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POLITÉCNIA NACIONAL
DEPARTAMENTO DE GEOLOGÍA
LABORATORIO DE GEOTECNIA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE GEOLOGÍA Y PETRÓLEOS
DEPARTAMENTO DE GEOLOGÍA
LABORATORIO GEOTECNIA
RESISTENCIA Y DEFORMACIÓN:
COMPRESIÓN SIMPLE, CORTE DIRECTO,
TRIAXIAL Y CONSOLIDACIÓN
INTEGRANTES:
Cristina Illánez
Fernando Romo
Eduardo Llumiquinga
2024 - B
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NACIONAL
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- 1 INTRODUCCIÓN Contenido
- 2 OBJETIVOS
- 3 MARCO TEÓRICO
- 3.1 Esfuerzos Efectivos y Totales
- 3.2 Relaciones Esfuerzo-Deformación
- de Mohr-Coulomb.......................................................................................................... 3.3 Resistencia al Corte: Ángulo de Fricción Interna, Cohesión y Criterio de Falla
- 3.4 Consolidación y Asentamiento
- 4 METODOLOGÍA
- 4.1 Ensayo de corte directo
- 4.2 Ensayo triaxial
- 4.2.1 Preparación de la Muestra
- 4.2.2 Montaje del Ensayo
- 4.2.3 Aplicación de Presiones
- 4.2.4 Aplicación de la Carga Axial
- 4.2.5 Registro de Datos
- 4.3 Compresión Simple
- 4.4 Ensayo de Consolidación
- 5 RESULTADOS
- 5.1 COMPRESIÓN SIMPLE
- 5.2 CORTE DIRECTO
- 5.3 TRIAXIAL UU
- 6 CONCLUSIONES
- 7 Bibliografía
- 8 PREGUNTAS
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- Analizar las relaciones entre esfuerzo y deformación para entender cómo los suelos se deforman bajo cargas aplicadas.
- Determinar la resistencia al corte del suelo , identificando parámetros clave como el ángulo de fricción interna y la cohesión, mediante ensayos como el corte directo y triaxial los cuales permitirán evaluar la estabilidad de taludes, muros de contención y cimentaciones, previniendo fallas por deslizamiento o colapso.
- Estudiar los procesos de consolidación y asentamiento en suelos cohesivos, con el fin de predecir el comportamiento a largo plazo de estructuras construidas sobre estos suelos. 3 MARCO TEÓRICO 3.1 Esfuerzos Efectivos y Totales En mecánica de suelos, el concepto de esfuerzos efectivos y totales es fundamental para entender el comportamiento del suelo bajo cargas. El esfuerzo total (σ σ ) es la fuerza por unidad de área que actúa sobre el suelo, mientras que el esfuerzo efectivo (σ′ σ ′) es la parte del esfuerzo total que es soportada por la estructura del suelo, es decir, el esfuerzo total menos la presión de poro (u u ). La relación se expresa como: 𝜎′ = 𝜎 − 𝑢𝜎′ = 𝜎 − 𝑢 Este principio fue introducido por Terzaghi (1925) y es esencial para analizar la estabilidad de suelos y la deformación bajo cargas. 3.2 Relaciones Esfuerzo-Deformación La relación entre esfuerzo y deformación en suelos describe cómo un material se deforma bajo la aplicación de cargas. En suelos, esta relación no es lineal y depende de factores como la historia de carga, la densidad y la composición del material. La ley de Hooke generalizada se utiliza para describir el comportamiento elástico, mientras que modelos más complejos, como el modelo elasto-plástico , se emplean para describir deformaciones irreversibles. 3.3 Resistencia al Corte: Ángulo de Fricción Interna, Cohesión y Criterio de Falla de Mohr-Coulomb La resistencia al corte de un suelo es su capacidad para resistir fuerzas que tienden a causar deslizamiento entre partículas. El criterio de falla de Mohr-Coulomb es ampliamente utilizado para describir la resistencia al corte y se expresa como:
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 𝜏 = 𝑐 + 𝜎′𝑡𝑎𝑛 (𝜙) Donde:
- τ = resistencia al corte,
- c = cohesión,
- σ ′ = esfuerzo efectivo normal,
- ϕ = ángulo de fricción interna. Este criterio establece que la resistencia al corte depende de la cohesión del material y del ángulo de fricción interna, que representa la resistencia friccional entre partículas. 3.4 Consolidación y Asentamiento La consolidación es el proceso mediante el cual el suelo reduce su volumen debido a la expulsión de agua de los poros bajo cargas aplicadas. Este fenómeno es crucial para predecir el asentamiento de estructuras sobre suelos compresibles. La teoría de la consolidación unidimensional de Terzaghi describe este proceso mediante la ecuación: 𝜕𝑢 𝜕𝑡
𝜕𝑢^2 𝜕𝑧^2
𝜕𝑧^2
Donde:
- u = presión de poro,
- cv = coeficiente de consolidación,
- z = profundidad. El asentamiento total ( S ) se calcula integrando las deformaciones verticales a lo largo de la profundidad del estrato compresible. 4 METODOLOGÍA 4.1 Ensayo de corte directo Para la elaboración del ensayo debe tomar una muestra inalterada cuyas dimensiones son de 7 x 7 x2 cm. La misma muestra pasa por un proceso de compactación mediante el uso de un pistón para después ser colocada dentro del recipiente metálico, el cual cuenta con dos compartimientos.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 4.2.3 Aplicación de Presiones En esta etapa, se aplica una presión de confinamiento hidrostática (σ₃) a la muestra, la cual se mantiene constante durante todo el ensayo. Esta presión se genera llenando la cámara con agua y aplicando presión mediante un sistema hidráulico. Simultáneamente, se mide y controla la presión de poros en la muestra utilizando un sistema de drenaje. Dependiendo del tipo de ensayo (drenado o no drenado), se permite o no la disipación de la presión de poros. Este paso es esencial para simular las condiciones de esfuerzo a las que estará sometido el material en el campo. Imagen 1 : Colocación de membrana en una muestra de suelo. Imagen 2 : Montaje de la muestra lista para ser introducida para el ensayo triaxial. Imagen 3 : Válvula de regulación para el ingreso de agua a la máquina de ensayo.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 4.2.4 Aplicación de la Carga Axial Una vez aplicada la presión de confinamiento, se procede a aplicar una carga axial (σ₁) a la muestra mediante un pistón que se mueve a una velocidad constante. La carga se incrementa gradualmente hasta que la muestra alcanza su punto de falla. Durante este proceso, se miden las deformaciones axiales y volumétricas utilizando extensómetros y transductores de presión. Estas mediciones permiten registrar el comportamiento de la muestra bajo carga y determinar su resistencia al corte. La velocidad de carga debe ser controlada cuidadosamente para asegurar que las condiciones del ensayo sean consistentes. . 4.2.5 Registro de Datos Durante el ensayo, es fundamental registrar continuamente los datos de carga axial, presión de confinamiento, presión de poros y deformaciones. Estos datos se utilizan para identificar el punto de falla de la muestra, que ocurre cuando la resistencia al corte alcanza su valor máximo. El registro preciso de esta información es clave para realizar un análisis posterior y obtener resultados confiables. Además, se deben anotar cualquier anomalía o cambio en las condiciones del ensayo que pueda afectar los resultados. 4.3 Compresión Simple El ensayo de compresión simple es una prueba en la que se coloca una probeta de suelo, ya sea de forma cilíndrica o prismática, en una prensa ordinaria y se somete a una carga axial hasta su falla, sin aplicar ningún tipo de confinamiento lateral. Este método es similar al ensayo triaxial en cuanto a la aplicación de carga axial, pero se diferencia en que no se ejerce presión lateral sobre la muestra. Debido a esta falta de confinamiento, el ensayo solo es adecuado para suelos cohesivos, como arcillas y limos, ya que en suelos Imagen 4 : Curva de esfuerzo.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 5.2 CORTE DIRECTO En el ensayo de corte directo, se mide el desplazamiento experimentado por la muestra al aplicar un esfuerzo normal de 50 Kpa, y el programa genera una gráfica de esfuerzo frente a desplazamiento. Con esta información, también es posible elaborar la gráfica del círculo de Mohr, a partir de la cual se pueden determinar la cohesión y el ángulo de fricción. Imagen 6 : Muestra afectada por falla inducida. Imagen 7 : Muestra con la presencia de cizalla.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 5.3 TRIAXIAL UU El programa va a presentar la curva de esfuerzo vs deformación con un esfuerzo de 50Kpa. Con estos datos se va a poder realizar el círculo de Mohr para determinar la cohesión y ángulo de presión. 6 CONCLUSIONES
- El ensayo de corte directo es particularmente adecuado para suelos inalterados y es más confiable en muestras de arena, ya que el plano de falla inducido en este tipo de suelo refleja mejor las condiciones reales. Para suelos arcillosos, se recomienda utilizar ensayos triaxiales debido a su mayor capacidad de manejar drenaje y cohesión. Ambos ensayos proporcionan parámetros importantes, como Imagen 8 : Envolvente de ruptura y parámetros de resistencia. Imagen 9 : Gráfico de tiempo vs desplazamiento.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA 7 Bibliografía
- ASTM International. (2011). Annual book of ASTM standards, Section 4: Construction, Volume 04.08: Soil and rock (I). West Conshohocken, PA: ASTM International.
- Budhu, M. (2011). Soil mechanics and foundations. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
- Craig, R. F. (2004). Craig's soil mechanics. Londres, Reino Unido: Spon Press.
- Das, B. M. (2010). Fundamentos de ingeniería geotécnica. Ciudad de México, México: Cengage Learning.
- Das, B. M. (2010). Principles of geotechnical engineering. Cengage Learning.
- Terzaghi, K. (1925). Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage. Leipzig: Franz Deuticke.
- Terzaghi, K., Peck, R. B., & Mesri, G. (1996). Soil mechanics in engineering practice (3ª ed.). Nueva York, NY: John Wiley & Sons 8 PREGUNTAS ¿Qué factores afectan la consolidación primaria y la secundaria en los suelos? La consolidación primaria depende de qué tan rápido el agua intersticial puede salir del suelo, lo que está influenciado por la permeabilidad, la carga aplicada y el drenaje disponible. La consolidación secundaria, en cambio, ocurre por la reacomodación de las partículas con el tiempo y se ve afectada por la estructura del suelo y la presencia de materia orgánica. ¿Qué condiciones del suelo (saturado o parcialmente saturado) son necesarias para que el ensayo de consolidación sea válido? El suelo debe estar completamente saturado, ya que la consolidación ocurre cuando el agua intersticial se expulsa bajo carga. Si el suelo tiene aire atrapado, los resultados no reflejarán el proceso real. ¿Cuál es la función de la caja de corte en el ensayo de corte directo? La caja de corte es un componente del ensayo de corte directo, ya que mantiene la muestra de suelo confinada mientras se aplica un esfuerzo cortante. Su propósito es simular las condiciones de cizallamiento que ocurren en el terreno cuando una masa de suelo se desliza sobre otra. La caja permite controlar y medir la resistencia del suelo al corte bajo diferentes niveles de carga normal, lo que ayuda a determinar sus parámetros de resistencia.
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LABORATORIO DE GEOTECNIA ¿Qué parámetros se obtienen al realizar un ensayo de corte directo y cómo se interpretan? Se determina la resistencia al corte, que depende de la fricción interna y la cohesión. El ángulo de fricción interna indica qué tan bien resisten las partículas el movimiento, mientras que la cohesión mide la fuerza que mantiene el suelo unido, incluso sin carga. ¿Por qué el ensayo de corte directo es más adecuado para suelos granulares? En suelos arenosos, la falla ocurre naturalmente debido a la fricción entre partículas, lo que hace que el ensayo refleje bien su comportamiento. En suelos arcillosos, el control sobre las presiones de poro es más complejo. ¿Cuál es la diferencia e importancia de realizar ensayos drenados y no drenados en el corte directo? En un ensayo drenado, el agua intersticial sale, simulando condiciones a largo plazo. En un ensayo no drenado, el agua queda atrapada, representando el comportamiento inmediato del suelo bajo carga. ¿Qué limitaciones tiene el ensayo de corte directo respecto a su representación tridimensional del esfuerzo? Solo analiza el esfuerzo en un plano, lo que no siempre refleja la realidad tridimensional del suelo. Además, no mide directamente las presiones de poro, lo que puede afectar la precisión en suelos cohesivos. ¿Cuáles son las diferencias entre los ensayos triaxiales UU, CU y CD?
- UU (No consolidado - No drenado): No se permite consolidación ni drenaje durante el ensayo.
- CU (Consolidado - No drenado): Se permite consolidación bajo presión confinante, pero no drenaje durante la aplicación de la carga axial.
- CD (Consolidado - Drenado): Se permite consolidación y drenaje durante todo el ensayo ¿Cómo se controla la presión de poro durante un ensayo triaxial no drenado? Se mide con un transductor de presión de poro y se mantiene constante al evitar el drenaje durante la aplicación de la carga axial. ¿Qué curva se genera a partir del ensayo triaxial para obtener el ángulo de fricción interna (φ) y la cohesión (c)? Se genera una serie de círculos de Mohr a partir de ensayos con diferentes presiones confinantes, y la envolvente de falla de Mohr-Coulomb proporciona φ (ángulo de fricción) y c (cohesión).
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