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.