Ensayo de Corte Directo

Es una prueba que reproduce la rotura de un suelo, tal como la propuso Coulomb, y permite determinar los parámetros resistentes al esfuerzo cortante (cohesión y ángulo de rozamiento interno) de una muestra de suelo mediante la caja cortante.

Equipo Necesario

• Caja de corte.
• Dispositivos para aplicación de cargas verticales y horizontales.
• Deformímetros para medir desplazamientos.

Descripción del Procedimiento

Consiste en aplicar una fuerza horizontal que separa en dos partes una muestra de suelo confinada en una caja, y medir cuánta fuerza es necesaria para producir esa rotura bajo una carga vertical constante. Se lleva a cabo en la caja de corte directo, que se encuentra dividida horizontalmente en dos mitades y en cuyo interior se coloca la muestra de suelo. Generalmente, el ensayo se realiza sobre un mínimo de tres muestras idénticas del mismo suelo, aplicando tres cargas verticales distintas para definir la envolvente de falla.

Fases del Ensayo

1. Aplicación de carga vertical (Fv): Se aplica una carga vertical constante que genera una deformación vertical y un esfuerzo normal sobre el plano de corte potencial. Se espera a la consolidación si es necesario.
2. Aplicación de carga horizontal (Fh): Manteniendo Fv constante, se aplica la carga horizontal (o un desplazamiento horizontal a velocidad constante) hasta alcanzar la rotura de la muestra. Durante esta fase se producen la correspondiente deformación horizontal y el esfuerzo tangencial (cortante).
3. Medición y Registro: Se miden simultáneamente el desplazamiento horizontal, la fuerza horizontal aplicada y el desplazamiento vertical (cambio de volumen).

Se sitúan los puntos correspondientes a la resistencia al corte máxima (o residual) de los tres ensayos en un diagrama esfuerzo normal vs. esfuerzo cortante. Se dibuja la recta (o envolvente) de falla que mejor se ajusta a estos puntos, obteniéndose la cohesión (c) y el ángulo de rozamiento interno (φ) del suelo.

Tipos de Ensayo según Condiciones de Drenaje

• Consolidado Drenado (CD): Fase 1 (consolidación vertical): Drenaje abierto. Fase 2 (corte): Drenaje abierto (aplicación lenta de Fh).
• Consolidado No Drenado (CU): Fase 1 (consolidación vertical): Drenaje abierto. Fase 2 (corte): Drenaje cerrado (aplicación rápida de Fh).
• No Consolidado No Drenado (UU): Fase 1 (aplicación de Fv): Drenaje cerrado (sin consolidación). Fase 2 (corte): Drenaje cerrado (aplicación rápida de Fh).

Tipos de Ensayo según Forma de Aplicar la Carga de Corte

• Tensión Controlada: Se aplican incrementos de esfuerzo cortante (Fh) y se miden las deformaciones horizontales hasta que estas se estabilizan. Se aumenta el esfuerzo y se mide de nuevo. Cuando las deformaciones ya no se estabilizan (o crecen rápidamente), se ha alcanzado la rotura.
• Deformación Controlada: La armadura móvil de la caja se desplaza a una velocidad horizontal constante, y se van midiendo los esfuerzos (Fh) necesarios para mantener esa velocidad. Es el método más común.

Ventajas

• Es relativamente fácil y rápido de ejecutar.
• Permite ensayar suelos sin cohesión (granulares).
• Es fácil medir los cambios de volumen (desplazamiento vertical) durante el corte en ensayos drenados.
• Se miden directamente las fuerzas aplicadas (Fv, Fh) y los desplazamientos.

Desventajas

• La superficie de la muestra en el plano de corte varía durante el ensayo.
• El reparto de tensiones no es uniforme sobre el plano de corte.
• No se conocen bien los rozamientos internos de la caja.
• No permite un control preciso del drenaje ni la medida de presiones intersticiales.
• La superficie de rotura es obligatoria y predefinida por la división de la caja, no necesariamente la más débil.

Ensayo Triaxial

Su objetivo es determinar el ángulo de rozamiento interno (φ) y la cohesión (c) del suelo, parámetros que definen su resistencia al corte. Esto se logra aplicando a probetas cilíndricas de suelo esfuerzos verticales y laterales controlados, que intentan reproducir las condiciones de esfuerzo a las que está sometido el suelo en el terreno.

La muestra, que puede ser inalterada o remoldeada, es sometida a esfuerzos laterales (presión de confinamiento) y verticales (carga axial) diferentes para estudiar su comportamiento esfuerzo-deformación hasta la rotura.

Descripción del Procedimiento

El ensayo se realiza en una cámara triaxial, un recipiente a presión que se llena generalmente con agua. Dentro de la cámara se coloca la probeta cilíndrica de suelo, usualmente recubierta por una membrana impermeable.

El ensayo se divide típicamente en dos etapas principales:

1. Etapa de Confinamiento (o Consolidación): La probeta de suelo es sometida a una presión hidrostática (σ3) aplicada por el fluido de la cámara. Los esfuerzos verticales (σ1) son iguales a los horizontales (σ3). Durante esta etapa, si se permite el drenaje del agua de los poros del suelo, se dice que la probeta se consolida bajo la presión de confinamiento.
2. Etapa de Corte (o Aplicación del Esfuerzo Desviador): Manteniendo constante la presión de confinamiento (σ3), se incrementan los esfuerzos verticales (σ1) mediante un pistón de carga axial hasta que la probeta alcanza la rotura. La diferencia (σ1 – σ3) se denomina esfuerzo desviador.

Componentes Principales del Equipo

• Célula Triaxial: Recipiente a presión que contiene la muestra y el fluido de confinamiento. Permite aplicar una presión de confinamiento (σ3) constante o variable.
• Sistema de Medición de Presión: Manómetros o transductores para medir la presión de célula (σ3).
• Sistema de Carga Axial: Pistón de carga, generalmente activado por un motor a velocidad controlada, para aplicar el esfuerzo vertical (σ1).
• Instrumentación de Medida: Sensores para medir la carga axial aplicada y la deformación axial de la probeta (deformímetros o LVDTs).
• Medición de Presión Intersticial: Transductor de presión conectado a la base de la muestra para medir la presión del agua en los poros (presión intersticial o neutra, ‘u’) durante el ensayo, si es necesario.
• Control de Drenaje: Válvulas y buretas para controlar y medir el flujo de agua hacia o desde la muestra (control de las condiciones de drenaje). Si la presión neutra generada durante el corte es disipada (drenaje abierto), se dice que el ensayo es «drenado». Si no se permite el drenaje, es «no drenado».

Tipos de Rotura Observados

• Rotura frágil con plano de corte definido: Típica de suelos densos o rígidos («suelos buenos»).
• Rotura dúctil sin plano claramente definido: Típica de suelos sueltos o blandos («suelos regulares»).
• Rotura con abombamiento (forma de barril): Típica de suelos muy blandos o plásticos («suelos malos»).

Estados de Esfuerzo

• Estado I (Isótropo o de Confinamiento): Aplicación de presión hidrostática σ1 = σ2 = σ3.
• Estado II (Desviador o de Corte): Incremento del esfuerzo vertical (σ1) manteniendo σ3 constante, generando el esfuerzo desviador (σ1 – σ3).

Ensayo de Compresión Simple (o Inconfinada)

Este ensayo se utiliza principalmente para determinar la cohesión no drenada (cu o Su) en suelos cohesivos saturados (como arcillas y limos plásticos). Es un caso particular del ensayo triaxial donde la presión de confinamiento (σ3) es cero.

Descripción del Procedimiento

Consiste en aplicar una fuerza vertical (axial) creciente sobre una probeta cilíndrica de suelo, sin ningún confinamiento lateral, hasta producir la rotura. Se coloca una muestra de suelo de longitud y diámetro adecuados entre dos planchas (superior e inferior) de una prensa. Se aplica una carga axial a una velocidad de deformación constante. A medida que la muestra se deforma verticalmente, se registran las cargas correspondientes y la deformación.

Se registra la carga máxima (o de rotura) alcanzada y la deformación correspondiente. La resistencia a la compresión simple (qu) es la carga máxima dividida por el área inicial de la muestra (corregida por la deformación si es necesario). La cohesión no drenada (cu) se considera igual a la mitad de la resistencia a la compresión simple (cu = qu / 2).

Ventajas

• Es un ensayo rápido, simple y económico.

Limitaciones

• Solo es aplicable a suelos cohesivos que puedan mantenerse sin soporte lateral (suelos coherentes).
• Generalmente requiere una muestra inalterada para ser representativo.
• Se asume que la muestra está saturada.
• No hay control sobre las condiciones de drenaje (se asume no drenado debido a la rapidez del ensayo).
• No proporciona el ángulo de rozamiento interno (se asume φu = 0).

Ensayo de Molinete (Veleta de Corte o Vane Test)

Este ensayo permite determinar in situ o en laboratorio la resistencia al corte no drenada (cu o Su) de suelos cohesivos blandos a firmes, particularmente arcillas y limos saturados.

Principio del Ensayo

Consiste en introducir en el suelo un molinete (una veleta formada generalmente por cuatro placas verticales rectangulares dispuestas en cruz) y medir el momento torsor máximo necesario para hacerlo girar y provocar la rotura del suelo a lo largo de una superficie cilíndrica (en la base y la parte superior) y vertical (en los lados) definida por las dimensiones de la veleta.

La cohesión no drenada (cu) se calcula a partir de este momento torsor máximo y las dimensiones de la veleta mediante una fórmula específica.

Aplicaciones

• Se puede realizar directamente en el terreno, introduciendo la veleta en el fondo de un sondeo o hincándola directamente desde la superficie.
• También existen versiones de laboratorio para usar en muestras inalteradas.
• Es especialmente útil en arcillas blandas y sensibles donde la obtención de muestras inalteradas de buena calidad para ensayos de laboratorio (como triaxial o compresión simple) es difícil.
• Permite obtener un perfil casi continuo de la resistencia al corte no drenada con la profundidad.