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GEOTECNIA I Año Académico 2017-2018

Dr. Lorenzo BorselliInstituto de Geología

Fac. De Ingeniería, UASLP

lborselli@gmail.comwww.lorenzo-borselli.eu

Geotecnia I (2017/2018) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.8 Last update 25-10-2017

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

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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

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

Esfuerzo cortantey 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

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

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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

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

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Suelo granular cementado y potencial superficie de ruptura entre los gránulos

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

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De Vallejo et al. (2002)

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

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Resistencia al corteen términos de stress eficaz

'tan'' fst nc

Ecuación de Coulomb

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De Vallejo et al. (2002)

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

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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 .

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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

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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 cellPara rocas en sitio

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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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1ns

1ns

tt

2ns

2ns

t

3ns

3ns

t

321 nnn sss

Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo (direct shear box). Con Las parejas de puntos ( , ) que corresponden a lascondiciones 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 fricion interna de pico y residual , y se a caso de la intercepta de Cohesión C

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2ns

1ns

3ns

nst

pf rf

pf

rf

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Curva general de la condiciones al borde de ruptura

Mohr-Culoumbcriterio de ruptura

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Mohr-Culoumbcriterio de ruptura

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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Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Rocasmuestras intactas

Rocas fracturadas

Arcillas, suelos finos

Suelos gruesos

Angulo de fricción interna y cohesión de suelos y rocas

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

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N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos > 30 grados

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 relativaen suelos gruesos

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…… Otra tabla por suelos cohesivos

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

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N.B.: la mayoría de lo s materiales tiene ángulos < 30 grados

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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Corte

Traccion

Compression

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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

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

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Criterio de Barton (1985) y Patton1966 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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Fill (relleno dediscontinuidad )

Roca intacta

Resistencia al corte de material de rellenos de discontinuidades en rocas

roptura

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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 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’

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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

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

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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:

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fc’

Parámetros de resistencia al corte da clasificación RMR de un macizo rocoso

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Roclab 1.0 viejo ma excelente freware software da:

http://download.rocscience.com (ahora ya no esta disponible freeware)

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

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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 laCompresión uniaxial dela roca intacta

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Paso 3 - indicar el tipolitologico

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Paso 4 - indicar el factor de disturbo

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Parametrosmacizo rocoso

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 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.

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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)

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Fracción ee Resistenciacompresión

uniaxial macizorocoso y de la rocaIntacta..

Dependiendo del tipo de clasificación de macizo Rocoso

(Hoek 2004)

c

cm

s

s

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Unidad 2

Unidad 1

Unidad 2: estructura conalto nivel de disturbo y muy poca interconexión entre bloques, que se encuentran muy fragmentados y alteradosGSI =20-10

Unidad 1: estratos y bloques angulares con muchas familias de discontinuidades. Medio Nivel de alteración de la superficies.GSI =45-35

Ejemplo Clasificación GSI

Resistencia al corte: pruebas de laboratorio

1. Prueba corte directo

2. Prueba triaxial

3. Prueba compresión uniaxial

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Direct shear boxO prueba de corte directo

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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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1ns

1ns

tt

2ns

2ns

t

3ns

3ns

t

321 nnn sss

Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Construcción de curvas de ruptura de pico e residual con pruebas de corte directo (direct shear box). Con Las parejas de puntos ( , ) que corresponden a lascondiciones 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 fricion interna de pico y residual , y se a caso de la intercepta de Cohesión C

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2ns

1ns

3ns

nst

pf rf

pf

rf

Corte directoCondiciones básica de prueba :

Suelos gruesos o granulares

La densidad relativa del suelo grueso afecta el grafico en el plano tau-épsilon (deformación horizontal )

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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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Ejemplos de resultados en Pruebas de corte directo ( direct shear box )

Construcción de curvas de ruptura con direct shear box

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Suelos grueso (no cohesivo)

Suelo finos

Valores de ángulo de fricción dependiendo de tipo de gradación , textura y densidad en suelos gruesos

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

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Prueba triaxial

Equipo de prueba

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Stress deviatoricoStress principales

También se pude medir siempre , y en cada momento

la presión de poros u 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 presiónde poros sin drenaje

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

consolidacion

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CD test arcilla sobra consolidada

CD test suelos árenosy arcilla normal

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

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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

Prueba de compresiónuniaxial no confinada(arcillas saturadas )

Nota bien: no hay presión de confinamiento lateralSigma3 =0

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pruebas en sitio para medición o estimade resistencia al corte

Pruebas en sitio

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Prueba VST(Vane shear test)

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Pruebas en sitio

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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:

37

6

d

Tcu

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

Animacion prueba CPTU

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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

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En el ejemplo se estiman phi=34 grados

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

Suelos Cohesivos

Suelos NO 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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Standard penetration test – SPTRecuperación y inspección muestra

Mostrador y punta de prueba SPT

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Standard penetration test(SPT)

Correlaciones SPT y parámetros de resistencia al corte por suelos gruesos

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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

Geotecnia I (2017/2018) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.8 Last update 25-10-2017

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)

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Schmidt’s Hammer para medición de la resistencia a la compresión uniaxial de rocas y concreto: aplicación en rocas.

Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)

Geotecnia I (2017/2018) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.8 Last update 25-10-2017

Schmidt’s Hammer detaille equipo

Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)

Geotecnia I (2017/2018) – Docente: Dr. Lorenzo BorselliVersión 1.8 Last update 25-10-2017

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)

Rocas pruebas en sitio Determinación Resistencia compresión uniaxial (UCS)

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