MÉTODO DE ENSAYO

NORMALIZADO DE

CORTE POR VELETA EN

MINIATURA DE

LABORATORIO EN

SUELOS FINOS

ARCILLOSOS

SATURADOS

PRESENTACIÓN

En el siglo XVII en Francia e Inglaterra se comenzó a hacer estudios de suelos

para fines agrícolas y químicos, es así como se origina los primeros estudios de

suelos, en Alemania y sobre las bases proporcionadas por la Geología, aparece

una escuela para estudiar, definir e inventariar los suelos; con el transcurrir del

tiempo investigadores como: Culman, Mohr y otros estudiosos de la mecánica

de suelos comenzaron a definir los diversos tipos de ensayos, y se comenzó a

tomar mayor énfasis con el crecimiento de la construcción teniendo que

desarrollarse métodos más precisos para determinar: su clasificación, los suelos

adecuados, resistencia al corte, a la compresión, etc. Que fueron usados en

obras viales, edificaciones, obras hidráulicas en la construcción de puentes y

obras a fines.

El ensayo de corte con veleta nos sirve para determinar la resistencia cortante

no drenada del suelo y presenta una serie de ventajas tales como: en campo son

moderadamente rápidas y económicas y se usan ampliamente en programas de

exploración de suelos en campo, además de ser una excelente prueba para

determinar las propiedades de arcillas sensitivas. Lo más primordial es que la

veleta puede ser transportada al campo evitando el transporte del suelo hasta

el laboratorio lo que en muchos casos significa una inversión de tiempo y

dinero.

En la presente monografía se detalla los diversos procedimientos que deben de

aplicarse para el correcto cálculo de los resultados, cuenta además con un

problema aplicativo para su mejor comprensión, es necesario además aclarar

que este ensayo de corte con veleta tiene una serie de inconvenientes con

algunos tipos de suelos, los cuales van a ser desarrollados con otros tipos de

ensayos los que brevemente detallaremos.

1. OBJETIVOS

El presente trabajo tiene por objetivo lo siguiente:

Definir el método de corte con veleta detallando todos los

procedimientos para lograr datos correctos.

Explicar las generalidades del ensayo de corte con veleta.

Lograr el entendimiento por parte de los alumnos del ensayo de corte

con veleta, usando un problema aplicativo.

Determinar los casos en el que el método de corte con veleta no es

aplicable y se debe disponer de otro tipo de ensayo.

Establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y determinar la

aplicación de limitaciones regulatorias antes de su uso. La cual debe ser

definida por la persona encargada de llevar a cabo el ensayo de corte con

veleta.

2. DEFINICION.

La prueba de corte con veleta (ASTM D- 2573) se usa durante la operación de

barrenado para determinar “in situ” la resistencia cortante no drenada (cu) de

suelos cohesivos blandos y saturados, no es tan confiable para suelos fisurados

o secuencias de micro estratos. La veleta es un instrumento de laboratorio que

tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el

transporte una muestra de suelo El extremo inferior de la veleta consiste en

cuatro aspas montadas en el extremo de una barra de acero.

En el caso de suelos compuestos de limo y arcilla en especial los de alta

sensibilidad, el efecto de las alteraciones durante el ensayo pueden ser bastante

considerables en lo que respecta a la confiabilidad de los resultados medidos en

el laboratorio, por lo cual este instrumento proporciona información bastante

aproximada.

Causas de errores significativos en la prueba de corte con veleta en campo son

una mala calibración la par detorsión aplicada y paletas dañadas. Otros errores

se cometen si la velocidad de rotación de las paletas no es debidamente

controlada.

El ensayo de corte con veleta consiste básicamente en colocar una veleta de

cuatro hojas dentro del suelo inalterado, y en girarla desde la superficie para

determinar la fuerza detorsión necesaria para lograr que una superficie

cilíndrica sea cortada por la veleta; con esta fuerza de corte se halla, entonces,

la resistencia unitaria de dicha superficie. Es de importancia básica que la

fricción de la varilla de la veleta y la del aparato sean tenidas en cuenta porque

de otra manera, la fricción sería inadecuadamente registrada como resistencia

del suelo. Las medidas de fricción bajo condiciones que no implican carga, como

cuando se emplea un vástago liso en lugar de la veleta, o una veleta que

permita alguna rotación libre de la varilla antes de someterla a carga, son

satisfactorias únicamente cuando el giro sea aplicado mediante un momento

balanceado que no se traduzca en empuje lateral. A medida que las fuerzas de

torsión se hagan más grandes durante un ensayo, un empuje lateral en el

instrumento se traducirá en un incremento de fricción no considerado en las

lecturas iniciales sin carga.

No se recomiendan instrumentos que produzcan empuje lateral. La varilla de la

veleta debe tener suficiente rigidez para que no sufra torsión bajo condiciones

de carga plena, de lo contrario, se deberá hacer una corrección al dibujar las

curvas de Momento vs. Rotación.

El parámetro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor

del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se

tendrá la expresión:

Dónde:

cu = Parámetro de resistencia al corte no drenada.

T = Momento torsor de la veleta.

h = Altura de las aspas de la veleta.

D = Diámetro de la circunferencia que genera la veleta al girar.

3. VENTAJAS

Tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual

evita el transporte una muestra de suelo.

Permite medir la sensitividad in situ.

Equipos y ensayos muy sencillos

4. DESVENTAJAS

Su uso se limita a arcillas y limos con y limos con suv < 200 kPa.

Es lento y se Es lento y se gasta mucho tiempo.

Requiere de correlaciones empíricas.

5. IMPORTANCIA Y USO.

Este método da una indicación de la resistencia al corte en el lugar en condición

no drenada. El ensayo es aplicable a suelos con resistencias inferiores a 200 kPa,

en condición no drenada.

Este ensayo se emplea para hacer análisis de esfuerzos de arcillas y limos

saturados. No se puede realizar en arenas, gravas u otros suelos de alta

permeabilidad.

6. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

Los ensayos de corte con veleta normal (ASTM D 2573) o miniatura (ASTM D

4648) son aplicables únicamente cuando se trata de suelos cohesivos saturados

desprovistos de arena, grava y como complemento de la información obtenida

mediante calicatas o perforaciones.

Tabla 1. Aplicaciones de los ensayos de veleta de corte

Ensayos in situ Normas Aplicables

N°

Aplicación Recomendable

Técnicas de Investigación

Tipos de Suelo (1)

Parámetros a ser obtenidos

(2)

Resistencia al Corte por medio de la veleta

Norma (3)

ASTM D 2573

Perforación CL, ML, CH, MH

Cu, St

Resistencia al Corte por medio de la veleta

Miniatura (Long. max. de barra 3m) (3)

ASTM D 4648

Perforación CL, ML, CH, MH

Cu, St

(1) Según clasificación SUCS los ensayos son aplicados a suelos

(2) Leyenda:

Cu = Cohesión en condiciones no drenadas

St = Sensitividad

(3) Solo para suelos finos saturados sin arena ni gravas

Las veletas son esencialmente dos paletas en cruz montadas sobre una varilla que

se introducen con fuerza en el suelo, luego se rotan y se mide el torque necesario

para romperlo. La resistencia al corte se correlaciona con el tamaño de la veleta

y el torque.

Generalmente, la aplicación de estos ensayos es limitada a suelos saturados

cohesivos en condiciones no drenadas, lo suficientemente blandos para permitir

el hincado y rotación de la veleta. Sin embargo, se han realizado ensayos de veleta

en suelos con resistencia pico hasta de 300 kPa (Blight 1969).

Los ensayos de veleta pueden realizarse en el fondo de excavaciones pre-

perforadas o empujando la veleta en el suelo desde la superficie hasta la

profundidad requerida. Este último procedimiento es muy difícil de realizar en

suelos residuales.

Fig.2 Detalle de un ensayo de veleta

7. EQUIPO:

Veleta

Se muestran los dos tipos de veletas normalizadas por este ensayo. Cada una

tendrá cuatro hojas perpendiculares entre sí, y en algunos casos su altura será

el doble del diámetro. Las dimensiones de la veleta deberán ser las

especificadas en la Tabla 1.

Se podrá emplear dimensiones diferentes a las especificadas, únicamente con

autorización previa. Los bordes de las hojas de la veleta que penetran se

deberán afilar, cuidando que no se altere el ángulo de 90° comprendido entre

ellas.

Fig.3 Veletas. Fuentes: J. Salas J. y De Justo A, Vol. 2 (1981)

Fig.4 Tipos de veletas

Tabla 2. Dimensiones aconsejables para aplicación del método

Varillas de extensión

La veleta se deberá operar desde la superficie conectándola con varillas

de torsión, de acero. Estas varillas deberán ser de un diámetro tal, que no

sea excedido su límite elástico cuando la veleta sea sometida a su

capacidad plena. Si es necesario determinar curvas de momento vs.

Rotación, es esencial calibrar las varillas de rotación antes de emplearlas.

La magnitud del giro de la varilla (si lo hubiera) se deberá establecer en

grados por metros por unidad de momento. Esta corrección se hace

progresivamente más importante a medida que aumenta la profundidad;

la calibración se deberá efectuar por lo menos hasta la profundidad

máxima esperada, para el ensayo.

Las varillas de torsión se deberán ajustar muy bien, para evitar cualquier

posibilidad que el ajuste del acople, ocurra cuando se aplique la rotación,

al ejecutar el ensayo. Si se emplea revestimiento para la veleta, las

varillas de torsión se deberán equipar con cojinetes bien lubricados en

los sitios donde ellas pasen a través del mismo.

Estos cojinetes deberán estar provistos de sellos que eviten la entrada de

suelo en ellos. Las varillas de giro se deberán guiar de tal manera, que se

evite el desarrollo de fricción entre ellas y las paredes del revestimiento o

de la perforación.

La fuerza de giro se deberá aplicar a las varillas, quienes, a la vez, la

transmiten a la veleta. La precisión de la lectura del giro deberá ser tal,

que no produzca una variación mayor de ± 1.20 kPa (± 25 lb/pie²) en la

resistencia al corte.

Es preferible aplicar la torsión a la veleta mediante un engranaje de

transmisión. En ausencia de éste, se puede aplicar directamente el giro

mediante una llave de torsión o algo equivalente, con su correspondiente

dispositivo de medición. La duración del ensayo se deberá controlar de

acuerdo con las exigencias indicadas.

Nota: Si es necesario determinar curvas de Momento vs. Rotación, es

esencial calibrar las varillas de rotación antes de emplearlas. La magnitud

del giro de la varilla (si lo hubiera) deberá establecerse en

grados/pie/unidad de momento. Esta corrección se hace progresivamente

más importante a medida que aumenta la profundidad; la calibración

deberá efectuarse por lo menos hasta la profundidad máxima esperada,

para el ensayo.

Fig 5. Ensamblado de la veleta en campo

8. PROCEDIMIENTO

Se introduce la veleta desde el fondo del agujero o de su revestimiento, mediante

un simple empuje hasta la profundidad a la cual se va a efectuar el ensayo,

cuidando que no se aplique torsión durante dicho empuje.

Cuando se emplee revestimiento para la veleta, se deberá avanzar con ella hasta

una profundidad no menor de cinco veces el diámetro del revestimiento por

encima de la profundidad deseada para la punta de la veleta. Cuando no se utilice

revestimiento, se deberá suspender la perforación a una profundidad tal que el

extremo de la veleta pueda penetrar dentro del suelo inalterado, una

profundidad de por lo menos cinco veces el diámetro de la perforación.

Con la veleta en posición, se deberá aplicar el giro que no exceda de 0.1°/seg.

Generalmente se requieren para la falla, entre 2 y 5 minutos, excepto en arcillas

muy blandas en las cuales el tiempo de falla puede elevarse a 10 o 15 minutos.

En materiales más duros, que alcanzan la falla con una deformación pequeña, se

puede reducir el rango del desplazamiento angular de tal manera puede

obtenerse un valor razonable de las propiedades esfuerzo-deformación. Durante

la rotación de la veleta, se deberá mantener ésta a una altura fija. Se deberá

registrar el momento máximo. Con aparatos de transmisión, es aconsejable

anotar los valores intermedios del momento obtenidos en ese instante, a

intervalos de 15 seg o menores, si las condiciones lo exigen.

Después de determinar el máximo momento, se rota rápidamente la veleta un

mínimo de 10 revoluciones; inmediatamente después se determinará la

resistencia remoldeada, en todos los casos dentro del minuto siguiente al

remoldeo.

En los casos en los cuales el suelo este en contacto con la varilla de giro, se

determina la fricción entre la varilla y el suelo por medio de ensayos de giro

efectuados con varillas similares a profundidades equivalentes, sin la veleta

colocada. Se debe efectuar el ensayo de fricción de la varilla por lo menos una

vez en cada sitio.

Para determinar la magnitud de la fricción de los cojinetes o guías, en aparatos

en los cuales la varilla de giro este completamente aislada del suelo, se deberá

realizar un ensayo de fricción con una varilla lisa al menos una vez en cada sitio,

para determinar la magnitud de la fricción de las guías. En dispositivos de veleta

que funciones adecuadamente esta fricción deberá ser despreciable.

Nota: En algunos casos no es necesario remover la veleta para el ensayo

de fricción de cojinetes o guías. En tanto que la veleta no se halle en

contacto con el suelo, esto es, cuando se encuentre dentro de un

revestimiento, no resulta afectada por las medidas de fricción.

Se deberán efectuar ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos,

inalterados y remoldeados. No deben realizarse en ningún suelo que permita el

drenaje o que se dilate durante el periodo de ensayo como arenas o limos, o en

suelos en los cuales la veleta encuentre que puedan influir en los resultados. Se

recomienda no hacer ensayos de veleta con espaciamientos menores de 0.76 m

de ellos. Este espaciamiento se podrá variar cuando sea requerido con la

autorización y responsabilidad del especialista a cargo.

Periódicamente se deberán comprobar las dimensiones de la veleta para

asegurarse que no este desgastada ni distorsionada.

La veleta se introduce hasta la profundidad deseada y se aplica la torsión hasta

que se corte el cilindro de suelo contenido entre el perímetro de la veleta (Carlson

recomienda velocidad angular de 0,1º/seg). El valor obtenido debe corregirse ya

que las investigaciones señalan que entrega valores demasiado altos. Para

corregir Bjerrum (1972) propuso una curva donde el valor de tu se multiplica por

un factor l obtenido del gráfico de la figura 3.7. y así tenemos el tu de diseño.

Diversas investigaciones señalan que a cierta profundidad, dependiendo de la

calidad del muestreo, existe una coincidencia aceptable entre los valores de

resistencia sin drenaje dados por la fórmula y la mitad de la resistencia a la

compresión simple de muestras inalteradas ensayadas en laboratorio. Para

profundidades mayores la resistencia con veleta es mayor, debido a la dificultad

de la toma de muestras.

9. CALCULOS:

Se calcula la resistencia al corte del suelo mediante el empleo de la siguiente

expresión:

𝒔 (𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍 𝒄𝒐𝒓𝒕𝒆) = 𝑻

𝑲

Donde:

T = Momento de giro en N-m (lb-pie)

S = Resistencia al corte de la arcilla en kPa (lb/pie2)

K = Constante que depende de las dimensiones y de la forma de la veleta m3 (pies 3) tal como se indica en las operaciones de la Tabla 3.

Tabla 3. Valor de la constante K (m3 o pies3)

Periódicamente deberán comprobarse las dimensiones de la veleta para

asegurarse de que no esté desgastada ni distorsionada.

Donde:

D = diámetro de la veleta (mm o pulg)

H = altura de la veleta (mm o pulg)

d = diámetro de la varilla (mm o pulg)

El ensayo se aplica en depósitos cohesivos blandos donde la perturbación es

crítica. Consiste en insertar una veleta dentro del suelo y aplicar una torsión.

CONSTANTE K:

10. CORRECCIÓN OBTENIDA:

Cuando los valores de Cu difieren de los obtenidos de los resultados de ensayos

realizados en laboratorio, se hace una corrección para utilizarlo en el diseño:

Fig.6 Gráfico para corregir el valor de resistencia (Bowles J., 1982)

11. INFORME:

Para cada ensayo de veleta regístrense las observaciones siguientes:

a) Fecha del Ensayo.

b) Número del apique o perforación.

c) Tamaño y forma de la veleta (ahusada o rectangular).

d) Profundidad del extremo de la veleta. e) Profundidad del extremo de la

veleta por debajo del revestimiento o fondo del hueco.

e) Lectura máxima del momento y, si se requieren, lecturas intermedias

para el ensayo inalterado.

f) Tiempo del ensayo hasta la falla.

g) Velocidad del remoldeo.

h) Lectura máxima del momento para el ensayo remoldeado.

i) Notas sobre cualquier clase de desviaciones con respecto al

procedimiento normal de ensayo.

Adicionalmente, anótense las observaciones sobre la perforación:

a) Número del sondeo.

b) Sitio.

c) Condiciones del suelo en el sitio.

d) Cota de referencia.

e) Método de ejecución de la perforación.

f) Descripción de la veleta, esto es, si tiene camisa o no.

g) Descripción del método para aplicar y medir el momento.

h) Observaciones sobre la resistencia o la penetración.

i) Nombres del inspector de la perforación y del ingeniero Supervisor.

RESUMEN DEL MÉTODO

El ensayo de corte con veleta consiste, en colocar una veleta de cuatro paletas

dentro del suelo inalterado y girarla desde la superficie para determinar el

torque necesario para cortar una superficie cilíndrica con ella. Este torque se

convierte en una resistencia unitaria al corte de la superficie de falla, mediante

un análisis equilibrio límite.

La fricción de la varilla se minimiza durante las lectura mediante un encamisado

especial o teniéndola en cuenta y sustrayéndola del torque total para

determinar el torque aplicado a la veleta.

Básicamente el extremo inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas

en el extremo de una barra de acero. Después de hincar la veleta en el suelo, se

hace girar aplicando un par de torsiones en el extremo libre de la varilla. Se gira

primero la veleta entre 6 y 12º por minuto para determinar el parámetro de

resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia

remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada

constituye el perímetro y los extremos de un cilindro.

RECOMEN DACION ES

La práctica del ensayo de la veleta son utilizados para suelos cohesivos

saturados, ya que si se realiza en otros suelos los resultados serán variables.

Efectuándose ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos inalterados y

remoldeados. No deben realizarse con ningún suelo que permita el drenaje o

que se dilate durante el periodo de ensayo como en las arenas y limos, o en

suelos en los cuales la veleta se encuentre piedras o conchas que puedan dar

erróneos los resultados.

CON CLUSION ES

El ensayo de la veleta tiene que realizarse en suelos cohesivos blandos y

saturados, en algunos casos no es necesario remover la veleta para el ensayo de

fricción. En tanto que la veleta no se halle en contacto con el suelo, esto es

cuando se encuentre dentro de un revestimiento, no resulta afectado por las

medidas de fricción.

BIBLIOGRAFÍA

Ayala C., F. J; Posse, A. F.J. (2006) Manual de ingeniería de taludes. 1era

edición. Instituto Geológico y Minero de España, Madrid.

González, M., (2011). El terreno. Edicions UPC

William Lambe y Robert V. witman, 1998. Mecánica de Suelos. Primera

edición. Editorial Limusa.

Braja M. Das, 2001. Principio de Ingeniería de cimentaciones.

International Thomson Editores.

http://www.jorgealvahurtado.com/files/Exploracion%20Geotecnica.pdf