3.3 Resistencia de los Suelos al Cortante

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
Elaborado por :
JAIME SUAREZ DIAZ
BUCARAMANGA COLOMBIA

RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
τ = c’ + (σ - µ) Tan φ´
(ECUACION ECUACION DE COULOMB)
COULOMB
COULOMB)
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

DEPENDE DE:
φ = ANGULO DE FRICCION
ROZAMIENTO = TAN φ
TAMAÑO TAMA TAMAÑO O DE LAS PARTICULAS
FORMA DE LAS PARTICULAS
DISTRIBUCION DE TAMAÑOS TAMA TAMAÑOS OS DE PARTICULAS
DENSIDAD
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

-CEMENTACION
CEMENTACION
- ADHERENCIA
C = COHESION
EN SUELOS GRANULARES C = O

COHESION APARENTE
EN SUELOS NO SATURADOS LAS TENSIONES CAPILARES
GENERAN UNA ADHERENCIA ENTRE LAS PARTICULAS
DENOMINADA: COHESION APARENTE
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

RESISTENCIA A LA FRICCIÓN
FRICCI N
N
W
S
Ø
S
N
N
Tan Ø = = Fricción
∴ S = N Tan Ø
S
W
S = Fuerza de cortante necesaria para que
se deslice
Ø
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

FRICCION + COHESION
Goma
N
C
W
Ø
S
S = C + N Tan Ø
Ø = Angulo de fricción interna
C = Cohesión
N
S
C
Ø
W
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Curva Esfuerzo - deformación
deformaci n
τ
Esfuerzo de cortante
Elaborado por :
∆ x
τ
←
τ
←
Desplazamiento horizontal ∆ x
Dúctil
(No sensitivo)
Frágil
(Sensitivo)

RESISTENCIA PICO Y RESISTENCIA RESIDUAL
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Condiciones
drenadas
Se dice que una condición condici n es drenada cuando el agua
es capaz de fluir hacia afuera o hacia adentro de la
masa de suelo cuando es sometida a una carga y no se
producen presiones de poro

Condiciones no- no drenadas
Se dice que una condición condici n es drenada cuando el agua
no es capaz de fluir hacia afuera o hacia adentro de la
masa de suelo cuando es sometida a una carga y se
producen presiones de poro

Presión Presi n de poros
En general, la presión presi n de poros consiste en la
presión presi n en el agua dentro de los poros del suelo y
se identifica con la letra uu, , el cambio de presión presi n de
poros se denomina como ∆uu,, exceso de presión presi n de
poros o deficiencia de presión presi n de poros inducidas
por las condiciones de carga.

Aumento de presión presi n de poros en el
momento de una lluvia

Cambio de presión presi n de poros por lluvias
con el tiempo

Esfuerzos totales y efectivos
Esfuerzo total = esfuerzo efectivo + presión presi n de poros

Resistencia drenada y no-drenada
no drenada
La resistencia drenada es la resistencia del suelo cuando se
carga en forma lenta y no se producen presiones de poro en
exceso debidas a la aplicación aplicaci n de la carga
La resistencia no-drenada no drenada es la resistencia del suelo cuando
se carga hasta la falla en condiciones no-drenada no drenada o sea
cuando las cargas que producen la falla se aplican sobre la
masa de suelo a una velocidad superior a la del drenaje del
suelo.

ENVOLVENTE DE FALLA Y CIRCULO DE MOHR
Punto de tangencia
Circulo de Mohr
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

RESISTENCIA
τ
Esfuerzo de cortante
c'
Uf0
Elaborado por :
Esfuerzos efectivos
(Drenados y no drenados)
σ σ σ
Esfuerzos efectivos totales ' o
φ'
Esfuerzos totales (No drenados)
S=C, φ =0

Envolvente de falla para arcillas saturadas
τ
Elaborado por :
C 2'
Esfuerzo de cortante
c'
Alta presión
de consolidación
φoc'
φoc'
Para presiones mayores a la
presión de preconsolidación la
envolvente pasa por el origen
C´=0
Baja presión
de consolidación
Esfuerzos efectivos σ '
φ' NC

Esfuerzo de cortante -psi
τ
1500
1000
500
0
Envolvente suelos granulares
0
500
Angulo de fricción secante 38.2°
para σ ´ =650 psi (4480 kPa)
Envolvente curva
1000 1500 2000 2500 3000
Esfuerzo normal efectivo σ-psi

Angulo de friccion interna-φ´
φ
Reducción del ángulo de fricción
0
∆φ
es la reducción del
angulo de friccion para
un aumento de 10 veces
σ 3´ φ0= φ´ a 1 atmosfera
Envolvente de esfuerzo efectivo
1
10
Presion de confinamiento efectiva σ'3
=
Escala
Presion atmosferica Pa logaritmica
∆
φ (Reducción de
ángulo de fricción)

τ
Esfuerzo de cortante
Envolvente para arenas gravas o
enrocados
Denso
A mayor densidad la
envolvente es mas
curva
φ' Denso
Suelto
φ' Suelto
Esfuerzo efectivo σ'

Envolvente para arcillas parcialmente
saturadas
τ
Esfuerzo de cortante
c'
Esfuerzo total
(No drenado)
Elaborado por :
Uf0
Esfuerzos totales (No drenados)
S =C, φ =0
Esfuerzos efectivos σ totales σ' o σ
Esfuerzo efectivo
(Drenado y no-
drenado)

Esfuerzo de cortante τ
15
10
Trayectoria de esfuerzos
Envolvente de esfuerzo efectivo
Resistencia
no drenada
φ'
Resistencia
drenada
Trayectoria
de esfuerzos
drenados
5
Elaborado por :
Esfuerzo
Trayectoria de
esfuerzos no
inicial
0
0 5
drenados
10 15 20 25
Esfuerzo efectivo σ'
(KPa)

Análisis An lisis a corto y a largo plazo
Análisis An lisis a corto plazo
En análisis an lisis a corto plazo se refiere a las
condiciones durante la construcción construcci n o
inmediatamente después despu s de terminada la
construcción. construcci n. Por ejemplo, si se construye un
terraplén terrapl n de material arenoso sobre una fundación fundaci n
de arcilla en un tiempo de dos meses el análisis an lisis a
corto plazo se refiere a estos dos meses.
Análisis An lisis a largo plazo
Después Despu s de un periodo prolongado de tiempo las
arcillas cargadas alcanzan una condición condici n drenada
y el análisis an lisis a largo plazo puede realizarse en
condiciones drenadas. drenadas.

Esfuerzo de cortanteτ
Falla progresiva
Rebote
Talud excavado
A B C
B
C A
Tiempo t2
Desplazamiento horizontal- ∆x
Arcilla
sobre-consolidada
Superficie de
falla potencial
Esfuerzo de cortanteτ
Esfuerzo de cortanteτ
C
B
A
Tiempo t1
Desplazamiento horizontal- ∆x
C
B
Tiempo t3
Desplazamiento horizontal- ∆x
A

u
Promedio
0
u
0
ru= u/γz
P
τ
Presión de poros
Presión debida al
nivel del agua
Tiempo
Altura del relleno
Relación de persión de
poros promedio sobre
la superficie de falla
Tiempo
Nivel del
agua
0
Factor
de
seguridad
0
Se aplica método φu=0
Altura del relleno
Esfuerzo cortante promedio
τ en el punto P
Tiempo
Variaciones con el tiempo
del esfuerzo de cortante, la
presión presi n de poros y el factor
de seguridad para un
terraplén terrapl n sobre una arcilla
saturada
Factor de seguridad contra
falla de la fundación Método (C´φ´)
Disipación de presión de poros Presión de poros de equilibrio
Tiempo
Construcción rápida

Nivel piezométrico inicial
Nivel piezométrico final
Presiñon de poros µ
Factor de seguridad F
0
Linea equipotencial
0
A=0
Nivel de agua final
Se aplica método φu=0
Nivel de agua final
A=1
A=1
A=0
Nivel de agua original
Nivel de agua final
Presión de poros al final
de excavación A=1
Presión de poros al final
de excavación A=0
Nivel de agua final
Tiempo
Factor de seguridad Método (C´φ´)
Redistribución de presión de poros Presión de de poros de equilibrio
Construcción rápida
Tiempo
Variación Variaci n con el
tiempo de la
presión presi n de poros
y del factor de
seguridad
durante y
después despu s de la
excavación excavaci n de un
talud en arcilla

ECUACION DE COULOMB PARA SUELOS PARCIALMENTE
SATURADOS
τ = c’ + (σ - µ) Tan φ’ + (µ - µa) Tan φ’

Su Su
=
Su vertical Su pra β 90°
2.0
1.0
0 0
Horizontal
β=90°
σ1f
Inclinado
β=30°
σ1f
30°
Lutita, Su=3300 kPa
Lutita, Su=125 kPa
Arcilla, Su=28kPa
Lodo, Su=19kPa
β=Angulo del eje de la muestra triaxial
con la horizontal en el terreno
Vertical
β=90°
0
30 60 90
σ1f
2.0
1.0
3A-14

Resistencia la compresión (σ1 σ3)f -psi
800
600
400
200
0
Fatiga (creep)
1 hora 1 día 1 Semana
0 50 100 500 1000 5000 10000
Tiempo de falla en minutos
40
30
20
10
0
Resistencia la compresión (σ1 σ3)f -KN/m²
100
80
60
40
20
0
Porcentaje de la resistencia a corto plazo

ENSAYOS DE RESISTENCIA
El objetivo es obtener: obtener
Envolvente de falla efectiva (c'' and φ'' )
Resistencia al cortante
tan φ''
cortante ςmax max =
Resistencia total o no drenada
Su o c u
Su u / σvo vo'' = 0.5 sen φ'' OCR 0.5
= c'' + σN'' ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

TIPOS DE ENSAYO
Compresión Compresi inconfinada o simple
Compresión Compresi triaxial
Corte directo
Columna resonante
Veleta miniatura
C B R
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE COMPRESIÓN COMPRESI N INCONFINADA
ESFUERZO AXIAL
ESFUERZO AXIAL
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Inconfinada (U)
Conf. es cero
Carga de falla
Plano de falla de
menor resistencia
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

RESISTENCIA A LA COMPRESION INCONFINADA
Axial Stress, σ a (kPa)
120
100
80
60
40
20
0
Unconfined Compression
0 1 2 3 4 5 6
Axial Strain, ε a (%)
qu = 102 kPa = 2 cu
Resistencia al corte
no-drenado
cu = su = 51 kN/m2

ENSAYO DE COMPRESIÓN COMPRESI N INCONFINADA
Esf. De corte, τ
C
Ensayo
Esf. Normal , σ
Ø= 0
C
=
q u
2
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE COMPRESION SIMPLE
S = u = 1/2 qu
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE COMPRESIÓN COMPRESI N INCONFINADA
Ensayo rápido pido y económico
econ mico para aproximar la
resistencia de suelos cohesivos a poca
profundidad.
profundidad.
Son poco confiables para muestras obtenidas
a profundidades grandes. grandes.
Solo debe realizarse en muestras extruídas extru das
directamente del tubo y ensayados a la
totalidad de diámetro di metro original.
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL
Esf. Esf.
lateral
σ
3
Esfuerzo Axial
σ
suelo
σ
1
1
σ
3
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE COMPRESION TRIAXIAL
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Envolvente de falla
corte, τ
Esf. Esf Esf. . De corte, corte τ
C
τ
S = C + σ Tan Tan Ø
σ 3 σ 1
Esf. Esf Esf. . normal, σ
Ø
σ
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Shear Stress, τ (kPa)
600
500
400
300
200
100
0
ENVOLVENTE DE MOHR
SM/ML Residuum, Opelika NGES, Alabama
Mohr-Coulomb Parameters:
c' = 0; φ' = 34.0°
σ3f'
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Effective Normal Stress, σ N' (kPa)
tanφ' =
0.675
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

q = = (σ1' - σ3')/2 (kPa)
TRAYECTORIA DE ESFUERZOS
300
200
100
0
SM/ML Residuum, Opelika NGES, AL
Mohr-Coulomb Parameters:
q = 0.58 p'
r 2 = 0.93
n = 22
c' = 0; φ' = 35.3°
0 100 200 300 400
p' = (σ1' + σ3')/2 (kPa)
sinφ'
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

TIPOS DE ENSAYO TRIAXIAL
No consolidado – No
drenado (UU)
Consolidado – No drenado
(CU)
Consolidado – drenado (
CD)
Consolidado – No drenado
con medición medici de presión presi de
poros (CU o CU’) CU
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO TRIAXIAL
CONSOLIDADO DRENADO C D
La muestra es consolidada
La carga se aplica permitiéndole
permiti ndole a la muestra
drenar
Aplicable para evaluar resistencia a largo plazo
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

TRIAXIAL CONSOLIDADO - DRENADO
- ES LENTO
- FACIL DE HACER
- ES EL MAS UTILIZADO
- LA VELOCIDAD DE ENSAYO NO DEBE
PERMITIR PRESIONES DE PORO
SUPERIORES AL 50% DE LA PRESION
DE CONFINAMIENTO

ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO DRENADO
C D
Se gasta mucho tiempo para encontrar la
resistencia a esfuerzos efectivos para un rango de
presiones de consolidación.
consolidaci .
Se requiere ensayar varias muestras. muestras
Los resultados son útiles tiles para estabilidad de
taludes en cortes. cortes
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO
NO-DRENADO
NO DRENADO C U
A la muestra se le permite drenar al colocarle la
carga de consolidación consolidaci . Se impide el drenaje para
colocarle la carga axial.
CU con/ presión presi de poros (CU)
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

TRIAXIAL CONSOLIDADO- CONSOLIDADO
CONSOLIDADO- NO DRENADO C U
EJEMPLO: - COLOCACION RAPIDA DE UN TERRAPLEN
- DESEMBALSE RAPIDO DE UNA PRESA

ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO
NO-DRENADO
NO DRENADO C U
Ensayo rápido pido con varias muestras para
determinar la resistencia al corte para un
rango de presiones de consolidación.
consolidaci .
Si se miden las presiones de poro se pueden
determinar los parámetros
par metros de presión presi
efectiva. efectiva
Los resultados son útiles tiles para problemas de
construcción construcci por estapas. estapas.
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYOS TRIAXIALES NO-CONSOLIDADOS
NO CONSOLIDADOS
NO-DRENADOS
NO DRENADOS U U
No se permite el drenaje de las muestras durante la
totalidad de los mensayos.
mensayos.
Los resultados dependen del grado de saturación saturaci (S)
Si S = 100% φ = 0
Este ensayo no produce resultados confiables para
suelos granulares saturados.
saturados.

ENSAYOS TRIAXIALES NO-CONSOLIDADOS
NO CONSOLIDADOS
NO-DRENADOS
NO DRENADOS U U
Rápidos pidos y relativamente económicos
econ micos. .
La confiabilidad depende de que la muestra
retenga las propiedades “In In-situ situ” .
Los ensayos deben realizarse solamente en
muestras extruídas extru das directamente del tubo y
ensayados a la totalidad del diámetro di metro. .
Utilizados para problemas de estabilidad de
terraplenes.
terraplenes
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

TRIAXIAL NO CONSOLIDADO NO DRENADO
(ENSAYO RAPIDO)
U U
CARGA COLOCADA MUY RAPIDAMENTE SOBRE UNA ARCILLA
NO SATURADA

φ MAYORES CONSOLIDADO DRENADO C D
φ MENORES NO CONSOLIDADO NO DRENADO U U
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

SELECCION DE LA PRESION DE
CONFINAMIENTO
Debe simular las presiones reales in-situ in situ
Generalmente tres presiones de
confinamiento
Presi Presión original (σ’ ( vo )
Máxima xima presión presi vertical futura esperada
Una Una presión presi intermedia
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Ensayo ciclíco
Esfuerzo desviador KPa
Ensayo ciclíco
Esfuerzo axial %
60
40
20
0
-20
-40
-60
10
5
0
-5
0 10 20 30
Tiempo - Segundos
-10
0 10 20 30
Tiempo - Segundos
Ensayo triaxial cíclico
Ensayo ciclíco
Confinamiento efectivo KPa
Esfuerzo desviador σ1− σ KPa
en la segunda parte del ensayo
80
60
40
20
0
100
80
60
40
0 10 20
Tiempo - Segundos
30
20
0
0 5 10 15 20 25
Deformación Axial
(Relativa a la posición antes de los ciclos) %

Esf. Esf.
corte
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Esf. normal, σ
Muestra
Plano corte
Esf.
Corte

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

corte τ
Esf. Esf Esf. . De corte τ
Esfuerzo pico
Esfuerzo último
ltimo
Deformación Deformaci horizontal
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
corte, τ
Esfuerzo de corte, corte τ
C
Esfuerzo normal normal, σ
normal, σ
Ø

RESULTADOS DEL ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Shear Stress, τ (kPa)
140
120
100
80
60
40
20
Direct Shear Tests on Triassic Clay, Raleigh, NC
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Displacement, δ (mm)
σ n'
(kPa)=
214.5
135.0
74.7
Shear Stress, τ (kPa)
140
120
100
80
60
40
20
0
Direct Shear Tests on Triassic Clay, Raleigh, NC
0 50 100 150 200 250
Effective Normal Stress, σ n' (kPa)
0.488 = tanφ'
Strength Parameters:
c' = 0; φ' = 26.0 o

ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Utilizado en suelos granulares para obtener
el ángulo ngulo de fricción. fricci .
El tamaño tama de las partículas part culas está est limitado por
el tamaño tama de la caja de ensayo. ensayo
Se puede obtener el ángulo ngulo de fricción fricci
residual para valores gtrandes de “Strain Strain”
Para suelos cohesivos se requiere de equipos
especiales.
especiales
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE CORTE DIRECTO
El más antiguo y más sencillo
Se pueden realizar ensayos UU, CU, CD
Desventajas :
Superficie de falla pre-determinada
pre determinada
El área rea de falla disminuye a medida que avanza el
ensayo
El control al drenaje es limitado
La distribución distribuci de esfuerzos sobre la superficie
de falla no es uniforme
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE CORTE DIRECTO
- SIMPLE Y ECONOMICO
- NO MIDE PRESION DE
POROS
- BUENO PARA NIVELES
BAJOS DE ESFUERZOS
-SE SE OBTIENEN
RESISTENCIAS MAYORES
QUE LOS TRIAXIALES
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Corte directo en anillo

Ensayo de superficie de falla plana

Manija
Ensayo de veleta
e
h
d
Cabeza de torque
y lector
Resorte calibrado
eje
Veleta
Muestra

1 pulg
Ensayo de “torvane”

ENSAYO DE COLUMNA RESONANTE
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE C B R
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO DE C B R
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO EN CENTRIFUGA

ENSAYO EN CENTRIFUGA

FUNDAMENTO DEL ENSAYO DE CENTRIFUGA
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO EN CENTRIFUGA
ELABORACION DEL MODELO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO EN CENTRIFUGA
RECIPIENTE PARA COLOCACION DEL MODELO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ENSAYO EN CENTRIFUGA
MODELO ENSAYADO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Ensayo de Penetración Penetraci n Estándar Est ndar
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

SPT
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Numero de
penetración
penetraci n
estándar est ndar N
0 a 3
3 a 8
8 a 25
25 a 42
42 a 58
PENETRACION ESTANDAR
SUELOS GRUESOS
Densidad relativa
%
0 a 15
15 a 35
35 a 65
65 a 85
85 a 100
Estado del suelo
Muy suelto
Suelto
Medio
Denso
Muy denso

Numero de
penetración
penetraci n
estándar est ndar N
0 a 2
2 a 5
5 a 10
10 a 20
20 a 30
> 30
PENETRACION ESTANDAR
SUELOS FINOS
Consistencia
Muy blanda
Blanda
Medio firme
Firme
Muy firme
Dura
Resistencia a
compresión
compresi n kPa
0 a 25
25 a 50
50 a 100
100 a 200
200 a 400
> 400

SPT
Presion normal efectiva σ'vo
(kgf/cm²)
0
1
2
0 10 20 30 40 50 60
3
0 10 20 30
SPT (N)
40 50 60

ENSAYO DE PENETRACION DE CONO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

CPT
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

Presion normal efectiva - σ 'vo (kgf/cm²)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
CPT
0 100 200 300 400 500
φ 48°
3.5
42°
30° 32°34° 36° 38° 40°
4.0
0 100 200 300 400
Resistencia de cono qc (kgf/cm²)
500
46°
44°

PRUEBA DE PRESUROMETRO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

PRUEBA DE DILATOMETRO
ELABORÓ ELABOR : JAIME SUAREZ DIAZ

-
Quiz