ensayo de corte directo
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU Sección Ingeniería de Minas
LABORATORIO N° 5
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
Objetivo
El ensayo de corte directo tiene como finalidad encontrar el valor del ángulo de
fricción residual (Ør) en muestras de roca que han sido previamente fracturados. Este
ensayo se puede aplicar en rocas duras o blandas y en muestras de roca que contengan
planos de falla o discontinuidades naturales o artificiales (interfase concreto-roca).
La determinación del esfuerzo cortante de una muestra de roca es importante en
el diseño de estructuras tales como: taludes de roca, cimentaciones de presas, túneles,
piques o chimeneas de minas subterráneas, almacenes subterráneos y otros.
Los ensayos se realizan siguiendo el procedimiento recomendado en la norma
ASTM D 5607-95.
Equipo necesario
Máquina de ensayo
Un equipo para aplicar y registrar fuerza normal y fuerza cortante sobre la
muestra. Este equipo consiste de una caja partida diagonalmente. La mitad superior
equipada con un pistón vertical para aplicar la fuerza normal y la mitad inferior
equipada con un pistón horizontal para la aplicación de una fuerza cortante. La caja está
diseñada para aceptar muestras de roca con dimensiones no mayores de 115 mm x 125
mm o si es una muestra cilíndrica su diámetro debe ser no mayor de 102 mm y su
longitud no mayor de 120 mm.
La fuerza aplicada por el pisón vertical es transmitida por medio de una bomba
hidráulica de operación manual y es registrada en un medidor de fuerza con escala
graduada en 0.25 KN y con capacidad de medir fuerzas hasta 11 KN. La fuerza aplicada
por el pisón horizontal es transmitida por medio de una bomba hidráulica de operación
manual y es registrada en un medidor de fuerza con escala graduada en 0.1 KN y con
capacidad de medir fuerzas hasta 5.5 KN. Estas fuerzas deberán estar alineadas con el
centro del plano de corte.
Molde
Un molde especialmente diseñado para que encaje en el equipo perfectamente y
que será utilizado para encapsular la muestra en una mezcla de concreto de secado
rápido. Este molde consta de dos mitades que tienen la misma forma y dimensiones que
la caja del equipo de ensayo.
Medidor de desplazamientos
Un aditamento para medir el desplazamiento horizontal (dirección de aplicación
de la fuerza cortante) con escala graduada en 0.01 mm con un círculo de graduación de
100 unidades con capacidad de medir hasta 25 mm.
Preparación de las muestras a) Se pueden emplear muestras cilíndricas o bloques de roca de geometría regular. La
muestra debe tener las dimensiones adecuadas para que pueda ser colocada en el molde.
Las muestras no requieren de ningún tratamiento superficial ni estar sujetos a
condiciones de paralelismo.
b) Seleccionar la discontinuidad o plano de falla a ser ensayado, luego preparar la
muestra cortándola en dos partes de 40 a 60 mm de longitud a cada lado de la zona
seleccionada. Luego unir las dos partes con cinta adhesiva de manera que se tenga una
sola muestra nuevamente.
c) Se prepara una mezcla de arena, cemento y agua de secado rápido y resistencia
media. La proporción en volumen de arena-cemento es de 3 a 2 y se emplea 700 ml de
agua para la preparación de un molde.
d) Se coloca el sujetador de muestras sobre el molde y se coloca entre sus agarraderas la
muestra, teniendo cuidado que el plano cortante propuesto esté alineado con la posición
del plano horizontal de aplicación de la carga cortante y el eje de aplicación de la carga
normal. Se ajusta el sujetador de manera que la muestra no se mueva de la posición
deseada.
e) Se cubre el interior del molde con una película de grasa para facilitar remover la
muestra después del secado de la mezcla. Verter la mezcla en una mitad del molde con
la cantidad suficiente para que cuando se introduzca la muestra llegue al borde superior
del molde. Luego volver a colocar el sujetador con la muestra introduciendo en la
mezcla la mitad inferior. Vibrar el molde de manera que se logre compactar la mezcla
alrededor de la muestra sin tocar el plano de falla. Se deja endurecer la mezcla por 24
horas.
f) Se remueven los lados del molde y se arma la otra mitad. También se retira el
sujetador. Al igual que la otra parte la engrasamos y llenamos el molde con la cantidad
suficiente de mezcla para que cuando se introduzca la muestra no sea necesario
aumentar o retirar una cantidad considerable de mezcla ya que el acceso será difícil. La
mitad que contiene la muestra la volteamos y la colocamos apropiadamente sobre la
mitad que acabamos de preparar luego ajustamos los tornillos del molde para asegurar
el alineamiento requerido. Se añade o remueve pequeñas cantidades de mezcla con una
paleta a través de la ranura. Dejar secar los moldes tres días como mínimo.
g) Luego se desmolda la muestra y se separan las dos partes cortando la cinta adhesiva,
entonces la muestra estará lista para ser ensayada.
Metodología a) Se registra el diámetro o las dimensiones de la zona escogida para calcular el área de
deslizamiento.
b) Se hacen las conexiones hidráulicas necesarias.
c) Se coloca la muestra (encapsulado en la mezcla) en la parte inferior de la caja y se
coloca la parte superior de la caja sobre ella. Se hacen coincidir las partes cortadas en
forma manual. Se empezará el ensayo aplicando una carga normal pequeña para
mantener la posición.
d) Se fija el medidor de desplazamientos en la parte superior para lograr registrar los
movimientos horizontales.
e) Se aplica la carga normal requerida con la bomba manual, se registra y se mantiene
constante, luego se aplica la carga cortante gradualmente. Se registran los
desplazamientos horizontales y las cargas cortantes respectivas. Al llegar al máximo
valor de fuerza cortante se registra este valor y su desplazamiento. Se sigue aplicando
carga cortante hasta que ésta se mantiene constante, entonces habremos hallado el valor
de esfuerzo cortante residual.
f) Se repite este proceso incrementando la carga normal con una razón constante.
Volvemos a colocar la muestra en su posición inicial, teniendo cuidado que el detrito
producido por el corte no se pierda del plano de ensayo. Obtenemos en cada ensayo los
valores correspondientes al esfuerzo cortante máximo y residual.
Cálculos Se calcula el área de ensayo de la muestra (A). Usando las medidas de las áreas y las
cargas se calculan los valores de esfuerzo:
- Esfuerzo normal σ = N donde N es la fuerza normal
A - Esfuerzo cortante residual τ = F donde F es la fuerza cortante
A
Las unidades empleadas serán:
Para esfuerzos: MPa
Para cargas o fuerzas: kg
Para áreas o superficies: cm2
Para desplazamientos: mm x 10–2
Llevar a un gráfico en registro de cargas cortantes y desplazamientos horizontales.
Llevar a un diagrama σ-τ los valores de esfuerzos normales y sus correspondientes
esfuerzos cortantes residuales. Estos puntos tienden a generar una línea recta. La
pendiente de esta recta es el coeficiente de fricción residual y su ángulo es el ángulo de
fricción residual (ør ).
Informe
Debe contener lo siguiente:
Nombre del proyecto, tipo de roca y lugar de procedencia de la muestra.
Fecha de recepción de la muestra.
Fecha de ejecución del ensayo.
Número de testigos ensayados.
Condición de la humedad de la muestra al momento del ensayo
Dimensiones del área ensayada, valor del área, esfuerzo normal constante, cargas
cortantes y desplazamientos para cada ensayo.
Gráfico desplazamiento de corte vs carga de corte.
Gráfico esfuerzo normal vs esfuerzo de corte.
Angulo de fricción residual (ør).
Mezcla utilizada para el encapsulamiento del testigo.
Incluir fotografías antes y después del ensayo.
Referencias ASTM D 5607-95
ISRM Suggested Method for In Situ Determination of Direct Shear Strength.
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