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Existen varias formas de determinar los elementos de resistencia interna del suelo, cohesión y ángulo de fricción interna mediante experimentos de laboratorio, entre las cuales las pruebas de corte directo y compresión triaxial son las más famosas.
Experiencia de corte directo
La prueba se realiza en un aparato de sección rectangular de tipo A. Casagrandea o en un aparato circular del tipo Hvorsleva. Describiremos el experimento con el dispositivo de sección rectangular, que es el más utilizado. En ambos casos, la prueba se realiza con una muestra no perturbada o con una muestra perturbada en el límite elástico, en cuyo caso la prueba tiene un valor comparativo.
Aparato para corte directo de una sección rectangular (fig. 1)
Fig. 1_Sección transversal del aparato de corte directo de Casagrande_
El dispositivo consta de dos partes, el marco superior e inferior, donde la inferior es estática, mientras que la superior es móvil y se puede mover sobre la inferior bajo la influencia de la fuerza horizontal Z, que actúa sobre el plano de contacto del marco superior e inferior.
La muestra de suelo se coloca en un anillo rectangular de acero, generalmente del tamaño 100 × 100 × 30 mm, o esas dimensiones cuando se raspa con precisión. Se colocan piedras filtrantes sobre la parte superior e inferior de la muestra y luego todo se coloca en el anillo del aparato, que luego se llena con agua. Se coloca un dispositivo para carga vertical sobre la muestra. La piedra filtrante superior está conectada al sistema de carga vertical de la muestra, mientras que la inferior está conectada a canales de agua, mediante los cuales la muestra se puede mantener en estado saturado durante la prueba, para excluir la cohesión aparente.
Para excluir la fricción en las superficies de contacto entre el marco superior e inferior, existen dispositivos con el marco superior torcido, mediante los cuales el marco superior se mueve bajo el efecto de una fuerza cortante horizontal. Además, las superficies de contacto del marco superior e inferior están recubiertas con vaselina. El dispositivo incluye otro comparador 2 para registrar deformaciones verticales y horizontales.
Prueba de corte directo
Existen principalmente 2 tipos de ensayo de corte directo: ensayo rápido y lento. La prueba Quick consiste en cargar la muestra con una determinada presión vertical, que suele ascender a 0,50, después de ser introducida en el aparato; 1,0; 2,0; 3,0 y 4,0 kp/cm2, espere la consolidación, que se supone que se ha logrado si el asentamiento durante 24 horas Δh ≤ 0,02 mm, y luego aplique la fuerza cortante horizontal Z, tamaño 1/20 o 1/40 parte de la fuerza vertical P, que aumenta cada minuto en el mismo valor hasta que el suelo se rompe. Durante la aplicación de la fuerza de corte horizontal, el curso del movimiento del marco superior se monitorea constantemente mediante lecturas en el comparador y las deformaciones horizontales se registran en el registro inmediatamente antes de cada nueva carga. El momento en el que el comparador muestra un movimiento brusco se adopta como innovador.
La prueba rápida se aplica a suelos arcillosos, cuya consolidación natural bajo una nueva carga es lenta y corresponde a este método de realización de la prueba.
Slow se realiza de manera similar a la anterior con la única diferencia de que la fuerza de corte horizontal aumenta en un intervalo de tiempo más largo, que puede ser 2, 5 y 15 mminutos o hasta la consolidación, es decir, hasta que las deformaciones horizontales se vuelven completamente insignificantes. El curso de consolidación bajo el efecto de la fuerza horizontal se controla en el comparador 9 (fig. 1).
La prueba lenta se aplica a suelos arenosos o polvorientos, donde en el caso de un aumento de la fuerza de corte horizontal en un corto intervalo de tiempo, el corte de la muestra en el aparato se aceleraría debido al efecto del agua estresada en los poros, lo que no correspondería a un proceso natural. Por lo tanto, el intervalo de tiempo aumenta con la finura de las partículas del suelo no unidas, para permitir la igualación de la presión del agua en los poros del suelo con la presión del agua externa. Esta igualación se logra dejando suficiente tiempo bajo el efecto de cada nivel de carga horizontal, de modo que el exceso de agua en los poros sea exprimido a través de la piedra filtrante.
Además de los ensayos mencionados, en determinados casos se realiza un ensayo rápido sin consolidación bajo carga vertical, es decir, la fuerza de corte horizontal se aplica inmediatamente después de introducir la muestra en el aparato y cargarla con una carga vertical. Sin embargo, este método de ejecución se aplica en condiciones especiales, como en el caso de un terraplén recién instalado hecho de suelo arcilloso, que se carga inmediatamente después del terraplén sin compactación previa.
Determinación del ángulo de fricción interna y cohesión
Según los resultados de la prueba, se calcula el esfuerzo cortante
τ=Z/A en kp/cm²,
que se obtiene a partir de la fuerza cortante Z en kp en el momento de falla y el área de la sección transversal de la muestra A en cm². La prueba se realiza con aparatos 3 a 4 cargados con diferente presión normal σ=P/A en kp/cm² donde P es la carga vertical de la muestra en kp. Se suelen tomar los siguientes valores de presiones normales: 1,0; 2,0; 3,0 y 4,0 kp/cm².
Fig. 2. Diagrama de deformaciones horizontales
A partir del diagrama de elementos de fricción internos se obtienen dos tipos de diagramas 1 y un diagrama de deformaciones horizontales (fig. 2).
El diagrama de deformaciones horizontales se obtiene aplicando el desplazamiento horizontal ΔL en mm del marco superior del dispositivo al inferior en el eje de abscisas, que se obtiene leyendo el comparador 9, y en el eje de ordenadas el correspondiente esfuerzo cortante τ en kp/cm² (fig. 2).
Dependiendo de la compactación del suelo se obtiene el diagrama 1 para material compactado y el diagrama 2 para material suelto.
Para un material compactado, el esfuerzo cortante τ aumenta inicialmente bastante bruscamente en relación con el desplazamiento horizontal ΔL hasta el límite de proporcionalidad P, luego más lentamente, por lo que la curva del diagrama 1 aumenta y alcanza una altura máxima B, después de lo cual el diagrama disminuye a lo largo de una cierta longitud, para finalmente alcanzar el flujo horizontal. Se supone que la zona de ascenso en línea recta del diagrama de deformación horizontal, en la que el aumento del esfuerzo cortante es proporcional al aumento de la deformación, es el área de deformación elástica. Más allá del límite P, el aumento del esfuerzo cortante disminuye según el aumento de las deformaciones ΔL hasta el punto más alto B del diagrama. En esta zona el material comienza a “fluir” y se adopta como zona de deformación plástica. El punto más alto B del diagrama 1 representa el esfuerzo cortante máximo max τ, y se supone que la fractura del suelo ocurre en este punto, es decir, que el punto B es el punto de ruptura. Más allá del punto B, el material está en estado líquido, la resistencia al corte disminuye y se supone que en esta zona, donde se rompe la conexión entre las partículas, solo hay resistencia al deslizamiento que se opone a la fuerza de corte horizontal. El punto G donde el diagrama 1 gira hacia la dirección horizontal se adopta como límite deslizante.
El esfuerzo cortante en el límite de falla B se llama resistencia al corte o resistencia al corte puro τf, mientras que el esfuerzo cortante en el límite elástico G se llama resistencia al deslizamiento τg.
Para un material suelto, el diagrama de desplazamiento horizontal también tiene una región elástica con límite de proporcionalidad P, pero aguas abajo hay una región plástica hasta el límite de deslizamiento G, es decir, el esfuerzo cortante máximo es igual a la resistencia límite al deslizamiento (τ=τg), más allá del cual el estado líquido del material.
Fig. 3. Diagrama de corte, a) para suelos coherentes, b) para suelos incoherentes
El diagrama de corte se obtiene cuando la presión normal σ en kp/cm2 se aplica al eje de abscisas, y la correspondiente resistencia al corte τf en kp/cm2 se aplica al eje de ordenadas, por lo que ambos valores se aplican en la misma escala (fig. 3). Dado que la resistencia al corte τf del suelo aumenta con la presión normal σ, para diferentes presiones σ1 se obtendrán los puntos A, B, C y D, que representan las correspondientes resistencias al corte.
Para obtener ciertos puntos A, B, C y D en el diagrama 3 para suelos coherentes (fig. 3a), se adopta la resistencia al deslizamiento _τ_g. Sin embargo, en el caso de suelo arcilloso, el material comienza a fluir mucho antes de que se alcance el límite de deslizamiento G, y hay una tendencia a adoptar la resistencia al corte en el límite de proporcionalidad P para determinar la cohesión c y el ángulo de fricción interna del suelo, pero como es relativamente pequeño, a menudo se adopta la resistencia al corte para la cual la deformación ΔL en el diagrama 2 es el doble de la deformación en el nivel de carga anterior en el aparato. Esta fuerza se encuentra en algún lugar entre el límite de P y B, es decir, G (fig. 2).
Al conectar los puntos A, B, C y D en el diagrama 76a se obtiene un diagrama de corte, que es una línea recta en pruebas exitosas. Extendiendo el diagrama hasta la intersección con el eje de ordenadas, para σ = 0, se obtiene con base en el patrón de Coulomb τf = c+σ tgϕ que τf = c = cohesión del suelo, mientras que la pendiente del diagrama hacia la horizontal da el ángulo de fricción interna. Extendiendo el diagrama de corte al otro lado del eje de ordenadas, se obtiene el esfuerzo debido a la cohesión pk en el eje de abscisas, cuando la magnitud de la cohesión c se expresa como el equivalente de la resistencia por fricción:
c = pk tgϕ, de donde pk = c/tgϕ
Para suelos incoherentes, como arena, el diagrama de la fig. 3b, que pasa por el origen de coordenadas, ya que para σ = 0 obtenemos τ = 0. Sin embargo, si la arena es de grano fino y está húmeda, se puede utilizar un diagrama similar al de la fig. 3a, con una cohesión menor c, que representa una cohesión aparente. En ese caso, la tensión pk en el eje de abscisas extendido al otro lado del origen de coordenadas representa la tensión capilar.
Cabe señalar que la determinación de la cohesión y fricción del suelo mediante pruebas de corte directo tiene varias desventajas, la más importante de las cuales es que la falla del suelo ocurre en una superficie de corte predeterminada y no en la superficie de menor resistencia al corte, que durante el corte de la muestra en el aparato, la superficie de corte se reduce debido al movimiento del marco superior sobre el inferior, y que las deformaciones de la muestra durante el corte solo pueden monitorearse durante un longitud corta, de modo que la resistencia al deslizamiento más allá del límite no puede controlar la fractura en una medida suficiente, especialmente en el caso de suelo blando cuando las deformaciones durante el corte son grandes, etc.
Prueba de compresión triaxial
La prueba se realiza en un aparato triaxial, que tiene diferentes construcciones, pero todas se basan en el mismo principio, que es el siguiente. La muestra inalterada en forma de rodillo se coloca verticalmente sobre el soporte y se expone a la presión lateral de la masa líquida desde todos los lados y luego a la presión vertical, que aumenta gradualmente, hasta que se produce la fractura de la muestra en la superficie de menor resistencia al corte. A partir de la resistencia al corte a la rotura se calcula la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo.
Descripción del dispositivo triaxial
Fig. 4. Aparato triaxial
El aparato triaxial (fig. 4) consta en la parte inferior de la placa base de la cámara, sobre la que apoya el soporte de muestras, y en la parte superior del pistón para la carga vertical de la muestra y la placa superior que cierra la cámara. Las dimensiones de muestra más comunes son diámetro ϕ=36 mm, altura h=2,2-2,5_ϕ_. El diámetro de la cámara es D=135mm, altura H = 180 mm. Desde el centro del soporte de muestra comienza un tubo estrecho K1 para drenar la muestra desde el fondo, que recibe agua de la muestra a través de una placa porosa y la drena fuera de la cámara hacia un tubo de vidrio vertical C1. Si la prueba se realiza sin drenar la muestra, este canal sirve para medir la presión del agua en los poros. En la base de bronce de la cámara hay un canal K2 para el suministro de masa líquida para llenar la cámara y lograr presión lateral en la cámara sobre la muestra.
A través de la placa superior de la cámara pasa la manija del pistón para cargar la muestra. La muestra en la cámara está rodeada por una membrana de goma, que se prolonga en ambos extremos y está unida al pistón y a la base mediante anillos de goma. En el centro del pistón hay un canal K3 para drenar la muestra desde la parte superior.
Los lados de la cámara están sellados herméticamente con un cilindro de plexiglás que se fija a las placas superior e inferior de la cámara mediante anillos de goma.
La cámara se coloca sobre una base sólida. La carga normal de la muestra se realiza mediante una palanca con pesas, cuya relación suele ser 1: 10. El sistema para lograr presión lateral sobre la muestra en la cámara consta de una botella con masa líquida B, que se introduce en la cámara mediante un tubo, un manómetro para medir la presión del aire y una botella con aire comprimido. Se coloca un comparador encima del pistón para cargar la muestra para medir el asentamiento de la muestra bajo carga.
La presión lateral de la masa líquida en la cámara se puede ajustar a voluntad utilizando la presión del aire en la botella B, a través de las válvulas V1 y V2. Esta presión provoca tensiones horizontales en la muestra σ2 y σ3, las cuales debido a la sección circular de la muestra se igualan σ2 = σ3.
La masa líquida puede ser agua destilada o aceite, que se prefiere para un mejor sellado, porque el agua puede pasar a través de los tornillos. Bajo la influencia de la presión del aire en la botella B, la masa líquida llena la cámara hasta la válvula V6, que luego se cierra. La carga vertical de la muestra P, que se transfiere casi sin fricción a la muestra a través del mango del pistón, dividida por el área de la sección transversal de la muestra A da la tensión vertical σ1 = P/A
Realización de prueba de compresión triaxial
Para la muestra de prueba, se procesa en un aparato separado, de modo que se obtiene un rodillo con un diámetro de 36 mm, una altura de 78 mm o 90 mm, sobre el cual se colocan piedras filtrantes desde arriba y desde abajo y se coloca una membrana de goma. Luego se coloca la muestra junto con las piedras filtrantes sobre el soporte de la cámara, se colocan los extremos y las membranas de goma sobre el soporte y el pistón de carga y se fijan con anillos de goma. Según la práctica de ciertos laboratorios, como el Prof. Skempton en Londres, el drenaje de la muestra en la cámara durante la prueba se acelera recubriendo los lados de la muestra con papel de filtro, que se coloca antes de tirar de la membrana de goma. Cuando se introduce la muestra en el aparato y se fija el cilindro de plexiglás en las placas superior e inferior, es posible realizar pruebas, que se pueden realizar de varias formas, como las siguientes:
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Pruebas sin drenaje. En estas pruebas no se permite el drenaje de la muestra durante la aplicación del ensayo lateral y vertical, mientras las válvulas V4 y V5 estén cerradas.
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Pruebas no drenadas con consolidación. Durante la aplicación de presión lateral, la muestra se drena (las válvulas V4 y V5 están abiertas), mientras que durante la aplicación de presión vertical no se permite el drenaje (V4 y V5 están cerradas).
3_) Muestras escurridas_. La muestra se drena durante toda la prueba (las válvulas V4 y V5 están abiertas), de modo que se produce una consolidación completa y no se crea agua estresada en los poros durante la aplicación de presión vertical σ1. Esta prueba lleva mucho tiempo, especialmente en suelos poco permeables, porque la carga vertical σ1 debe realizarse en un gran número de pequeñas etapas y se debe esperar la consolidación en cada etapa. Además, las pruebas mencionadas se pueden realizar con muestras saturadas y parcialmente saturadas_._
Teniendo en cuenta las posibilidades antes mencionadas, los ensayos de compresión triaxial se pueden realizar en diferentes variantes y ajustarse según el tipo de suelo en condiciones de carga.
Los dispositivos, procedimientos, unidades, valores y patrones descritos se transfieren de una fuente histórica. El texto no es un estudio geotécnico, protocolo de laboratorio, proyecto de cimentación, prueba de estabilidad de taludes ni plan de excavación. La elección del método de muestreo y ensayo, el estado del drenaje y consolidación, las aguas subterráneas, el régimen de carga, las influencias sísmicas y la seguridad de la excavación deben determinarse para el suelo y el edificio específicos, de acuerdo con la normativa vigente, con el laboratorio adecuado y el experto geotécnico autorizado.