UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

COMPARACIÓN DE LA RESISTENCIA

CORTANTE DRENADA DE UN SUELO

IN-SITU Y EN LABORATORIO

JORGE E. ALVA HURTADO

JOSÉ W. GUTIÉRREZ LÁZARES

VICENTE CHIARARSE CABRERA

Facultad de Ingeniería CivilAv. Túpac Amaru N° 1150 - Lima 25. Apartado Postal 31-250, Lima 31

Teléfonos (51-1) 482-0777, 482-0804 Fax 481-0170 e-mail:director@uni.edu.pe http://www.cismid-uni.org

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

COMPARACIÓN DE LA RESISTENCIA

CORTANTE DRENADA DE UN SUELO

IN-SITU Y EN LABORATORIO

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Jorge E. Alva Hurtado

José W. Gutiérrez Lázares

Vicente Chiararse Cabrera

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0097

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

COMPARACIÓN DE LA RESISTENCIA

CORTANTE DRENADA DE UN SUELO

IN-SITU Y EN LABORATORIO

JORGE E. ALVA HURTADO

JOSÉ W. GUTIÉRREZ LÁZARES

VICENTE CHIARARSE CABRERA

COMPARACION DE LA RESISTENCIA CORTANTE DRENADA DE UN SUELO IN-SITU Y EN LABORATORIO

Jorge E. Alva Hurtado ( )1

José W. Gutiérrez Lázares (2)

Vicente Chariarse Cabrera (3)

RESUMEN Como parte del análisis de la estabilidad de un tajo abierto ubicado en la Sierra Central del Perú, se realizaron ensayos de campo y de laboratorio para determinar los parámetros drenados de la resistencia cortante del suelo. El material del talud es un depósito cuaternario del tipo calcáreo terroso, cruzado por horizontes de travertino y arcilla. Se ejecutaron trincheras en el talud existente con el objeto de definir la estratigrafía y obtener muestras inalteradas para realizar ensayos de resistencia cortante drenada en el 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 artículo se describe el equipo de campo utilizado y se comparan los valores de las resistencias cortantes obtenidas en los ensayos de corte directo in-situ y en laboratorio.

INTRODUCCION 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 reflejan las condiciones de campo. Dadas las características especiales 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. En este artículo se describe el equipo de campo y el procedimiento de ensayo, y se presenta una comparación de las resistencias (1) Profesor Principal, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú. (2) Jefe de Prácticas, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú. (3) Profesor Asociado, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú.

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.

EXPLORACION DE CAMPO El talud en estudio está ubicado en la sierra central del Perú, en una altiplanicie a 3800 m.s.n.m. Consiste de un depósito cuaternario del tipo calcáreo terroso cruzado por horizontes de travertino y arcilla. En el área, desde el Triásico superior hasta el Jurásico, ocurrió sedimentación continua dando origen al Grupo Pucará. Posteriormente ocurre un levantamiento que origina el Geoanticlinal del Marañón, produciendo dos cuencas. En la cuenca occidental, desde el Cretáceo inferior-superior se acumularon sedimentos de areniscas que forman el grupo Goyllarizquisga; luego por hundimiento de la cuenca se depositaron calcáreos de la Formación Chulec, Pariatambo y Celendín. El talud en estudio tiene predominio de material calcáreo del cuaternario, con fragmentos de cuarzo y gran porcentaje de travertino y limolitas. La zona está expuesta a lluvias intensas en determinadas épocas del año. Con el propósito de estudiar las características del talud, se ubicaron tres ejes de trincheras. En las trincheras se obtuvieron muestras inalteradas y alteradas de los suelos constituyentes, para realizar los análisis de laboratorio. Se ejecutaron también ensayos de corte directo in-situ. Las trincheras se dividieron en zonas representativas para obtener muestras de los diferentes estratos. Por ejemplo, la identificación 24-C indica la muestra C de la cuarta zona de la trinchera 2. La Figura Nº 1 presenta un esquema de la ubicación y zonificación de cada trinchera. Además, se indican los lugares donde se extrajeron muestras para ensayos de laboratorio y donde se realizaron los ensayos de corte in-situ.

ENSAYOS DE LABORATORIO Se ejecutaron, para clasificar los suelos del talud, 61 ensayos de granulometría, 26 ensayos de límite líquido, 10 ensayos de límite plástico y 41 ensayos de contenido de humedad. También se realizaron análisis químicos y ensayos de sedimentación en las muestras del talud. Estos ensayos estándar se realizaron en el Laboratorio de Mecánica de Suelos del Ministerio de Transportes y Comunicaciones. Los ensayos especiales de corte directo en muestras de contenido de humedad natural y saturado se efectuaron en el Laboratorio de Mecánica de Suelos del Ministerio de Agricultura. Los resultados obtenidos de los ensayos de corte directo en laboratorio se presentan en la Tabla Nº 1.

Ponencia presentada en el VII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, 5-11 Setiembre 1988, Huaraz.

De acuerdo a los perfiles estratigráficos y los ensayos de laboratorio se concluye que el talud está conformado en un 70% por material limo-arcilloso y en un 30% por material areno-limoso. El contenido de material calcáreo en este depósito es elevado

ENSAYOS IN-SITU 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. El equipo de ensayo se construyó de acuerdo a las características mostradas en la Figura Nº 2. Equipo.- Los principales componentes del equipo son: a) Caja metálica.- empleada para confinar la muestra y aplicar las cargas horizontal y vertical,

las dimensiones son 0.30 x 0. 30 x 0.30 m. b) 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. c) 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. d) Gatos hidráulicos.- capaces de transmitir la carga vertical y horizontal al especímen. Los

gatos tienen una capacidad de 20 toneladas. e) Extensómetros.- para medir desplazamientos verticales y horizontales desarrollados

durante el ensayo (aproximación de 0.01 mm). Preparación de la Muestra.- Se realiza la excavación del terreno y el tallado inicial de las muestras a ensayar, tal como se indica en la parte superior de la Figura Nº 3. El tallado inicial se realiza 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 especímen de ensayo, tal como se muestra en la parte inferior de la Figura Nº 3. Procedimiento.- 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 los ensayos

esfuerzos verticales normales de 1,2 y 4 kg/cm2. Se midieron esfuerzos tangenciales máximos de hasta 3.2 kg/cm2 en los ensayos. Los resultados de los ensayos de corte directo in-situ se presentan en la Tabla Nº 2.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1) 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

2) Los parámetros de resistencia cortante drenada obtenidos del ensayo de corte directo

in-situ presentan valores muy similares a los obtenidos en el ensayo de corte directo en el laboratorio. En promedio los valores del ángulo de fricción obtenidos en el laboratorio son mayores en 2°, y los valores de la cohesión de laboratorio son menores en 0.2 kg/cm2, que los valores de campo.

3) Los materiales más arcillosos presentan valores de resistencia cortante drenada

menores que los materiales limosos. Los materiales limosos contienen un porcentaje mayor de carbonatos.

4) El equipo presentado para realizar ensayos de corte directo in-situ es relativamente

sencillo de construir, tiene un costo bajo y necesita adicionalmente solo 2 gatos hidráulicos.

5) El procedimiento de preparación de especímenes y ejecución del ensayo es simple y

rápido, descartándose en el ensayo la perturbación que puede sufrir la muestra inalterada de laboratorio durante su extracción y transporte.

6) Se recomienda el empleo del equipo de corte directo in-situ, presentado en este artículo,

en otros suelos del Perú.

AGRADECIMIENTO Se agradece al personal técnico que participó en la fabricación del equipo y en la ejecución de los ensayos in-situ y de laboratorio.

REFERENCIAS

1) Alva Hurtado J.E. (1985), “Estudio Geotécnico de Cimentación” 2) Alva Hurtado J.E. (1985), “Notas de Clase-Mecánica de Suelos”, Maestría-UNI.

3) Anual Book of ASTM (1986), “Soil and Rock; Building Stones”, Standards volume

04.08. 4) Bowles, J. (1978), “Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil”. 5) Cassan, M. (1982), “Los Ensayos In-Situ en la Mecánica del Suelo”. 6) Gutiérrez Lázares J. (1987), “Estudio de Canteras y Fuentes de Agua”, Tesis de

Bachiller. 7) Humala Aybar G. (1982), “Ensayo de Corte Directo In-Situ en Lima”. 8) Lambe, W. (1972), “Ensayos de Suelos para Ingeniería”.

9) Lambe, W-Whitman, R. (1981), “Mecánica de Suelos”. 10) Rico R.- Del Castillo H. (1987), “La ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres”. 11) Universidad Nacional de Ingeniería (1987) “Ensayos de Corte Directo In-Situ”.

TABLA Nº 1 RESULTADOS DE ENSAYOS DE CORTE DIRECTO EN LABORATORIO

C CORTE DIRECTO

MUESTRA CLASIFICACION SUCS

ω % DENSIDAD SECA

(gr/cm

τ máx. (kg/cm

σ φ°

3) (kg/cm2) 2) (kg/cm2)

1.00

0.86

2.00

1.60

CL 31 - A CD – 1 0.35 27.019.39 1.728

(N) 2.16 4.00

1.00

1.00

2.00

1.64

ML 24 - B CD – 2 0.45 29.534.81 1.427 (S) 2.56 4.00

1.00

0.92

2.00

1.72

ML 14 – A CD – 3 20.40 1.535 0.28 33.0 (N) 4.00 2.72

1.00

1.10

2.00

1.64

ML 21 – A CD – 4 0.60 24.527.16 1.193 (S) 2.24 4.00

1.00

1.00

2.00

1.56

CL 23 - B CD – 5 0.55 21.016.27 1.816

(N)

4.00 1.60

(N) : MUESTRAS ENSAYADAS BAJO CONDICIONES NATUALES (S) : MUESTRAS ENSAYADAS BAJO CONDICIONES SATURADAS

TABLA Nº 2

RESULTADOS DE ENSAYO DE CORTE DIRECTO IN-SITU

C CORTE

DIRECTO MUESTR

A CLASIFICACION

SUCS τ máx.

(kg/cmφ° ω % σ

(kg/cm2) 2) (kg/cm2)

1.00

0.81

2.00

1.22

CL 31 - A CD – 1 0.34 24.5 22.36

2.17 4.00

1.00

0.65

2.00

1.43

ML 24 - B CD – 2 0.49 18.5 25.77

1.74 4.00

1.00

0.99

2.00

2.03

ML 14 – A CD – 3 19.77 0.61 29.5

4.00 2.78

1.00

1.57

2.00

1.74

ML 21 – A CD – 4 0.91 23.8 24.12

3.19 4.00

1.00

0.99

2.00

1.57

CL 21 - B CD – 5 22.61 0.634 22.5

4.00 2.26

T-2 T-3 T-1

OCD-1 OCD-4

OCD-3 OCD-2

OCD-5

eje del talud

CD = Corte Directo

T-i = Trinchera “i”

VISTA DE PLANTA

SM

CD-1 CL

CD-4

ML

ML

CD-2

SM CD-5 CL

ML ML

S/E

eje del talud

VISTA FRONTAL

SM

SM

CD-3 ML

FIGURA Nº 1 UBICACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE TRINCHERAS EN EL TALUD

3 Tn.

0.30 m.

SISTEMA DE TRANSMISION DE CARGA AXIAL 0.025 m.

0.30 m

P 0L .025 m. CAJA METALICA DE CONFINAMIENTO

0.20 m.

5 cm φ

POLINES DE TRANSMISION DE CARGA AXIAL

EXTENSOMETROS DE DEFORMACION VERTICAL Y HORIZONTAL

GATOS HIDRAULICOS DE 20 TONELADAS DE CAPACIDAD

FIGURA Nº 2 ESQUEMA DEL EQUIPO DE CORTE DIRECTO IN-SITU

1.50 m. 1.90 m.

0.225m. 0.225m. 0.225m. 0.245m.

1.20 0.30

ESQUEMA DEL TALLADO DE MUESTRAS A ENSAYAR

sobre carga

vigas de acero

gato hidráulico

rodillos gato hidráulico

apoyo metálico

extensómetros

caja metálica

FIGURA Nº 3 PREPARACION DE MUESTRAS Y EJECUCION DE ENSAYOS

Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de DesastresAv. Túpac Amaru N° 1150 - Lima 25. Apartado Postal 31-250, Lima 31Teléfonos (51-1) 482-0777, 482-0804 Fax 481-0170e-mail:director@uni.edu.pe http://www.cismid-uni.org