Download Geotecnia 1 - Parte VI

GEOTECNIA I
Año Académico 2016-2017
Dr. Lorenzo Borselli
Instituto de Geología
Fac. De Ingeniería, UASLP
[email protected]
www.lorenzo-borselli.eu
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
Geotecnia I (2016/2017) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli
Parte VI
resistencia al corte de los
Geomateriales
Objetivo: fundamentos de la teoría de la resistencia al
corte de geomateriales naturales y artificiales. Las pruebas
de laboratorio y sus interpretación. Ámbito de aplicación :
diseño de cimentaciones, estabilidad de taludes y
estructuras de contención
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Resistencia al corte de geomateriales
Las resistencia al corte de los
geomateriales se puede definir
como la resistencia hasta ruptura
que se desarrolla en superficies o
planos interno al material ..
Suelos
Rocas
Rocas
Macizo rocosos
Esta resistencia depende da una
Muchísimos de factores geológicos ,
estructural , físicos e químicos
Macizo
rocoso
suelos
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Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas
Esfuerzo cortante
y resistencia al corte
(shear strength)
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Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas
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Resistencia al corte y
su significado físico
Cuando el
esfuerzo cortante
supera el limite
de resistencia
cortante las
partículas se
mueven la una
respecto a la
otras secundo un
a superficie de
mínima
resistencia
Resistencia
friccional
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Fricción y ángulo de fricción f
Es equivalente a el ángulo que
la resultante R tiene con la
dirección de la fuerza normal
Aplicada.
En términos de presión el
valor limite de resistencia al
deslizamiento está relacionado
en modo linear al producto
de a la tangente de f por el
esfuerzo normal aplicado
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Principio de fricción en el deslizamiento de un cuerpo arriba de un plano inclinado
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De Vallejo et al. (2002)
Desarrollo de fuerza tangenciales y
normales al punto de contacto de
partículas del suelo
Suelo granular cementado y potencial
superficie de ruptura entre los gránulos
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Resistencia cohesiva
t
sn=0
Resistencia
al corte
t  c  s n tan f
Ecuación de Coulomb
A la resistencia friccional se junta una componente que se manifiesta
in manera directa cuando valores de presión normal son cerca de cero
En este caso , con esfuerzo normal =0, toda la resistencia tangencial es sostenida da
esta “COHESION “
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De Vallejo et al. (2002)
Resistencia al corte
en términos de stress
eficaz
t  c's 'n tan f '
Ecuación de Coulomb
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t  c's 'n tan f '
Suelos gruesos no -cohesivos
Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz
c'  0
s 'n  t  0
lim 0
Hay resistencia la corte cerca de cero en condiciones de estrés eficaz normal
cerca de cero . Esto por suelos gruesos no -cohesivos .
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t  c's 'n tan f '
Suelos finos cohesivos .
Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz
c'  0
s 'n  t  c '
lim 0
Tal vez Hay resistencia al corte >0 también en condiciones de
estrés eficaz normal cerca de cero . Esto por suelos finos
cohesivos .
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Resistencia cohesiva
La resistencia cohesiva ésta
relacionada a la presencia de
Varios tipos de enlace físico y
químico entre las partículas
solidas de suelos y rocas
La cohesión ésta
macroscópicamente
relacionada con la plasticidad y
la capacitad de remodelar una
muestra de suelo
Limo
Arcilla
Limo
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arcilla
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Resistencia al corte en suelos
Suelos fino y arcillosos:
Efecto minerales arcillosos y
contenido de agua
Suelos gruesos y Angulo de
fricción Dependiendo del
índice de vacíos e. Estos
suelos (casi) no tienen
cohesión
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Direct shear box
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Direct shear cell
Para rocas en sitio
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s n3
Pruebas de corte directo ( direct shear box )
s n2
s n1
t
t
s n1
t
s n2
s n1  s n2  s n3
t
s n3
Diferentes Pruebas (3 o mas) de corte directo con presión normal creciente,
registrando la deformación tangencial hasta ruptura y mas allá ..
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s n3
s n2
s n1
fp
fr
Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo
(direct shear box). Con Las parejas de puntos ( , s n ) que corresponden a las
condiciones de stress de pico a ruptura y residuales se hace un grafico y que se usa
Previa una interpolación linear de estos puntos la determinación del ángulo de f
ricion interna de pico f p y residual f r , y se a caso de la intercepta de Cohesión C
t
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Mohr-Culoumb
criterio de ruptura
Curva general de la
condiciones al borde
de ruptura
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Mohr-Culoumb
criterio de ruptura
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Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box )
Tipos de curvas y Materiales:
Coesivos (a) , no cohesivos (b),
Rocas y suelos (c),
Ruptura con Deformación frágil
y dúctil (d) ,
Angulo de fricción de pico y
residual (e).
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Angulo de fricción
interna y cohesión de
suelos y rocas
Suelos gruesos
Rocas fracturadas
Arcillas, suelos finos
Rocas
muestras
intactas
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…..Otra tabla por geomateriales no cohesivos (suelos gruesos)
N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos > 30 grados
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Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación ,
textura y densidad en un suelo grueso
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Valores de ángulo de fricción en función de la densidad(seca) y densidad relativa
en suelos gruesos
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…… Otra tabla por suelos cohesivos
N.B.: la mayoría de lo s
materiales tiene ángulos
< 30 grados
Valores de ángulo de fricción
y cohesión dependiendo de
cantidad de gruesos en
suelos finos
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Valores de ángulo de fricción(de pico y residual en función de el
índice de plasticidad del suelo por suelos de origen sedimentaria
(la mayoría de los casos) y suelos con contenido de coloides
(minerales arcillosos) en condiciones amorfa (no cristalina) (allofhanic soils)
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Superficie de ruptura en le suelo debida a shear stress (microscopio electrónico )
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Resistencia al corte
en rocas y macizos rocos
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Compression
Traccion
Corte
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Resistencia al corte en
discontinuidad
Efecto microscópico
i = angulo de
dilatancia
Rugosidad de las
superficies de
discontinuidad
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Resistencia al corte en
discontinuidad
Efecto microscópico
i = angulo de
dilatancia
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Criterio de Barton (1985) y Patton (1966)
para resistencia al corte en discontinuidad
Tabla de JCR
JRC = coeficiente adimensional de rugosidad )
JCS = resistencia compresión uniaxial en
la superficie de la discontinuidad ( Mpa)
sn= presión normal a la superficie de
discontinuidad
fb
= ángulo de fricción basal (o residual)
Barton (1985)
Patton (1966)
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Criterio de Barton (1985) y Patton
1966 para resistencia al corte en
discontinuidad.
Valuación de JRC por medición de
rugosidad
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Tilt test y fórmula para calcular el ángulo de fricción basal
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Ángulos de fricción basal de diferentes tipos de rocas
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Clasificación
aberturas
discontinuidades /fracturas
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Curvas de deformación rupturas per rocas intactas y en rocas con discontinuidades
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ROCAS
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Resistencia al corte de material de
rellenos de discontinuidades en rocas
Fill (relleno de
discontinuidad )
roptura
Roca intacta
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Resistencia al corte de macizos rocosos
Macizo rocoso: Conjunto roca intacta y
discontinuidad
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La resistencia al corte de un
macizo rocosos está relacionada
Al tipo de rocas, dimensión de
los elementos intactos, densidad
y características de las rocas de
fracturas, nivel de intemperismo
de las rocas, presión del agua y
circulación.
Clasificación macizo rocoso
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Parámetros geomecanicos
E y f y c’
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Modelo de clasificaciones tratados en la parte II:
• RMR (rock mass rating, Beniawski (1989) - parte II (pag 33-44)
• GSI (geological strenght index , Hoek 1994, 2002, 2006) – (pag 46-57)
RMR
RMR= suma de puntuación de 5 factores
Parámetros base la clasificación:
• Resistencia a compresión simple de la roca
intacta
• RQD
• Espaciamiento de discontinuidades
• Condición de las discontinuidades
• Condiciones de agua subterránea
• Orientación de discontinuidades
Revisar en la parte II
como obtener el
índice RMR
La suma de estos factores es entre 0 y 100
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Correlación
El RMR está correlacionado empíricamente con
el módulo de Young del macizo rocoso roca:
E = 2 * RMR − 100GPa (para RMR>50)
E = 10(RMR − 10) / 40
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f
c’
Parámetros de resistencia al corte da clasificación RMR de un macizo rocoso
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Clasificación GSI (Hoek, 1994; Hoek et al. 1995;Hoek et al. 2002)
El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades
geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones
geológicas de campo.
Las observaciones se basan en la apariencia del macizo a
nivel de estructura y a nivel de condición de la superficies
de la discontinuidades.
A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de
alteración que sufren las rocas, discontinuidad que existe
entre ellas.
Por las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si
ésta esta alterada, si ha sufrido erosión o que tipo de textura
presenta, y el tipo de alteración existente
Revisar en la
parte II
como
obtener el
índice GSI
Roclab 1.0 viejo ma excelente freware software da:
http://download.rocscience.com
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(ahora ya no esta disponible freeware)
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Roclab 1.0 software freeware de Rocscience inc. : estuvo libre
hasta el 2014 … pero ahora no. Pero hay una solucion alternativa..
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ORMAS 1.0 una solucion alternativa..
http://www.roozbehgm.com/codes/ormas/ormas.html
De hecho es equivalnete a la funcionalitades de ROCLAB 1.0 pero es
on-line y de uso libre..
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Paso 1 - evaluar la estructura de
un macizo rocoso
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Paso 2 - indicar la resistencia a la
Compresión uniaxial de
la roca intacta
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Paso 3 - indicar el tipo
litologico
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Paso 4 - indicar el factor
de disturbo
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Parametros
macizo rocoso
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Valore finales
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Parámetros mecánicos desde RMR y GSI
Diferencias fundamentales :
1) RMR permite de evaluar parámetros aproximados y estáticos
2) GSI permite de evaluar parámetros dinámicos, ósea que dependen da el
Estado tensional de cada especifico lugar (ejemplo en superficie o en
profundidad ) de un macizo rocoso .
3) En este sentido GSI permite de asociar a casa punto un particular modelo
non linear de círculos de Mohr
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Comparación valores
tabla beniawski (RMR) y
datos experimentales
De resistencia al corte
En macizo rocos
non saturados
y saturados
Se observa que los
valore según la tabla
Beniawski (RMR) sobra
estiman de mucho
El ángulo de ficción y
la cohesión.
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Estima rápida de valores de Angulo de fricción interna y de cohesión de
macizo rocoso con modelo GSI
Nota: el coeficiente mi depende del tipo litológico (se vean los apuntes en parte II)
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Fracción
ee Resistencia
compresión
uniaxial macizo
rocoso y de la
roca
Intacta..
s cm
sc
Dependiendo
del tipo de
clasificación
de macizo
Rocoso
(Hoek 2004)
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Ejemplo Clasificación GSI
Unidad 1: estratos y bloques
angulares con muchas familias
de discontinuidades. Medio
Nivel de alteración de la
superficies.
GSI =45-35
Unidad 1
Unidad 2
Unidad 2: estructura con
alto nivel de disturbo y muy
poca interconexión entre
bloques, que se encuentran
muy fragmentados y alterados
GSI =20-10
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Resistencia al corte: pruebas de laboratorio
1. Prueba corte directo
2. Prueba triaxial
3. Prueba compresión uniaxial
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Direct shear box
O prueba de corte
directo
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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s n3
Pruebas de corte directo ( direct shear box )
s n2
s n1
t
t
s n1
t
s n2
s n1  s n2  s n3
t
s n3
Diferentes Pruebas (3 o mas) de corte directo con presión normal creciente,
registrando la deformación tangencial hasta ruptura y mas allá ..
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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s n3
s n2
s n1
fp
fr
Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo
(direct shear box). Con Las parejas de puntos ( , s n ) que corresponden a las
condiciones de stress de pico a ruptura y residuales se hace un grafico y que se usa
Previa una interpolación linear de estos puntos la determinación del ángulo de f
ricion interna de pico f p y residual f r , y se a caso de la intercepta de Cohesión C
t
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Corte directo
Condiciones básica de prueba :
Suelos gruesos o granulares
La densidad relativa del suelo
grueso afecta el grafico en
el plano tau-épsilon
(deformación horizontal )
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box )
Tipos de curvas y Materiales:
Coesivos (a) , no cohesivos (b),
Rocas y suelos (c),
Ruptura con Deformación frágil
y dúctil (d) ,
Angulo de fricción de pico y
residual (e).
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
Geotecnia I (2016/2017) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli
Suelos grueso (no cohesivo)
Construcción de curvas de ruptura con direct shear box
Suelo finos
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación ,
textura y densidad en suelos gruesos
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
Geotecnia I (2016/2017) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli
Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad
de gruesos en suelos finos cohesivos
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Prueba triaxial
Equipo de prueba
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Stress principales
Stress deviatorico
También se pude medir siempre , y en cada momento
la presión de poros
u
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adentro el ensayo
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Ensayos con su deformación final al termine de la prueba
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Condicione s de Prueba Triaxial
Hay tres tipos principales de test
1) CD test (consolidado drenado)
Fase A: se incrementa
la presión vertical y lateral
incrementando la presión
de poros sin drenaje
Fase B) se aplica uno stress
deviatorico y se
permite el drenaje y la
consolidacion
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CD test suelos árenos
y arcilla normal
consolidada
CD test arcilla
sobra consolidada
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2) CU test (consolidado no drenado)
Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral
incrementando la presión de poros con drenaje
permitiendo la consolidacion
Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta
ruptura
En cada momento esta posible
Conocer el stress totale y el stress eficaz
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3) UU test (no consolidado -no drenado)
Fase A: se incrementa la presión vertical y lateral
incrementando la presión de poros sin drenaje
Entonces non permitiendo la consolidacion
Fase B) se aplica uno stress deviatorico y sin permitir el drenaje hasta
ruptura
Análisis en stress totales
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Construcion de graficos en prova triaxial
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Video acerca de la Prova Triaxial CD:
https://www.youtube.com/watch?v=ogLO2Ac7Oig
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Prueba de compresión
uniaxial no confinada
(arcillas saturadas )
Nota bien: no hay presión de
confinamiento lateral
Sigma3 =0
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Pruebas
en sitio
pruebas en sitio para medición o estima
de resistencia al corte
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Prueba VST
(Vane shear test)
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Pruebas en sitio
Versión 1.7 Last update 29-09-2016
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Vane test
Insertado en suelos finos y
Arcillosos. Y la resistencia la corte
en condiciones de no drenaje se
Calcula con:
6 T
cu 
3
7d
T es el torque
(momento de la fuerza ) que se
aplica para iniciar el movimiento
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Cone penetration test CPT-CPTU (ASTM D-5778)
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Cone penetration test
CPT-CPTU
CPTU con punta electrica
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Cone penetration test
CPT-CPTU
(ASTM D-5778)
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CPTU punta eléctrica
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Animacion prueba CPTU
http://geosystems.ce.gatech.edu/Faculty/May
ne/Research/misc/CPTu%20Animation.pps
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CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final )
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CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final)
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CPTU punta eléctrica
Clasificación de tipo de suelos con dato de prueba en sitio CPTU
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CPT derivación parámetros de
Resistencia al corte en caso de
suelos gruesos y no cohesivos
En el ejemplo se estiman
phi=34 grados
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Suelos NO Cohesivos
Suelos Cohesivos
CPT derivación parámetros de
Resistencia al corte por suelos (no cohesivos y cohesivos )
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Standard penetration test - SPT
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Standard penetration test - SPT
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Standard penetration test - SPT
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Mostrador y punta de prueba SPT
Standard
penetration test – SPT
Recuperación y
inspección muestra
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Correlaciones SPT y parámetros
de resistencia al corte por suelos
gruesos
Standard penetration test
(SPT)
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Standard penetration test - SPT
Correlaciones SPT y parámetros
de resistencia al corte por suelos
Arenosos medio fino
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Standard penetration test - SPT
Correlaciones SPT y parámetros
de resistencia al corte por suelos
Arenosos gruesos
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Standard penetration test - SPT
Correlaciones SPT y parámetros
de resistencia al corte por suelos
Cohesivos arcillosos
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Standard penetration test
SPT
Correlaciones SPT y
parámetros
de resistencia al corte por
suelos
Cohesivos arcillosos y
limosos arcillosos
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Comparación pruebas en sitio
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Comparación pruebas en sitio
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Rocas-pruebas en sitio
Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)
Schmidt’s Hammer para medición de la
resistencia a la compresión uniaxial de
rocas y concreto: aplicación en rocas.
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Rocas pruebas en sitio
Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)
Schmidt’s Hammer detaille equipo
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Rocas pruebas en sitio
Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)
Shmidt's Hammer -- UCS by N (Kihc & Teymen 2008)
UCS (MPa)
100
UCS=0.0137 N 2.2721
10
1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
N (Corrected rebound number)
Schmidt’s Hammer:
Evaluación de UCS por medio de
numero de rebotes medidos
(correlaciones experimentales..)
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Rocas pruebas en sitio
Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)
Schmidt’s Hammer:
Evaluación de
modulo de Young
Por medio de
numero de rebotes
medidos
(correlaciones
experimentales..)
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