ENSAYO DE CORTE DIRECTO- Objetivo

El ensayo de corte directo tiene como finalidad encontrar el valor del ángulo de fricción residual (ør) en testigos de roca que han sido previamente fracturados.Este ensayo se puede aplicar en rocas duras o blandas y en testigos de roca que contengan planos de falla o discontinuidades naturales o artificiales (interfase concreto-roca).

- UsoLa determinación del esfuerzo cortante de un testigo de roca es importante en el diseño de estructuras como: taludes de roca, cimentaciones de presas, túneles, piques o chimeneas de minas subterráneas, almacenes subterráneos y otros.Aunque se sabe que la predicción exacta del comportamiento del macizo rocoso es imposible.

- TeoríaEs necesario distinguir dos conceptos: ángulo de fricción interna y ángulo de fricción residual. El ángulo de fricción interna actúa mientras la roca no ha fallado mientras que el ángulo de fricción residual actúa cuando se ha producido la falla.En muchas estructuras rocosas se puede observar que la roca se encuentra fracturada; sin embargo, no se aprecia problemas de sostenimiento, debido a que no se ha producido movimiento relativo entre las partes falladas y esto se debe principalmente a la fricción residual de la roca.Esta discontinuidad esta todavía cementada, es decir habría que aplicar una fuerza de tensión para que las dos mitades de la muestra, una a cada lado de la discontinuidad, se separen.La discontinuidad es absolutamente plana, no tiene ondulaciones ni rugosidades y la sometemos a un esfuerzo normal (s), aplicado perpendicularmente a su superficie y a un esfuerzo cortante (t) suficiente para causar un desplazamiento (d). Entonces obtendremos el gráfico esfuerzo cortante vs desplazamiento cortante para un esfuerzo normal constante, resultando una curva como la que se muestra en la figura 2. Para pequeños desplazamientos, el testigo se comporta elásticamente y el esfuerzo cortante se incrementa linealmente con el desplazamiento. A medida que las fuerzas que resisten al movimiento van cediendo, la curva se vuelve no lineal y entonces el esfuerzo cortante alcanza un pico que es el valor máximo. Después de esto el esfuerzo cortante requerido para causar desplazamiento cortante cae rápidamente y entonces el valor de esfuerzo cortante se mantiene constante. A este valor constante llamamos esfuerzo cortante residual.Si hacemos un gráfico esfuerzos cortantes máximos vs esfuerzo normales aplicados en cada ensayo obtenemos una curva, esta curva aproximadamente lineal, tiene una pendiente igual al ángulo de fricción máximo e intercepta al eje de esfuerzos cortantes en Cmax, fuerza de cohesión del material cementante. Este componente de cohesión del esfuerzo cortante es independiente del esfuerzo normal pero el componente friccional aumenta con el incremento de esfuerzo normal como se muestra en la siguiente ecuación:t = Cmax + s tan ømaxSi graficamos el esfuerzo cortante residual contra el esfuerzo normal constante para cada ensayo obtenemos el gráfico de la figura 4 y la ecuación:t = s tan ørLa ecuación nos indica que el material cementante se ha perdido (C r=0).

Equipo

Máquina de ensayoUn equipo para aplicar y registrar fuerza normal y fuerza cortante sobre el testigo. 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 testigos de roca con dimensiones no mayores de 115 mm x 125 mm o si es un testigo cilíndrico 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.

MoldeUn molde especialmente diseñado para que encaje en el equipo perfectamente (ver figura 6a) y que será utilizado para encapsular el testigo 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 testigosa) Se pueden emplear testigos cilíndricos o bloques de roca de geometría regular. El testigo debe tener las dimensiones adecuadas para que pueda ser colocado en el molde. Los testigos 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 el testigo cortándolo 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 un solo testigo 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 testigo sobre el molde y se coloca entre su agarraderas el testigo 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 el testigo no se mueva de la posición deseada (ver figura 6b).e) Se cubre el interior del molde con una película de grasa para facilitar remover el testigo después del secado de la mezcla. Verter la mezcla en una mitad del molde con la cantidad suficiente para que cuando se introduzca el testigo llegue al borde superior del molde. Luego volver a colocar el sujetador con el testigo introduciendo en la mezcla la mitad inferior. Vibrar el molde de manera que se logre compactar la mezcla alrededor del testigo 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 el testigo no sea necesario aumentar o retirar una cantidad considerable de mezcla ya que el acceso será difícil. La mitad que contiene el testigo 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 el testigo y se separan las dos partes cortando la cinta adhesiva, entonces el testigo estará listo para ser ensayado (figura 6c).

Procedimientoa) Se registra el diámetro o las dimensiones de la zona escogida para calcular el área de deslizamiento.b) Se hacen las conexiones hidráulicas de la manera como se ilustra en el esquema de la figura 5.c) Se coloca el testigo (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 como se muestra en la figura 5 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 el testigo 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.

CálculosSe calcula el área de ensayo del testigo (A). Usando las medidas de las áreas y las cargas se calculan los valores de esfuerzo:- Esfuerzo normal s = N, donde N es la fuerza normal

A- Esfuerzo cortante residual t = F, donde F es la fuerza cortante

ALas unidades empleadas serán:Para esfuerzos: MPaPara cargas o fuerzas: Kg.Para áreas o superficies: cm2Para desplazamientos: mm x 10 –2Llevar a un gráfico el registro de esfuerzos cortantes vs desplazamientos horizontalesLlevar a un diagrama s-t, 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 ).