Trabajo Ensayo Triaxial

 

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I

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GENERALIDADES

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1.1 INTRODUCCIÓN El esfuerzo cortante en los suelos es el aspecto más importante de la ingeniería civil y geotécnica. La capacidad de soporte de cimentaciones superficiales como profundas, la estabilidad de los taludes y el diseño de muros o paredes de retención, llevan implícito el valor de la resistencia al esfuerzo cortante. Desde otro punto de vista, el diseño de los pavimentos se ve influenciado de una forma indirecta por la resistencia al cortante de los suelos, ya sea en el análisis de la estabilidad de un talud o en el diseño de los muros de retención y de forma directa, a través del diseño de las fundaciones que soportan el pavimento, específicamente, en la subrasante. Por consecuencia, tanto las estructuras como los taludes deben ser estables y seguros frente a un colapso total, cuando éstos sean sometidos a una máxima aplicación de cargas. El esfuerzo cortante de un suelo se ha definido como la última o máxima resistencia que el suelo puede soportar. Específicamente, se ha expresado como la resistencia interna que ofrece la masa de suelo por área unitaria para resistir la falla al deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él. El esfuerzo cortante puede ser determinado de muchas maneras, algunos de los ensayos más comunes inclinadas son la veleta (ASTM D 4648), ensayos de penetración estándar - SPT (ASTM D 1586), así como algunos otros tipos de penetrómetros, los cuales en su mayoría no evitan los problemas asociados con la alteración de la muestra debido a su extracción en el campo, sin dejar de lado que ofrecen información sumamente importante. Sin embargo, muchos de esos métodos determinan la resistencia al cortante indirectamente a través de correlaciones. Por otra parte, en el laboratorio existe una serie de ensayos que usualmente se realizan dentro del ámbito de la ingeniería para evaluar las propiedades de resistencia de cada material que conforma el subsuelo. Entre estos se pueden citar la resistencia a la compresión uniaxial (ASTM D 2166), corte directo (ASTM D 3080 y ASTM D 6528) y los ensayos de compresión triaxial (ASTM D 4767 y ASTM D 2850). El ensayo Triaxial constituye el método más versátil en el estudio de las propiedades esfuerzo-deformación. Con este ensayo es posible obtener una gran variedad de estados reales de carga. Esta prueba es la más común para determinar las propiedades esfuerzo - deformación. Una muestra cilíndrica de un suelo es sometida a una presión de confinamiento en todas sus caras. A continuación, se incrementa el esfuerzo axial hasta que la muestra se rompe. Como no existen esfuerzos tangenciales sobre las caras de la muestra cilíndrica, el esfuerzo axial y la presión de confinamiento, son los esfuerzos principal mayor y principal menor respectivamente. Al incremento de esfuerzo axial, se denomina esfuerzo desviador.

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1.2 OBJETIVOS 

Conocer los parámetros del suelo y las relaciones esfuerzo-deformación a través de la determinación del esfuerzo cortante. Es un ensayo complejo pero los resultados que arroja son los más representativos en el esfuerzo cortante que sufre una masa de suelo al ser cargada. Consiste en colocar una muestra cilíndrica de suelo dentro de una membrana de caucho o goma que se introduce en una cámara especial y se aplica una presión igual en todos los sentidos y dirección. Alcanzando ese estado de equilibrio, se aumenta la presión normal o axial sin modificar la presión lateral aplicada, hasta que produzca la falla.



Conocer los distintos tipos de este ensayo y poder hacer comparaciones entre ellos, sus funcionalidades, velocidad de ejecución, e tc.



El objetivo fundamental de informe es que nos familiaricemos con la realización de ensayos triaxiales en suelos; es decir, que vea cómo se preparan las muestras, se colocan en el aparato, se saturan, se consolidan y se les aplican las condiciones de ensayo que se hayan establecido para cada caso, incluye la descripción de los equipos a utilizar.



El ensayo triaxial es utilizado habitualmente para determinar las propiedades resistentes y deformacionales de un suelo, cuando éste está sometido a un estado de tensiones tal que dos de las tensiones principales son iguales y donde los ejes principales de tensiones no giran.



El ensayo triaxial es una prueba realizada para la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de reconocimiento de un reconocimiento geotécnico. Este ensayo se ejecuta sobre las muestras previamente obtenidas en el terreno y, dependiendo del tipo de ensayo, debemos de conocer las distintas calidades de muestra a utilizar, lo cual es un objetivo también importante.

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FUNDAMENTO TEÓRICO

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2.1 DEFINICIÓN La prueba de ensayo triaxial es uno de los métodos más confiables para determinar los parámetros de la resistencia al cortante. En un ensayo triaxial, un espécimen cilíndrico de suelo es revestido con una membrana de látex dentro de una cámara a presión. La parte superior e inferior de la muestra tiene discos porosos, los cuales se conectan al sistema de drenaje para saturar o drenar el espécimen. En estas pruebas se pueden variar las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales sobre el espécimen de suelo, efectuando

mediciones

sobre

sus

características mecánicas en forma completa. Los especímenes usualmente están sujetos a presiones

laterales

de

un

líquido,

generalmente agua. El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor comunicado con ella. La carga axial se transmite al espécimen por medio de un vástago que atraviesa la parte superior de la cámara. La presión que se ejerce con el agua que llena la cámara es hidrostática y produce, por lo tanto, esfuerzos principales sobre el espécimen, iguales en todas las direcciones, tanto lateral como axialmente. En las bases del espécimen actuará además de la presión del agua, el efecto transmitido por el vástago de la cámara desde el exterior. La prueba triaxial de corte es uno de los métodos más confiables para determinar los parámetros de la resistencia cortante. Se usa ampliamente tanto para investigaciones como para pruebas convencionales. La prueba se considera confiable por las siguientes razones: 

Proporciona información sobre el comportamiento esfuerzo-deformación unitaria del suelo, cosa que no hace la prueba de corte directo.



Proporciona condiciones más uniformes de esfuerzo que la prueba de corte directo con sus concentraciones de esfuerzos a lo largo del plano de falla.



Proporciona más flexibilidad en términos de trayectoria de carga.

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En la siguiente figura se muestra un diagrama del arreglo de la prueba triaxial:

Se proporcionan también conexiones para medir el drenaje hacia dentro o hacia afuera del espécimen, o para medir la presión de poro del agua (según las condiciones de la prueba).

2.2 TIPOS DE PRUEBAS TRIAXIALES Tres tipos estándar de pruebas triaxiales son generalmente llevadas a cabo: 

Prueba consolidada-drenada o prueba drenada (prueba CD).



Prueba consolidada-no drenada (prueba CU).



Prueba no consolidada-no drenada o prueba no drenada (prueba UU).

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2.2.1 Prueba consolidada-drenada o prueba drenada (prueba CD) En la prueba consolidada-drenada, el espécimen se somete primero a una presión de confinamiento (  ) a todo su alrededor mediante compresión del fluido de la cámara, como se muestra en el siguiente cuadro.

PRUEBA TRIAXIAL CONSOLIDADA-DRENADA

Espécimen bajo presión de confinamiento  Aplicación del esfuerzo desviador. en la cámara.

Conforme se aplica la presión de confinamiento, la presión de poro del agua del espécimen se incrementa en la cantidad ( ) ; dicho aumento de la presión de poro del agua se expresa en forma de un parámetro adimensional:

=

 

Donde B es el  parámetro de la presión de poros de Skempton. Para suelos blandos saturados, B es aproximadamente igual a 1; sin embargo, para suelos firmes saturados, la magnitud de B es menor que 1. Black y Lee dieron valores teóricos de B para varios suelos completamente saturados, los cuales se muestran a continuación:

Tipo de suelo Arcilla blanda normalmente consolidada Arcillas blandas ligeramente consolidadas y limos Arcillas firmes preconsolidadas y arenas Arenas muy densas y arcillas muy firmes bajo altas presiones de confinamiento

Valor teórico 0.9998 0.9988 0.9877 0.9130

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Efectos en los distintos tipos de suelos:

Cambio de volumen del espécimen causado  por la presión de confinamiento en cámara.

Gráfica del esfuerzo desviador versus deformación unitaria en la dirección vertical  para arena suelta y una arcilla normalmente consolidada.

Gráfica del esfuerzo desviador versus deformación unitaria en la dirección vertical  para arena densa y una arcilla  preconsolidada.

Cambio de volumen en arena suelta y arcilla normalmente consolidada durante la aplicación del esfuerzo desviador.

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Cambio de volumen en arena densa y arcilla  preconsolidada durante la aplicación del esfuerzo desviador.

Cuando la conexión al drenaje se mantiene abierta, tiene lugar la disipación del exceso de presión de poro del agua, y por consiguiente la consolidación. Con el tiempo, () se volverá igual a cero. En suelo saturado, el cambio en el volumen del espécimen (∆ ) que tiene lugar durante la consolidación se obtiene del volumen de agua de poro drenada. El esfuerzo desviador (∆ ) sobre el espécimen entonces es incrementado a una velocidad muy pequeña. La conexión al drenaje se mantiene abierta y la lenta velocidad de aplicación del esfuerzo desviador permite la completa disipación de cualquier presión de poro del agua que se desarrolle como consecuencia (∆  = 0). Como la presión de poro del agua desarrollada durante la prueba es completamente disipada, tenemos: Esfuerzo de confinamiento total y efectivo =   = ´ Y Esfuerzo axial total y efectivo en la falla =  + (∆ )   =  + ´ En una prueba triaxial, ´1  es el esfuerzo efectivo principal mayor en la f alla y ´ es el esfuerzo efectivo principal menor en la falla. Varias pruebas sobre especímenes similares se conducen variando la presión de confinamiento. Con los esfuerzos principales mayor y menor en la falla para cada prueba, se dibujan los círculos de Mohr y se obtienen las envolventes de falla. La figura que continúa muestra el tipo de envolvente de falla del esfuerzo efectivo obtenida para pruebas en arena y arcilla normalmente consolidada. Las coordenadas del punto de tangencia de la envolvente de falla con un círculo de Mohr (es decir, el punto  A) da los esfuerzos (normal y cortante) sobre el plano de falla de ese espécimen de prueba.

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(Envolvente de falla por esfuerzo efectivo de pruebas drenadas en arena y arcilla normalmente consolidada).

La preconsolidación resulta cuando una arcilla es inicialmente consolidada bajo una presión a todo su alrededor en la cámara de   (= ´ ) y se permite que se expanda cuando la presión de la cámara es reducida a 3  (= ´3 ) La envolvente de falla obtenida de pruebas triaxiales drenadas en tales especímenes de arcilla preconsolidada muestra dos ramas distintas ab y bc como se ve a continuación.

( Envolvente de falla por esfuerzo efectivo para arcilla preconsolidada).

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La porción ab tiene una pendiente más plana con un valor de cohesión, y la ecuación de la resistencia cortante para esta rama se escribe como:

   =  + ´ La porción be de la envolvente de falla representa una etapa normalmente consolidada del suelo y obedece a la ecuación:

   = ´ Una prueba triaxial consolidada-drenada (CD) sobre un suelo arcilloso lleva varios días en terminarse; tiempo necesario para aplicar un esfuerzo desviador a muy poca velocidad y garantizar un drenaje completo del espécimen de suelo. Por esta razón, el tipo CD de prueba triaxial no es usada comúnmente.

2.2.2 Prueba consolidada-no drenada (prueba CU) En este tipo de prueba, el espécimen se consolida primeramente bajo la presión hidrostática; así el esfuerzo llega a ser efectivo, actuando sobre la fase sólida del suelo. En seguida, la muestra se lleva a la falla por un rápido incremento de la carga axial, de manera que no se permita cambio de volumen. El hecho esencial de este tipo de prueba es el no permitir ninguna consolidación adicional durante el periodo de falla, de aplicación de la carga axial. Esto se logra fácilmente en una cámara de compresión triaxial cerrando la válvula de salida de las piedras porosas a la bureta. En la segunda etapa de una prueba rápida consolidada podría pensarse que todo el esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacíos del suelo en forma de presión neutral, ello no ocurre así y se sabe que parte de esa presión axial es tomada por la fase sólida del suelo, sin que, hasta la fecha, se hayan dilucidado por completo ni la distribución de esfuerzos, ni las razones que lo gobiernan. De hecho, no hay ninguna razón en principio para que el esfuerzo desviador sea íntegramente tomado por el agua en forma de presión neutral, si la muestra estuviese lateralmente confinada, como el caso de una prueba de consolidación. El ensayo CU (consolidado-no drenado) se realiza generalmente con medición de la presión de poros o neutra con el fin de determinar los parámetros de “C” y “φ” en términos de esfuerzos totales y esfuerzos efectivos.

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2.2.3 Prueba no consolidada-no drenada o prueba no drenada (prueba UU) En este tipo de prueba no se permite en ninguna etapa la consolidación de la muestra. La válvula de comunicación entre el espécimen y la bureta permanece siempre cerrada impidiendo el drenaje. En primer lugar, se aplica al espécimen una presión hidrostática y de inmediato, se falla el suelo con la aplicación rápida de la carga axial. Los esfuerzos efectivos en esta prueba no se conocen bien. El ensayo UU es usualmente llevado a cabo sobre especímenes de arcilla, enmarcando la realización del ensayo dentro del concepto de resistencia para suelos cohesivos saturados, en donde se expresan los resultados en términos de esfuerzos totales. La envolvente de falla para los criterios de Mohr del esfuerzo total se convierte en una línea horizontal, con una condición d e φ = 0° (ángulo de fricción) y τf = Cu, siendo Cu la resistencia al cortante no drenada, la cual es igual al radio de los círculos de Mohr.

2.3 APLICACIONES 2.3.1 En Fundaciones Para fundaciones colocadas en terrenos arcillosos, la condición inmediatamente después de completar la construcción es casi siempre la mas crítica. Esto es porque la carga completa es aplicada al terreno y éste no ha tenido tiempo para ganar la resistencia adicional por consolidación. Por estas condiciones la resistencia al corte es determinada por pruebas al corte Triaxial. Para pequeños proyectos sobre los cuales el gasto de un programa de ensayos no se justifica, la capacidad de carga en suelos de arcilla saturada se puede calcular con el ensayo.

2.3.2 Estabilidad de Taludes En cualquier caso, de construcción de taludes, sean estos hechos por la mano del hombre o formados naturalmente en faldas de montaña o bordes de río, se tiene por resultado componentes gravitacionales del peso que tienden a movilizar el suelo desde un nivel más alto hasta uno más bajo. La filtración puede ser una causa muy importante para movilizar el suelo cuando el agua está presente, estas fuerzas variantes producen esfuerzos cortantes en la masa del suelo, y ocurrirá movimiento, a menos que la resistencia al corte sobre cada posible superficie de falla a través de la masa sea mayor que el esfuerzo actuante.

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2.3.3 Empujes Al proyectarse estructuras de sostenimiento, debe asegurarse solamente que no solo se produzca el colapso o falla. Desplazamientos de varios centímetros no suelen tener importancia, siempre que se asegure que no se producirán repentinamente desplazamientos más grandes. Por ello el método para el proyecto de estructuras de retención suele consistir en estudiar las condiciones que existirán en una condición de falla, introduciendo factores de seguridad convenientes, para evitar el colapso. Una solución completa y exacta para un caso activo o pasivo de equilibrio limite, debe cumplir las siguientes condiciones: 

Cada punto del terreno debe estar en equilibrio.



La condición de falla Mohr - Coulomb debe cumplirse en todos los puntos.



Los esfuerzos al interior de la masa deben estar en equilibrio con los exteriores.

2.4 VENTAJAS 

La muestra no es forzada a inducir la falla sobre una superficie determinada.



Consecuentemente, una prueba de compresión puede revelar una superficie débil relacionada a alguna característica natural de la estructura del suelo.



Las tensiones aplicadas en pruebas de compresión en laboratorio son una aproximación de aquellas que ocurren en situ.



Las tensiones aplicadas son las tensiones principales y es posible realizar un estrecho control sobre las tensiones y las deformaciones.



Las condiciones de drenaje pueden ser controladas y es posible una gran variedad de condiciones de prueba.

2.4 LIMITACIONES 

En algunos casos de arcilla el tamaño de la muestra puede tener importantes efectos sobre la resistencia medida.



Se deben confeccionar o tomar muestras de diámetros que representen adecuadamente grietas y discontinuidades en una muestra de suelo.

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III

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PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

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3.1 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO TRIAXIAL CD PREPARACIÓN DEL ESPÉCIMEN Y MONTAJE INICIAL Listos los tres especímenes, se procede a instalarlos en las celdas, se revisa la manguera de ingreso de contrapresión. Colocar el papel filtro sobre la piedra porosa húmeda y sobre este espécimen. Luego de esto colocar la membrana o látex alrededor del espécimen, por seguridad siempre se recomienda el uso de dos membranas y los anillos de jebe, dos en la parte superior y dos en la parte inferior. Colocar el trípode (antes de hacer esto el pistón del trípode estará elevado y ajustado caso contrario en el momento de ser colocado, el pistón comprimirá a la muestra). Luego se ajustarán los pernos por igual, el ajuste será moderado, con mucho cuidado se desajustará el pistón y se dejará caer sobre el espécimen el contacto deberá ser apenas, dependiendo de la densidad del material con el que se esté trabajando.

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Luego se limpiará los bordes de la base, se colocará la celda (en los bordes de la celda se aplicará una pequeña película de grasa de silicona) se hará giros evitando que haya fricción y hacemos los ajustes correspondientes en la parte superior, el perno estará abierto para liberar vacíos. Conectar las mangueras de ingreso de contrapresión y presión vertical en la celda. Adaptar el deformímetro en la parte superior de la celda para controlar la deformación de la muestra.

INSTALACIÓN DE ESPECÍMENES USANDO EL MOLDE PARTIDO El proceso es el mismo, pero en este se debe tener especial cuidado ya que el espécimen es una arena limpia que fácilmente puede ser afectado ante un movimiento inadecuado. Poner la membrana o látex luego instalar el molde partido y colocar el papel filtro sobre la piedra porosa. Aplicar presión de succión mediante un pequeño motor para fijar el látex a las paredes del molde partido, luego remoldar usando 5 capas y seguir la instalación convencional.

LLENADO DE LA CELDA TRIAXIAL Ese es el siguiente paso y así se termina la etapa de saturación de la muestra.

FASES DEL ENSAYO 

Aceleración de la saturación de arenas con CO2.



Lectura del parámetro de Skempton (B).



Procedimiento para la etapa de consolidación.



Comprobación si la muestra ya se encuentra consolidada.



Etapa de aplicación de carga.

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IMÁGENES DEL ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO DRENADO

Figura 1: Puesta de la muestra. Figura 2: Colocación del látex y entre la parte superior e inferior deben ir las piedras porosas. Figura 3: Controles de presión, contrapresión y del agua. Figura 4: Equipo para el ensayo triaxial consolidado drenado.

Figura 5: Calibración de instrumentos para el ensayo triaxial.

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Figura 6: Resultado luego de haber sido ensayada la muestra, dentro de la cápsula. Figura 7: Resultado luego de haber sido ensayada la muestra.

3.2 OBSERVACIONES 

Prueba de CD o una prueba lenta es una de las condiciones de la prueba de corte de laboratorio. Las otras dos condiciones son la prueba UU y prueba de CU. UU prueba tiene una baja resistencia al corte. Mientras que en CU se extrae la humedad debido a la presión alta.



Prueba de CD es comparativamente más lentos que otros. Se utiliza únicamente para los fines de búsqueda. Se requiere más tiempo y dinero que otros métodos. En esta prueba se produce la consolidación del suelo bajo carga normal y el drenaje se permite durante la consolidación.

3.3 RECOMENDACIONES Se recomienda obtener las probetas de un mismo bloque de suelo y perfilarlas en dirección a como fueron obtenidas, si no se efectúa de esta manera, los resultados pueden variar y el ensayo no dar el resultado correcto.

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IV EJERCICIOS DESARROLLADOS

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PROBLEMA 01 Para una arcilla normalmente consolidada, los siguientes son los resultados de una prueba triaxial drenada: Presión de confinamiento en la cámara = 112 KN/m 2 Esfuerzo desviador en la falla = 175 KN/m 2 a. Encuentre el ángulo de fricción . b. Determine el ángulo  que el plano de falla forma con el plano principal mayor.

SOLUCIÓN:

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PROBLEMA 02 Se somete a ensayo triaxial, una muestra de arena densa, el ángulo de fricción interna es aproximadamente 37 o; si la presión menor es de 2 Kg/cm 2: a. ¿Cuál será la presión principal mayor de rotura? b. ¿Cuál será la presión principal mayor de rotura, si la arena tiene una cohesión igual a 0.10 Kg/cm3?

SOLUCIÓN:

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BIBLIOGRAFÍA

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Fundamentos de Ingeniería Geotécnica - Braja M. Das

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Mecánica de Suelos y Cimentaciones - Ing. Ángel H. Borda

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Ensayos triaxiales para suelos - Ing. Oscar Valerio Salas, LanammeUCR

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Mecánica de los Suelos - Gonzalo Duque Escobar  y Carlos Enrique Escobar

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