Geotecnia 1 Parte VI

GEOTECNIA I Año Académico 2014-2015

Dr. Lorenzo BorselliInstituto de Geología

Fac. De Ingeniería, UASLP

[email protected]

Geotecnia I (2014/2015) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.5 Last update 13 -11-2014

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Parte VI resistencia al corte de los

Geomateriales

Objetivo: fundamentos de la teoría de la resistencia alcorte de geomateriales naturales y artificiales. Las pruebasde laboratorio y sus interpretación. Ámbito de aplicación :diseño de cimentaciones, estabilidad de taludes yestructuras de contención


Resistencia al corte de geomateriales

Suelos

Rocas

Macizo rocosos

Las resistencia al corte de los geomateriales se puede definir como la resistencia hasta ruptura que se desarrolla en superficies oplanos interno al material ..

Esta resistencia depende da una Muchísimos de factores geológicos , estructural , físicos e químicos

Rocas

suelos

Macizorocoso


Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas


Donde se encuentra la resistencia al corte en masa de suelos y rocas

Esfuerzo cortantey resistencia al corte

(shear strength)


Resistencia al corte y su significado físico

Resistencia friccional

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


Fricción y ángulo de fricción fEs equivalente a el ángulo que la resultante R tiene con ladirección de la fuerza normal

Aplicada.En términos de presión el valor limite de resistencia aldeslizamiento está relacionado en modo linear al producto de a la tangente de f por el esfuerzo normal aplicado


Principio de fricción en el deslizamiento de un cuerpo arriba de un plano inclinado


Suelo granular cementado y potencial superficie de ruptura entre los gránulos

Desarrollo de fuerza tangenciales y normales al punto de contacto departículas del suelo


Resistencia cohesiva

t

sn=0

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 “

Resistencia al corte

fst tannc

Ecuación de Coulomb


Resistencia al corteen términos de stress eficaz

'tan'' fst nc

Ecuación de Coulomb


Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz

'tan'' fst nc

0'

0'

0lim

ts n

c

Hay resistencia la corte cerca de cero en condiciones de estrés eficaz normal cerca de cero . Esto por suelos gruesos no -cohesivos .

Suelos gruesos no -cohesivos


Ecuación de Coulomb en términos de stress eficaz

'tan'' fst nc

''

0'

0lim

c

c

n

ts

Tal vez Hay resistencia al corte >0 también en condiciones de estrés eficaz normal cerca de cero . Esto por suelos finos cohesivos .

Suelos finos cohesivos .


Resistencia cohesiva

Limo Arcilla

Limo arcilla

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


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


Direct shear box


Direct shear cellPara rocas en sitio


Direct shear box:Shear stress vs. Shear strain


Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con direct shear box


Mohr-Culoumbcriterio de ruptura




Tipos de curvas y Materiales:Coesivos, no cohesivos Rocas y suelos


Rocasmuestras intactas

Rocas fracturadas

Arcillas, suelos finos

Suelos gruesos

Angulo de fricción interna y cohesión de suelos y rocas


…..Otra tabla por geomateriales no cohesivos (suelos gruesos)


Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación , textura y densidad en un suelo grueso


…… Otra tabla por suelos cohesivos

Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad de gruesos en suelos finos


Valores de ángulo de fricción en función de la densidad(seca) y densidad relativaen suelos gruesos


Valores de ángulo de fricción(de pico y residual en función de el índice de plasticidad del suelo por suelos de origen sedimentaria y suelosCon contenido de coloides en condiciones amorfa (allofane)


Superficie de ruptura en le suelo debida a shear stress (microscopio electrónico )


Resistencia al corte en rocas y macizos rocos


Corte

Traccion

Compression


Resistencia al corte en discontinuidad Efecto microscópico

i = angulo de

dilatancia

Rugosidad de las superficies de discontinuidad


Resistencia al corte en discontinuidad Efecto microscópico

i = angulo de

dilatancia


Criterio de Barton (1985) y Patton 1966 para resistencia al corte en discontinuidad

JRC = coeficiente adimensional de rugosidad )JCS = resistencia compresión uniaxial enla superficie de la discontinuidad ( Mpa)

sn= presión normal a la superficie de discontinuidad

fb = ángulo de fricción basal (o residual)

Barton (1985)

Patton (1966)

Tabla de JCR


Criterio de Barton (1985) y Patton1966 para resistencia al corte en discontinuidad.

Valuación de JRC por medición de rugosidad



Tilt test y fórmula para calcular el ángulo de fricción basal


Ángulos de fricción basal de diferentes tipos de rocas


Clasificación aberturas discontinuidades /fracturas


Curvas de rupturas per rocas intactas y en rocas con discontinuidad


ROCAS


Fill (relleno dediscontinuidad )

Roca intacta

Resistencia al corte de material de rellenos de discontinuidades en rocas

roptura

Geotecnia I (2014/2015) – Docente: Dr. Lorenzo Borselli

Versión 1.5 Last update 13 -11-2014

Resistencia al corte de macizos rocosos

Macizo rocoso: Conjunto roca intacta y discontinuidad


La resistencia al corte de un macizo rocosos está relacionadaAl tipo de rocas, dimensión de los elementos intactos, densidad y características de las rocas de fracturas, nivel de intemperismode las rocas, presión del agua y circulación.

Clasificación macizo rocoso Parámetros geomecanicosE y f y c’


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

La suma de estos factores es entre 0 y 100

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


E = 2 * RMR − 100GPa (para RMR>50)E = 10(RMR − 10) / 40

CorrelaciónEl RMR está correlacionado empíricamente con el módulo de Young del macizo rocoso roca:


fc’

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 software freeware da:

http://download.rocscience.com/products/RocLab.asp


Paso 1 - evaluar la estructura de un macizo rocoso


Paso 2 - indicar la resistencia a laCompresión uniaxial dela roca intacta


Paso 3 - indicar el tipolitologico


Paso 4 - indicar el factor de disturbo


Parametrosmacizo rocoso

Valore finales


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


Comparación valores tabla beniawski (RMR) y datos experimentalesDe resistencia al corte

En macizo rocosnon saturados y saturados

Se observa que los valore según la tabla Beniawski (RMR) sobra estiman de mucho El ángulo de ficción y la cohesión.


Estima rápida de valores de Angulo de fricción interna y de cohesión de macizo rocoso con modelo GSINota: el coeficiente mi depende del tipo litológico (se vean los apuntes en parte II)


Fracción Resistenciacompresión

uniaxial macizorocoso y de la rocaintacta

Dependiendo del tipo de clasificación de macizo Rocoso

(Hoek 2004)

c

cm

s

s


Resistencia al corte: pruebas de laboratorio

1. Prueba corte directo

2. Prueba triaxial

3. Prueba compresión uniaxial


Direct shear boxO prueba de corte directo


Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con direct shear box


Construcción de curvas de ruptura con direct shear box


Corte directoCondiciones básica de prueba :

Suelos gruesos o granulares

La densidad relativa del suelo afecta el grafico en el plano tau-sigma


Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación , textura y densidad


Valores de ángulo de fricción y cohesión dependiendo de cantidad de gruesos en suelos finos


Ejemplo de resultados de Prueba corte directo


Prueba triaxial

Equipo de prueba


Stress deviatoricoStress principales

También se pude medir siempre , y en cada momento

la presión de poros u adentro el ensayo


Ensayos con su deformación final al termine de la prueba


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 presiónde poros sin drenaje

Fase B) se aplica uno stress deviatorico y se permite el drenaje y la

consolidacion


CD test arcilla sobra consolidada

CD test suelos árenosy arcilla normal

consolidada


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


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


Construcion de graficos en prova triaxial


Prueba de compresiónuniaxial no confinada(arcillas saturadas )

Nota bien no hay presión de confinamiento lateralSigma3 =0


pruebas en sitio para medición o estimade resistencia al corte

Pruebas en sitio


Prueba VST(Vane shear test)


Pruebas en sitio


Vane test

Insertado en suelos finos y Arcillosos. Y la resistencia la corte en condiciones de no drenaje se Calcula con:

37

6

d

Tcu

T es el torque (momento de la fuerza ) que se aplica para iniciar el movimiento


Cone penetration test CPT-CPTU (ASTM D-5778)


Cone penetration test CPT-CPTU

CPTU con punta electrica


Cone penetration test CPT-CPTU

(ASTM D-5778)


CPTU punta eléctrica http://geosystems.ce.gatech.edu/Faculty/Mayne/Research/misc/CPTu%20Animation.pps

Animacion prueba CPTU


http://geosystems.ce.gatech.edu/Faculty/Mayne/Research/misc/CPTu Animation.pps

CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final )


CPTU punta eléctrica ( diagrama de prueba y interpretación final)


CPTU punta eléctrica

Clasificación de tipo de suelos con dato de prueba en sitio CPTU


CPT derivación parámetros de Resistencia al corte en caso de suelos gruesos y no cohesivos


CPT derivación parámetros de Resistencia al corte por suelos (no cohesivos y cohesivos )

Suelos Cohesivos

Suelos NO Cohesivos


Standard penetration test - SPT






Standard penetration test – SPTRecuperación y inspección muestra

Mostrador y punta de prueba SPT


Standard penetration test(SPT)

Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos gruesos



Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Arenosos medio fino



Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Arenosos gruesos



Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Cohesivos arcillosos


Standard penetration test SPT

Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos Cohesivos arcillosos y limosos arcillosos


Comparación pruebas en sitio


Comparación pruebas en sitio


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.



Schmidt’s Hammer detaille equipo



Schmidt’s Hammer:Evaluación de UCS por medio de numero de rebotes medidos(correlaciones experimentales..)

10 20 30 40 50 60 70 80 90

1

10

100

UC

S (

MP

a)

N (Corrected rebound number)

UCS=0.0137 N 2.2721

Shmidt's Hammer -- UCS by N (Kihc & Teymen 2008)



Schmidt’s Hammer:Evaluación de modulo de Young Por medio de numero de rebotes medidos(correlaciones experimentales..)

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Geotecnia 1 Parte VI

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