUNTO.

5. COHESIÓN.

Es la atracción entre partículas originada por las fuerzas moleculares y las partículas de agua

La cohesión se mide en:

Kg/cm2.

En los suelos arcillosos la cohesión es alta de 0.25Kg/cm2 a 1.5Kg/cm2 , los suelos limosos tienen poca cohesión, en las arenas la cohesión es nula.

5. COHESIÓN.

ϕ

ϕ

real

teórico

6. FRICCIÓN INTERNA.

Es la resistencia al deslizamiento alcanzado por la fricción que hay entre las superficies de contacto por lo tanto depende de la granulometría del material-

La fricción interna de un suelo esta definida por el ángulo cuya tg es la relación entre la fuerza que resiste al deslizamiento y la fuerza normal P aplicada.

ϕ1 ϕ2σn σn

Φ1 > Φ2

BUENA TRABAZON, TENDRIAN FRICCIONES INTERNAS ALTAS, EN CAMBIO LOS SUELOS FINOS LAS TENDRIAN BAJAS.

7. CIRCULO DE ESFUERZOS DE MOHR.

Las ecuaciones del esfuerzo normal y esfuerzo tangencial representan un circulo de esfuerzos en el plano xy siendo su radio igual T1-T3/2, R=cortante máximo.

Es costumbre dibujar el circulo de Mohr en el primer cuadrante. Ejemplos .

Diagrama de Mohr.

Envolvente de Mohr y teoría de Coulomb.

8. ENSAYO DE CORTE DIRECTO.

Mediante este ensayo se determina el Angulo de fricción interna y la cohesión del suelo con estos parámetros se obtiene la capacidad portante del suelo.

Referencias: ASTM D3080.

Para el ensayo se necesita 03 muestras inalteradas con el muestreador rectangular de 10cm de lado y 4cm de altura.

Se dibuja los esfuerzo normales y esfuerzos tangenciales máximos a cada nuestra(escala natural)Ejemplo.

Detalles del equipo de corte directo.

9. ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE.

Se utiliza en suelos arcillosos este ensayo permite obtener en forma cuantitativa valores de la resistencia a la compresión(qu) y por ende la resistencia al esfuerzo cortante.

Referencias ASTM D-2166-98.

L muestra debe ser inalterada de 4cm de diámetro y 6cm de longitud se debe determinar la densidad natural y el contenido de humedad de la muestra luego se determina la deformación axial unitaria. Los resultados se dibujan en escala natural.

10. DIAGRAMA DE ESFUERZO CORTANTE VS. DEFORMACIÓN.

Se debe considerar el esfuerzo normal de 0.5kg/cm2 luego de 1 kg/cm2 y de 1.5kg/cm2 así como la deformación durante el ensayo.|

τ

τ

11. DIAGRAMA DE ESFUERZO CORTANTE VS. ESFUERZO NORMAL.

Para hallar la cohesión y la fricción se grafican los datos de esfuerzo normal y esfuerzo máximo.

12. ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL.

Con este ensayo se estudia con mayor precisión los suelos finos saturados, superando inconvenientes que presenta el aparato de corte directo.

El tamaño de la muestra que se ensaya en el aparato de corte triaxial depende del modelo de aparato. La altura de la muestra es el doble del diámetro.

El aparato de corte triaxial permite aplicar primero unas tensiones horizontales(cilíndricas) T3, dando presión al agua de la célula. Luego se aplica una tensión vertical T1de la manera que al alcanzar la rotura se obtiene un estado de tensiones tridimensional que podemos representar en un circulo de MOHR. Este ensayo traxial permite determinar las presiones intersticiales y las presiones efectivas las cuales son las que en definitiva regulan la resistencia del suelo.

13. ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL.

14. FENÓMENO DE LICUACIÓN DE LOS SUELOS.

Es importante saber que los únicos materiales térreos que presentan este fenómeno son los suelos granulares que tengan una distribución de partículas uniforme y con cierta cantidad o contenido de materiales finos. Las condiciones para que se produzca este fenómeno son las siguientes:

Distribución granulométrica, baja densidad de los materiales, ubicación bajo el nivel freático y ser sometidos a la acción de fuerzas dinámicas como las fuerzas dinámicas de sismo.

Desprendimiento del suelo por licuefacción

1957 Lago Merced

Niigata, Japan Earthquake, 1964

• Falla por la disminución de la capacidad portante del suelo

• Ocurrió cerca al Banco Río Shinano

• Los edificios por si mismos sufrieron daños estructurales.

Niigata, terremoto en Japón , 1964

• El desplazamiento de las cimentaciones de los pilares causan el desprendimiento de la superestructura del

puente.

Niigata, terremoto en Japón , 1964

Hundimiento de zonas de arena en la localidad de Niigata después del sismo

Terremoto en Loma Prieta, CA, 1989• El daño que causó la

Licuefacción de suelos en las instalaciones de una línea de costa, enterró en el área de la bahía tuberías y estructuras.

• Se observaron numerosos sandboils. Estos dieron una irrefutable evidencia de la ocurrencia de licuefacción.

Terremoto en Kobe, Japón 1995

• Fuertes vibraciones en el suelo producen licuefacción de suelos causó el colapso de la Autopista Hanshin.