Determinación da cohesión e do ángulo de rozamento interno

Información relacionada: Fiestras de madeira feitas segundo o teu proxecto. · Fiestras de madeira e aluminio feitas por encargo. · Fiestras personalizadas para casas, proxectos e exportación. · Portas de madeira e madeira-aluminio feitas por encargo. · Enviar unha solicitude de cotización.

Existen varias formas de determinar os elementos da resistencia interna do solo, a cohesión e o ángulo de rozamento interno mediante probas de laboratorio, entre as que son as máis famosas o ensaio de cizallamento directo e o ensaio de compresión triaxial.

Experiencia de corte directo

A proba realízase nun aparello de sección rectangular de tipo A. Casagrandea ou sobre un aparello circular do tipo Hvorsleva. Describiremos o experimento co dispositivo de sección rectangular, que é o máis utilizado. En ambos os casos, a proba realízase cunha mostra non perturbada, ou cunha mostra perturbada no punto de fluencia, caso en que a proba ten un valor comparativo.

Aparello para o corte directo dunha sección rectangular (fig. 1)

Fig. 1_Sección transversal do aparello de corte directo de Casagrande_

O dispositivo consta de dúas partes, o cadro superior e inferior, onde a inferior é estática, mentres que a superior é móbil e pódese mover na inferior baixo a influencia da forza horizontal Z, que actúa no plano de contacto do cadro superior e inferior.

A mostra de solo colócase nun anel rectangular de aceiro, xeralmente do tamaño 100 × 100 × 30 mm, ou esas dimensións cando se raspa con precisión. Colócanse pedras de filtro sobre a parte superior e inferior da mostra e, a continuación, colócase todo no anel do aparello, que se enche de auga. Sobre a mostra colócase un dispositivo para a carga vertical. A pedra filtrante superior está conectada ao sistema de carga vertical da mostra, mentres que a inferior está conectada a canles de auga, mediante as cales a mostra pode manterse en estado saturado durante a proba, co fin de excluír a cohesión aparente.

Para excluír a fricción nas superficies de contacto entre o cadro superior e inferior, existen dispositivos co cadro superior torcido, mediante os cales o cadro superior se move baixo o efecto da forza de cizallamento horizontal. Ademais, as superficies de contacto do cadro superior e inferior están recubertas de vaselina. No dispositivo inclúese outro comparador 2 para rexistrar deformacións verticais e horizontais.

Realización de ensaios de cizallamento directo

Hai maioritariamente2tipos de ensaio de cizallamento directo: ensaio rápido e lento. A proba rápida consiste en cargar a mostra cunha determinada presión vertical, que normalmente ascende a0,50;1,0;2,0;3,0e4,0kp/cm2, agardar á consolidación, que se supón que se conseguiu se o afundimento durante o tempo de24horas Δh ≤0,02 mm, e despois aplícase unha forza cortante horizontal Z, de magnitude1/20ou1/40parte da forza vertical P, que aumenta cada minuto no mesmo valor ata romper o chan. Durante a aplicación da forza de cizallamento horizontal, o curso do movemento do cadro superior monitorízase constantemente mediante a lectura no comparador e as deformacións horizontais rexístranse no rexistro inmediatamente antes de cada nova carga. O momento, no que o comparador mostra un movemento brusco, é adoptado como innovador.

A proba rápida aplícase a solos arxilosos, cuxa consolidación natural baixo unha nova carga é lenta e corresponde a este método de realización da proba.

Slow realízase de xeito similar ao anterior coa única diferenza de que a forza cortante horizontal aumenta nun intervalo de tempo máis longo, que pode ser de 2, 5 e 15 mminutos ou ata a consolidación, é dicir, ata que as deformacións horizontais sexan completamente insignificantes. O curso da consolidación baixo o efecto da forza horizontal monitorízase no comparador 9 (fig. 1).

O ensaio lento aplícase a solos areosos ou poeirentos, onde no caso dun aumento da forza cortante horizontal nun intervalo de tempo curto, o cizallamento da mostra no aparello aceleraríase debido ao efecto da auga estresada nos poros, que non correspondería a un proceso natural. Polo tanto, o intervalo de tempo aumenta coa finura das partículas do solo non unidas, para permitir a igualación da presión da auga nos poros do solo coa presión da auga externa. Esta compensación conséguese deixando tempo suficiente baixo o efecto de cada nivel de carga horizontal, de xeito que o exceso de auga dos poros se espreme a través da pedra filtrante.

Ademais dos ensaios mencionados, en certos casos realízase un ensaio rápido sen consolidación baixo carga vertical, é dicir, a forza cortante horizontal aplícase inmediatamente despois de introducir a mostra no aparello e cargala cunha carga vertical. Non obstante, este método de execución aplícase en condicións especiais, como o caso dun terraplén recén instalado feito de terra arxilosa, que se carga inmediatamente despois do terraplén sen compactación previa.

Determinación do ángulo de rozamento interno e cohesión

Con base nos resultados da proba, calcúlase o esforzo cortante

τ=Z/A en kp/cm², ​

que se obtén a partir da forza cortante Z en kp no momento da falla e da área da sección transversal da mostra A en cm². A proba realízase con aparellos 3 a 4 cargados con diferentes presións normais σ=P/A en kp/cm² onde P é a carga vertical da mostra en kp. Adoitan tomarse os seguintes valores de presións normais: 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 kp/cm².

Fig. 2. Diagrama de deformacións horizontais

A partir do diagrama de elementos de rozamento interno obtéñense dous tipos de diagramas 1 e un diagrama de deformacións horizontais (fig. 2).

O diagrama de deformacións horizontais obtense aplicando o desprazamento horizontal ΔL en mm do cadro superior do dispositivo ao inferior no eixe de abscisas, que se obtén coa lectura do comparador 9, e no eixe de ordenadas o esforzo cortante correspondente τ en kp/cm² (fig. 2).

En función da compactación do solo, obtense o diagrama 1 para compactado e o diagrama 2 para o material solto.

Para un material compactado, o esforzo cortante τ aumenta nun primeiro momento bastante bruscamente en relación co desprazamento horizontal ΔL ata o límite de proporcionalidade P, despois máis lentamente, mentres que a curva do diagrama1aumenta e alcanza a altura máxima B, despois de que o diagrama diminúe durante unha determinada lonxitude, para finalmente alcanzar un caudal horizontal. Suponse que a zona de ascenso en liña recta do diagrama de deformación horizontal, na que o aumento da tensión cortante é proporcional ao aumento da deformación, é a área de deformación elástica. Máis aló do límite P, o aumento da tensión cortante diminúe segundo o aumento das deformacións ΔL ata o punto máis alto B do diagrama. Nesta zona, o material comeza a “fluír” e adóptase como área de deformación plástica. O punto máis alto do diagrama B1representa o esforzo cortante máximo max τ, e suponse que a fractura do solo ocorre neste punto, é dicir, ese punto B é o punto de rotura. Máis aló do punto B, o material está en estado líquido, a resistencia ao cizallamento diminúe e suponse que nesta zona, onde se rompe a conexión entre as partículas, só hai unha resistencia ao deslizamento que se opón á forza cortante horizontal. Punto G onde está o diagrama1pasa en sentido horizontal como límite de deslizamento.

O esforzo cortante no límite de rotura B chámase resistencia ao cortante ou resistencia ao corte puro τf, mentres que o esforzo cortante no límite de fluencia G chámase resistencia ao escorregamento τg.

Para o material solto, o diagrama de desprazamento horizontal tamén ten unha rexión elástica co límite de proporcionalidade P, pero augas abaixo hai unha rexión plástica ata o límite de deslizamento G, é dicir, o esforzo cortante máximo é igual á resistencia límite, escorregamento (τ=τg), máis aló da cal o estado líquido do material.

Sl.3. Diagrama de corte, a) para solos coherentes, b) para solos incoherentes

O diagrama de cizalla obtense cando se aplica ao eixe das abscisas a presión normal σ en kp/cm2, e no eixe de ordenadas a correspondente resistencia ao corte τf en kp/cm2, onde ambos os dous valores se aplican na mesma escala (Fig.3). Dado que a resistencia ao corte τf do solo aumenta coa presión normal σ, para diferentes presións σ1 obter os puntos A, B, C e D, que representan as correspondentes resistencias ao cortante.

Para obter os puntos individuais A, B, C e D do diagrama3para solos coherentes (fig.3a), adóptase a forza de deslizamento _τ_g. Non obstante, no caso do solo arxiloso, o material comeza a fluír moito antes de que se alcance o límite de deslizamento G, e hai unha tendencia a adoptar a resistencia ao corte no límite da proporcionalidade P para determinar a cohesión c e o ángulo de rozamento interno do solo, pero como é relativamente pequeno, a resistencia ao corte para a cal a deformación _ΔL adoita adoptarse no diagrama ΔL.2dúas veces maior que a deformación na fase anterior de carga no aparello. Esta forza está nalgún lugar entre o límite de P e B, é dicir, G (fig.2).

Conexión dos puntos A, B, C e D no diagrama 76a dá un diagrama de corte, que é unha liña recta en probas exitosas. Ao estender o diagrama ata a intersección co eixe de ordenadas, para σ = 0, obtense a partir do patrón de Coulomb τf = c+σ tgϕ que τf = c = cohesión do solo, mentres que a inclinación do diagrama cara á horizontal dá o ángulo de rozamento interno. Ao estender o diagrama de cizalla ao outro lado do eixe de ordenadas, a tensión debida á cohesión pk obtense no eixe de abscisas, cando a magnitude da cohesión c se expresa como o equivalente á resistencia de rozamento:

c = pk tgϕ, de onde pk = c/tgϕ

Para solos incoherentes, como area, o diagrama da fig. 3b, que pasa pola orixe de coordenadas, xa que para σ = 0 obtemos τ = 0. Non obstante, se a area é de gran fino e mollada, un esquema similar ao da fig. 3a, cunha cohesión c menor, que representa a cohesión aparente. Nese caso, a tensión pk no eixe de abscisas estendido do outro lado da orixe das coordenadas representa a tensión capilar.

Hai que ter en conta que a determinación da cohesión e da fricción do solo mediante probas de cizallamento directo ten varias desvantaxes, a máis importante delas é que o fallo do chan ocorre nunha superficie de cizallamento predeterminada e non na superficie de menor resistencia ó cizallamento, que durante o cizallamento da mostra no aparello, o movemento de cizallamento do cadro redúcese unha das deformacións inferiores. a mostra durante o corte só se pode controlar nunha curta lonxitude, de xeito que a resistencia ao deslizamento máis aló do límite non pode controlar a fractura en medida suficiente, especialmente no caso de solo brando cando as deformacións durante o corte son grandes, etc.

Proba de compresión triaxial

O ensaio realízase nun aparello triaxial, que ten diferentes construcións, pero todos eles están baseados no mesmo principio, que é o seguinte. A mostra non perturbada en forma de rolo colócase verticalmente sobre o soporte e exponse á presión lateral da masa líquida de todos os lados e despois á presión vertical, que aumenta gradualmente, ata que se produce a fractura da mostra na superficie de menor resistencia ao corte. En base á resistencia ao corte á rotura, calcúlase a cohesión e o ángulo de rozamento interno do solo.

Descrición do dispositivo triaxial

Fig. 4. Aparello triaxial

O aparello triaxial (fig. 4) consiste na parte inferior da placa base da cámara, sobre a que se apoia o soporte da mostra, e na parte superior do pistón para a carga vertical da mostra e a placa superior que pecha a cámara. As dimensións da mostra máis comúns son o diámetro ϕ=36 mm, a altura h=2,2-2,5_ϕ_. O diámetro da cámara é D=135mm, altura H = 180 mm. Un tubo estreito K1 para drenar a mostra desde o fondo parte do centro do soporte de mostra, que recibe a auga da mostra a través dunha placa porosa e drena fóra da cámara nun tubo de vidro vertical C1. Se a proba se realiza sen drenar a mostra, esta canle serve para medir a presión da auga nos poros. Na base de bronce da cámara hai unha canle K2 para a subministración de masa líquida co fin de encher a cámara e conseguir presión lateral na cámara sobre a mostra.

Pola placa superior da cámara pasa o asa do pistón para cargar a mostra. A mostra na cámara está rodeada por unha membrana de goma, que se estende nos dous extremos e está conectada ao pistón e á base por medio de aneis de goma. No medio do pistón hai unha canle K3 para drenar a mostra pola parte superior.

Os lados da cámara están pechados hermeticamente cun cilindro de plexiglás que se fixa ás placas superior e inferior da cámara mediante aneis de goma.

A cámara colócase sobre unha base sólida. A carga normal da mostra realízase mediante unha panca con pesos, cuxa proporción é máis frecuentemente 1: 10. O sistema para conseguir presión lateral sobre a mostra na cámara consiste nunha botella con masa líquida B, que se introduce na cámara mediante un tubo, un manómetro para medir a presión do aire e unha botella con aire comprimido. Colócase un comparador encima do pistón para cargar a mostra para medir o asentamento da mostra baixo carga.

A presión lateral da masa líquida na cámara pódese axustar a vontade mediante a presión do aire na botella B, a través das válvulas V1 e V2. Esta presión provoca tensións horizontais na mostra σ2 e σ3, que debido á sección circular da mostra están igualadas σ2 = σ3.

A masa líquida pode ser auga destilada ou aceite, o que se prefire para un mellor selado, porque a auga pode pasar polos parafusos. Baixo a influencia da presión do aire na botella B, a masa líquida enche a cámara ata a válvula V6, que despois se pecha. A carga vertical da mostra P, que se transfire case sen rozamento á mostra a través do mango do pistón, dividida pola área da sección transversal da mostra A dá a tensión vertical σ1 = P/A

Realización da proba de compresión triaxial

Para a mostra de ensaio, trátase nun aparello separado, de xeito que se obtén un rolo cun diámetro de 36 mm, unha altura de 78 mm ou 90 mm, sobre o que se colocan pedras filtrantes dende arriba e abaixo e se coloca unha membrana de goma. Despois colócase a mostra xunto coas pedras filtrantes no soporte da cámara, os extremos, as membranas de goma son tiradas sobre o soporte e o pistón de carga e fíxanse con aneis de goma. Segundo a práctica de certos laboratorios, como o profesor Skempton en Londres, o drenaxe da mostra na cámara durante a proba é acelerado forrando os lados da mostra con papel de filtro, que se coloca antes de tirar da membrana de goma. Cando a mostra se introduce no aparello e o cilindro de plexiglás está fixado nas placas superior e inferior, é posible realizar probas, que se poden realizar de varias maneiras, como as seguintes:

1. Ensaios sen drenar. Nestes ensaios non se permite o drenaxe da mostra durante a aplicación do ensaio lateral e vertical, mentres que as válvulas V4 e V5 están pechadas.

2. Probas sen drenar con consolidación. Durante a aplicación de presión lateral, a mostra é drenada (as válvulas V4 e V5 están abertas), mentres que durante a aplicación de presión vertical non se permite a drenaxe (V4 e V5 están pechadas).

3_) Mostras escurridas_. A mostra é drenada durante toda a duración da proba (as válvulas V4 e V5 están abertas), de xeito que se produce unha consolidación completa e non se crea auga estresada nos poros durante a aplicación da presión vertical σ1. Esta proba leva moito tempo, especialmente con solos pouco permeables, porque a carga vertical σ1 debe realizarse nun gran número de pequenas etapas e hai que esperar a consolidación en cada etapa. Ademais, as citadas probas pódense realizar con mostras saturadas e parcialmente saturadas._

Á vista das posibilidades mencionadas, pódense realizar probas de compresión triaxial en diferentes variantes e axustadas segundo o tipo de solo en condicións de carga.

Os dispositivos, procedementos, unidades, valores e patróns descritos transfírense dunha fonte histórica. O texto non é un estudo xeotécnico, protocolo de laboratorio, proxecto de cimentación, proba de estabilidade de pendente ou plano de escavación. A elección da mostra e do método de ensaio, o estado de drenaxe e consolidación, as augas subterráneas, o réxime de cargas, as influencias sísmicas e a seguridade de escavación deberán determinarse para o solo e edificación específicos, segundo a normativa vixente, co laboratorio correspondente e o xeotécnico autorizado.