Caracterización Geotécnica de Suelos: El Ensayo de Corte Directo

El Ensayo de Corte Directo en la Caracterización de Suelos

La finalidad principal de los ensayos de corte es determinar la resistencia al corte de una muestra de suelo. Esta resistencia es crucial para comprender cómo el suelo se comportará bajo los esfuerzos y deformaciones que simulan las condiciones existentes o futuras en el terreno, debido a la aplicación de diversas cargas.

Metodología del Ensayo de Corte Directo

Para evaluar esta resistencia en laboratorio, se emplea comúnmente el aparato de corte directo. Este dispositivo consiste típicamente en una caja de sección cuadrada o circular, dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de esta caja se coloca la muestra de suelo, flanqueada por piedras porosas en ambos extremos para permitir el drenaje.

El procedimiento implica la aplicación de una carga vertical de confinamiento (Pv) sobre la muestra. Posteriormente, se aplica una carga horizontal (Ph) creciente, la cual induce un desplazamiento y, eventualmente, la falla del suelo.

Esfuerzos Involucrados y la Ecuación de Coulomb

El ensayo de corte directo induce la falla del suelo a través de un plano predeterminado. Sobre este plano de falla actúan dos tipos de esfuerzos fundamentales:

• Un esfuerzo normal (σn): Aplicado externamente, resultante de la carga vertical (Pv).
• Un esfuerzo cortante (τ): Generado por la aplicación de la carga horizontal.

Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (A) de la muestra o de la caja de corte. Idealmente, deben satisfacer la fundamental ecuación de Coulomb, que describe la resistencia al corte de los suelos:

τ = c + σn * Tg(φ)

Según esta ecuación, la resistencia al corte del suelo depende directamente de dos parámetros intrínsecos del material: la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (φ).

Determinación de Parámetros de Resistencia

Durante la aplicación de la fuerza horizontal, se registran continuamente las deformaciones. Con estos valores, es posible graficar la tensión de corte (τ) en función de la deformación (ε) en el plano de corte. El punto máximo de tensión en esta gráfica se considera la resistencia al corte del suelo para esa carga normal específica.

Para obtener los parámetros de resistencia (c y φ), los valores de τ (resistencia al corte máxima para diferentes cargas normales) se representan en un gráfico en función del esfuerzo normal (σn). Esta representación genera la recta intrínseca, donde τ se ubica en el eje de ordenadas y σn en el eje de abscisas. El ángulo que forma esta recta con el eje horizontal es el ángulo de fricción interna (φ), y el intercepto con el eje τ representa la cohesión (c).

Tipos de Ensayos de Corte Directo

Los ensayos de corte directo se clasifican principalmente según las condiciones de drenaje y consolidación aplicadas a la muestra:

Ensayo No Consolidado No Drenado (UU)

Este es un ensayo rápido. El corte se inicia antes de que la muestra se consolide bajo la carga normal (Pv). Si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará un exceso de presión de poros. Generalmente, la recta intrínseca en el diagrama de τ contra σ es horizontal, indicando que τ = Cu (resistencia al corte no drenada). No se permite el drenaje de la muestra en ninguna fase del ensayo.

Ensayo Consolidado No Drenado (CU)

En este ensayo, se permite que la muestra drene o se consolide durante la aplicación de la carga vertical. Esto asegura que, al momento de aplicar el esfuerzo de corte, las presiones intersticiales sean nulas. Sin embargo, durante la aplicación del esfuerzo cortante, no se permite el drenaje. La aplicación de la tensión de corte es rápida para evitar que la presión de poros se disipe. Estos ensayos no son adecuados para suelos altamente permeables. Es fundamental medir el movimiento vertical durante la consolidación (drenaje) para determinar cuándo se ha completado este proceso.

Ensayo Consolidado Drenado (CD)

La velocidad de corte en este ensayo es lenta, permitiendo el drenaje completo de la muestra durante todo el proceso. Las presiones intersticiales (μ) son nulas durante la aplicación del esfuerzo cortante (μ = 0). Esto implica que los esfuerzos totales son iguales a los efectivos (σ = σ'), y los parámetros de resistencia obtenidos son los efectivos (c = c', φ = φ').

Clasificación por Aplicación del Esfuerzo Horizontal

Además de las condiciones de drenaje, los ensayos de corte directo también se pueden clasificar según la forma en que se aplica el esfuerzo horizontal:

Ensayos de Tensión Controlada

En este método, el esfuerzo horizontal se aplica de forma incremental. Se miden las deformaciones hasta que se estabilizan. Luego, la fuerza horizontal se incrementa nuevamente, y así sucesivamente, hasta que las deformaciones ya no se estabilizan, lo que indica que se ha superado la carga de rotura del suelo.

Ensayos de Deformación Controlada

Aquí, la mitad móvil de la caja de corte se desplaza a una velocidad constante y predeterminada. Los esfuerzos horizontales resultantes se miden continuamente mediante un anillo dinamométrico conectado en serie con el sistema de aplicación de la fuerza horizontal.