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ensayO triaxial
DESCRIPCIÓN BREVEEs utilizado para definir resistencia al corte de suelos y rocas en diferentes casos de tensión efectiva.
Nombre: Oscar PalmaProfesora: Lili Lastra
Índice
Generalidades……………………………………………………………………………………………………………………..…… 4pg
Aplicaciones……………………………………………………………………………………………………………………………….pg5
En fundaciones………………………………………………………………………………………………………..pg5
Estabilidad en taludes……………………………………………………………………………………………..pg5
Empujes…………………………………………………………………………………………………………………..pg5
Teoría para el ensayo………………………………………………………………………………………………………………….pg6
Esfuerzo principales………………………………………………………………………………………………..pg6
Ciculo de mohr……………………………………………………………………………………………….pg6; pg7
Esfuerzo de desviación……………………………………………………………………………………pg7; pg8
Criterio falla de mohr……………………………………………………………………………………………..pg9
Pruebas de compresión triaxial de resistencia al esfuerzo constante………………………………pg10; pg11
Tipos de ensayos………………………………………………………………………………………………………………………pg12
Prueba lenta (Símbolo L)………………………………………………………………………………..…….pg12
Prueba rápida consolidada (Símbolo Rc)……………………………………………………..pg12; pg13
Prueba rápida (Símbolo R)…………………………………………………………………………………….pg13
Prueba de compresión simple (Símbolo Cs)………………………………………………………….pg13
Diferencia entre los ensayos triaxial consolidado no drenado y consolidado drenado……………..pg14
Ventajas y limitaciones..……………………………………………………………………………………………………………pg15
Implementación del ensayo triaxial…………………………………………………………………………………pg16; pg17
Ensayo compresión triaxial……………………………………………………………………………………………..pg18; pg24
Ensayo triaxial consolidado no drenado………………………………………………………………………….pg25; pg29
Formulas…………………………………………………………………………………………………………………….…..pg30; pg33
Conclusión……………………………………………………………………………………………………………………………..…pg34
Blbiografia………………………………………………………………………………………………………………………………..pg35
IntroducciónEn este informe que se le hara entrega tiene por objetivo dar a conocer qué es el ensayo triaxial, lo cual trataremos de realizar un análisis general sobre este ensayo, estudiaremos su campo de aplicación y podremos determinar así cuando se hace necesario utilizarlo.
Para comprender en qué consiste el ensayo triaxial se hace necesario conocer la teoría del ensayo: en qué se basa, cuáles son las herramientas matemáticas y los análisis que deben hacerse para interpretar los resultados, sólo así podremos concluir las propiedades del suelo ensayado.
Finalmente, se darán a conocer los diferentes tipos de ensayos triaxiales que existen comparándolos entre ellos, y se concluirá con un análisis de las ventajas y limitaciones de éste; Además se tratará de complementar este informe con la explicación de un par ejemplos de ejercicios tipo que puedan dejar más claro el contenido.
Generalidades
Debido a que el suelo es un material tan complejo, ninguna prueba bastará por si sola para estudiar todos los aspectos importantes del comportamiento esfuerzo-deformación.
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.
La realización de este ensayo viene regulada por la norma ASTM D4767 “Determinación de los parámetros resistentes de una muestra de suelo en el equipo triaxial”. Este ensayo tiene por objeto la determinación de las relaciones tensión-deformación, los parámetros resistentes, cohesión c y ángulo de rozamiento interno f y las trayectorias de tensiones totales y efectivas de un suelo sometido a una presión externa, igual en todas las direcciones, que se aplica a la muestra envuelta en una membrana de goma por medio del fluido que lo rodea. Este ensayo suele realizarse sobre tres muestras de un mismo suelo, saturadas y sometidas cada una de ellas a una tensión efectiva diferente, en un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de rotura de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los parámetros f y c del suelo.
Aplicaciones
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 C.N.C.
2. Estabilidad en 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.
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.
Teoría para el ensayo
1. Esfuerzos principales
En una prueba de compresión cilíndrica, la falla ocurre debido al corte, por ello es necesario considerar la relación entre la resistencia al corte y la tensión normal que actúa sobre cualquier plano dentro del cuerpo a compresión.
En una prueba de compresión, una muestra de suelo está sujeta a fuerzas compresivas que actúa en tres direcciones, en ángulos rectos entre sí, respectivamente; uno en la dirección longitudinal, los otros dos lateralmente. Los tres planos perpendiculares sobre los cuales estas tensiones actúan, son conocidos como los planos principales, y las tensiones como las tensiones principales.
Muchos de los problemas de mecánica de suelos son considerados en dos dimensiones, y solo son usadas las tensiones principales mayor y menor. A la influencia de la tensión principal intermedia se le resta importancia.
2. Circulo de mohr
Representación grafica de los estados de esfuerzo de una muestra de suelo, sometida a una prueba de compresión Triaxial.
En el circulo de Mohr se deben notar los siguientes puntos:
El eje horizontal representa las tensiones normales, y el eje vertical representa las tensiones de corte, todas dibujadas en la misma escala.
Los extremos del diámetro del circulo, están definidos por los valores de σ3 y σ1, medidos desde el origen.
El punto P, tiene por coordenadas las tensiones normales y de corte sobre un plano inclinado en un ángulo con respecto a la horizontal. Alternativamente P puede ser encontrado trazando un radio desde el centro C a un ángulo 2α con respecto a la horizontal. En un plano inclinado de α, la tensión normal es igual a OQ y la tensión de corte es igual a PQ.
El diámetro del circulo es igual a (σ1 – σ3), la diferencia de tensiones principales es conocida como “esfuerzo desviador”, y esta dada por la formula:
La máxima tensión de corte es representada por el punto P ( punto mas alto del circulo), y es igual al radio.
Un plano sobre el cual ocurre la máxima tensión de corte, esta inclinado en 45º con respecto a la horizontal.
El centro del circulo C, esta a una distancia:
3. Esfuerzo de desviación
Cuando una probeta cilíndrica de longitud L y diámetro D, se somete a una prueba de compresión Triaxial, será cargada en dos etapas:
a. Se aplica la presión completa (alrededor de la muestra) denotada por σ3 (Fig. 5.29), Esta actúa igualmente en todas las direcciones, así las tensiones radial y axial serán igual a σ3, o ninguna tensión de corte es inducida en la muestra.
b. Una carga axial P se aplicará desde afuera de la celda y es progresivamente incrementada. La tensión adicional causada por P, es solamente en la dirección axial y es igual a P/A.
Finalmente la tensión axial total, denotada por σ1, es igual a (σ3 + P/A), es decir:
σ1 = σ3 + P/A
Esta ecuación puede ser ordenada de la siguiente manera:
(σ1 – σ3) = P/A
La diferencia de las tensiones principales (σ1 – σ3) se conoce con el nombre de esfuerzo desviador.
En una prueba la presión de la celda σ3, es mantenida constante a un valor dado, mientras que la tensión desviadora es gradualmente incrementada.Generalmente la tensión de falla estará representada por el máximo de la tensión de desviación.
4. Criterio falla de mohr
A partir de una serie de pruebas de compresión, llevadas a cabo sobre muestras idénticas de suelo, con presiones de confinamiento diferentes,
representadas por un conjunto de círculos de Mohr que representan la falla, se busca en la práctica que una envolvente de falla es tangente a estos círculos, la que es representada aproximadamente como una línea recta sobre un amplio rango de tensiones.
La forma de la envolvente es conocida como el diagrama de Mohr.
Si el circulo de Mohr toca la envolvente, la resistencia máxima del suelo ha sido alcanzada, es decir, la falla ha ocurrido en un plano determinado.
Un círculo de Mohr que intercepta a la envolvente y sobrepasa a esta, no tiene significado físico, porque una vez que la envolvente es alcanzada, la falla ocurre y el suelo no puede ofrecer más resistencia al corte.
5. Pruebas de comprecion triaxial de resistencia al esfuerzo constante
Esta prueba en la actualidad son, con mucho, las más usadas en cualquier laboratorio para determinar las características de esfuerzo-deformación y de
Círculo de Mhor para esfuerzos totales. Diametro 70mm.
resistencia a los suelos. Teóricamente son pruebas en las que se podría variar a voluntad las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales sobre una muestra de suelo cilíndrica, efectuando mediciones sobre sus características mecánicas en forma completa. En realidad y buscando sencillez en su realización, en las pruebas que hoy se efectúan, los esfuerzos en dos dirección son iguales. Las muestras cilíndricas del suelo están sujetas a presiones laterales de un líquido, generalmente agua, del cual se protegen con una membrana impermeable. Para lograr el debido confinamiento, la muestra se coloca en el interior de una cámara cilíndrica y hermética, de lucita, con base metálica (ver figura 4 esquema de cámara de compresión triaxial). En la base de la piedra se colocan piedras porosas, cuya comunicación con una bureta exterior puede establecer a voluntad con segmentos de tubos plásticos (Tubos Sarán). El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor comunicado con ella. La carga axial se transmite a la muestra por medio de un vástago que atraviesa la base superior de la cámara.
La presión que se ejerce con el agua que llena la cámara es hidrostática y produce esfuerzos principales sobre la muestra, iguales en todas las direcciones, tanto lateral como axialmente. En las bases de la muestra actuará, además de la presión del agua, el efecto transmitido por el vástago de la cámara desde el exterior.
Se han desarrollado otras modalidades de pruebas triaxiales. En una de ellas, ya bastante usada, el esfuerzo transmitido por el vástago es de tensión, disminuyendo así la presión axial actuante sobre la muestra durante la prueba; en otra, se varia la presión lateral, modificando la presión de cámara dada con el agua, pero se mantiene la presión axial constante, para los que son precisos los ajustes correspondientes en la presión transmitida por el vástago. Finalmente, sobre todo en trabajos de investigación, se están efectuando pruebas en las que se hace variar tanto el esfuerzo axial como el lateral.
Las pruebas triaxiales pueden clasificarse en dos grupos:
- Pruebas de compresión: Son aquellas en las que la dimensión original axial de la muestra disminuye.
- Pruebas de extensión: Aquellas en las que dicha dimensión se hace aumentar durante la prueba.
El estado de esfuerzo en un estante dado se considera uniforme en toda la muestra y puede analizarse recurriendo a las soluciones graficas de Mhor.
Debe observarse que en una cámara triaxial el suelo esta sujeto a un estado de esfuerzo tridimensionales que aparentemente debería tratarse con la solución de Mhor.
Fig. 4 Esquema de cámara compresión triaxial.
6. Tipos de ensayos.
Las pruebas triaxiales suelen ser constituidas por dos etapas:
La primera es aquella en que se aplica a la muestra la presión de cámara, durante ella puede o no permitirse o no el drenaje de la muestra, abriendo o cerrando la válvula de salida del agua atreves de las piedras porosas.
En las segunda etapa, la muestra es sometida a esfuerzos cortantes
A continuación se procederá a describir los diferentes tipos de ensayos triaxiales que se realizan.
6.1. Prueba lenta (Símbolo L). Prueba con consolidación y con drenaje
La característica fundamental de la prueba es que los esfuerzos aplicados al espécimen son efectivos. Primeramente se prepara y compacta la muestra, luego viene la etapa de saturación de la probeta donde se somete al suelo a una presión hidrostática, teniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta. Se deben eliminar todas las burbujas de aire de la probeta.
Luego, en la etapa de consolidación, se recomienda aplicar la presión de confinamiento incrementándola en pequeños intervalos con el fin de no perturbar la muestra, y una vez alcanzada la presión total de confinamiento, se deja consolidar la muestra el tiempo que sea necesario.
Finalmente se registra la variación de volumen sufrida por la probeta, antes y después de la consolidación. Este dato es acumulativo y se le adiciona a las deformaciones. A continuación la muestra es llevada a la falla, ésta deberá ser cuidadosamente observada, tomándose notas del desarrollo de grietas, abultamientos, perdida de verticalidad, etc. Es recomendable disminuir la magnitud del incremento de carga a la mitad, cercanos a la falla. Después de que el espécimen haya fallado o que su deformación axial sobrepase el 20%, cesara el proceso y se procederá a quitar la presión de cámara, liberar la carga axial y sacar el extensómetro que mide las deformaciones del largo de la probeta.
6.2. Prueba rápida-consolidada. (Símbolo Rc). Prueba con consolidación y sin drenaje.
En este tipo de prueba, el espécimen se consolida primeramente bajo la presión hidrostática, como en la primera etapa de la prueba lenta; así, el esfuerzo llega a ser efectivo, actuando sobre la fase sólida del suelo. En seguida, la muestra es llevada 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; una vez hecho esto, el requisito es cumplido independientemente de la velocidad de aplicación de
la carga axial; sin embargo, parece no existir duda de que esa velocidad influye en la resistencia del suelo, aun con drenaje totalmente restringido.
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 qué parte de esa presión axial es tomada por la fase sólida del suelo, sin que, hasta la fecha, se hayan dilucido por completo ni la distribución de esfuerzos, ni las razones que la gobiernan. De hecho no hay ninguna razón en principio para que el esfuerzo desviador íntegramente tomado por el agua en forma de presión neutral; si la muestra estuviese lateralmente confinada, como en el caso de una prueba de consolidación, sí ocurriría esa distribución simple del esfuerzo vertical, pero en una prueba triaxial la muestra puede deformarse lateralmente y, por lo tanto, su estructura toma esfuerzos cortantes desde un principio.
6.3. Prueba rápida. (Símbolo R). Prueba sin consolidación y sin drenaje.
En este tipo de prueba no se permite en ninguna etapa 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 hace fallar al suelo con la aplicación rápida de la carga axial. Los esfuerzos efectivos en esta prueba no se conocen bien, ni tampoco su distribución, en ningún momento, sea anterior o durante la aplicación de la carga axial.
6.4. Prueba de compresión simple. (Símbolo Cs).
Esta prueba no es realmente triaxial y no se clasifica como tal, pero en muchos aspectos se parece a una prueba rápida. Los esfuerzos exteriores al principio de la prueba son nulos, pero existen en la estructura del suelo esfuerzos efectivos no muy bien definidos, debidos a tensiones capilares en el agua intersticial.
Más adelantes se describen los aspectos teóricos de estas pruebas realizadas en suelos en diferentes condiciones.
7. Diferencia entre los ensayos triaxial consolidado no drenado y consolidado drenado.
Primeramente definiremos lo que se entiende por ensayos triaxiales consolidados, en estos tipos de ensayo el espécimen se consolida primeramente bajo una presión de confinamiento, así el esfuerzo llega a ser efectivo, es decir, la presión de cámara queda actuando sobre la fase sólida del suelo.
En un ensayo C.U. (consolidado no drenado), la muestra es llevada a la falla por rápido incremento de la carga axial, de manera que no exista cambio de volumen. El hecho esencial de este tipo de ensayos es no permitir ninguna consolidación durante el periodo de falla con la aplicación de la carga axial, esto se logra fácilmente en una cámara de compresión Triaxial cerrando la válvula de salida de las piedras porosas de la bureta (válvula que conecta el interior de la muestra de suelo con el exterior de la cámara de compresión).
Se podría pensar que todo esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacíos del suelo en forma de presión intersticial, ello no ocurre así y se sabe que parte de esa presión axial es tomada por la parte sólida del suelo, pero en una prueba de compresión Triaxial la muestra puede deformarse lateralmente y, por lo tanto, su estructura toma esfuerzos cortantes desde el principio.
En el ensayo C.D. (consolidado drenado), la diferencia esencial con respecto al ensayo anterior corresponde al hecho de abrir la válvula de la bureta, esto con el propósito de desalojar el agua contenida en los poros de la muestra de suelo que se esta ensayando, además se cuenta el hecho de que las velocidades de aplicación de la carga son mucho mas lentas que en el ensayo C.U.
Otra de las diferencias notables entre los dos ensayos, es que durante el ensayo C.D. se pueden medir las variaciones de volumen dentro de la muestra, es decir, las variaciones de volumen que experimenta el índice de vacíos, esto se debe a que el agua contenida en ellos comienza a salir lentamente, lo que permite un reacomodo de las partículas sólidas del suelo.
8. Ventajas
Algunas ventajas de los ensayos de compresión Triaxial son:
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.
9. Limitaciones
Algunas limitaciones de los ensayos de compresión Triaxial son:
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
Implementación del ensayo triaxial
GENERALIDADES
Los ensayos triaxiales constan de tres etapas importantes que son:
Saturación. (Etapa 1)
Consolidación. (Etapa 2)
Compresión. (Etapa 3)
La etapa de saturación y consolidación es llevada a cabo en un sistema llamado banco triaxial, que está diseñado para controlar un sistema de agua a presión que es aplicado a la muestra de suelo a ensayar. En la Figura que a continuación se adjunta se muestra un esquema del banco triaxial.
La etapa de compresión se lleva a cabo en una prensa mostrada en la figura que se encuentra al final de esta explicación, y que es la encargada de aplicar una carga axial mediante un anillo de carga a un vástago que comprime la muestra de suelo, el sistema triaxial es capaz de mantener constante la presión aplicada a la muestra (dependiendo al tipo de ensayo) en la etapa de consolidación durante la compresión y puede medirse la presión de poros.
Tipos de ensayo Triaxial
1. No consolidado- No drenado (UV)2. Consolidado-No drenado (CU)3. Consolidado Drenado (CD)4. Consolidado-No drenado con medición de presión de poros (CU o CU
EQUIPO PARA ENSAYO
El aparato consta, en primer lugar, de un tablero de comando y de una cámara Triaxial constituida de cilindro de lucita de 35 cm de diámetro y unos 7 mm de espesor de su pared. (Según figura 5.33). Las bases de la cámara están conformadas por dos placas
circulares las que quedaran solidarias al cilindro, por medio de sellos de goma y piezas de ajuste. La pieza base inferior es de acero inoxidable para poder resistir los ensayes. La cámara con las anteriores dimensiones resiste presiones internas de 7kg/cm2.
Dentro de la cámara se ubican dos cilindros cortos, que sirven de base y cabezal del cuerpo de prueba con piezas de aluminio perforada en contacto con este.
La transmisión de carga hacia el cuerpo de prueba se logra mediante un movimiento ascendente de la cámara cuya sección superior del cuerpo, entra en contacto con el vástago del anillo de carga. Un extensómetro medirá las deformaciones que tengan lugar en el anillo, las que, a través, de una tabla de calibración proporcionara las cargas actuantes correspondientes. Por otro lado, el candenciómetro conjuntamente con el cronometro controlaran que la velocidad de carga sea de 0.025 cm/min.
En las pruebas de compresión Triaxial, se requiere que la muestra esta enfundada en membranas flexibles, resistentes e impermeables, generalmente de látex.
Para aplicar la presión de cámara en torno a la muestra, el agua seria el fluido ideal, ya que este no ataca a la membrana de látex.
Ensayo compresión triaxial
GENERALIDADES
Este ensaye es utilizado para determinar los parámetros de resistencia al corte mediante la compresión axial. Tiene como objetivo determinar los parámetros de resistencia de los duelos mediante este método de ensayo.
APARATOS
Dispositivo de carga axial : Puede ser cualquier aparato de compresión con la suficiente capacidad y el adecuado control. El dispositivo para medir la carga axial, puede consistir en un anillo de carga capaz de medir con aproximación de 1.1 N (0.25lb) o a valores de carga dentro del 1.0% de la carga anticipada, cualquiera que sea la mayor. Cuando se emplee un anillo de carga, normalmente éste se halla remontado en la parte exterior de la cámara de presión. Puede emplearse también una celda electrónica para medir las cargas axiales aplicadas a la probeta de ensayo. Dicha celda deberá montarse en el interior de la cámara triaxial y, cuando se la emplee, se necesitará además el siguiente equipo electrónico accesorio para indicar la carga:
a) Amplificador.- Que aumente las señales eléctricas de la cámara de carga de manera que sean suficientemente grandes para que puedan ser detectadas mediante un voltímetro digital o un registrador gráfico de tira.
b) Fuente de potencia.- De voltaje constante para excitar la celda de carga o el transductor de presión.
c) Puente de balanceo.- Para balancear los circuitos eléctricos del sistema de medida.
d) Voltímetro.- Digital o registrador gráfico, para medición de la carga o presión.
Indicador de Deformación : Deberá ser un extensómetro de dial con graduaciones equivalentes a 0.02mm (0.001") y que tenga un recorrido mínimo del 20% de la longitud de la probeta de ensayo u otro dispositivo de medida que cumpla con estos requisitos generales.
Equipo para tallar probetas : Incluye un marco, herramientas apropiadas para desbastar y tallar, calibrador Vernier que pueda medir las dimensiones de la muestra con aproximación a 0.25mm (0.01"), un cortador de muestras, un dispositivo para cortar los extremos, y un extractor de muestras.
Aparato de presión de poros : Puede consistir en un manómetro cerrado, un indicador de cero presión, o un transductor de presión. Cuando se emplee
este último, podrá utilizarse con el mismo equipo electrónico usado para monitorear las cargas.
Horno para secamiento: Horno termostáticamente controlado que pueda mantener una temperatura de 110±5°C (230±9°F) para determinar el contenido de humedad de los especímenes.
Balanzas .Para muestras cuyo peso sea inferior a 100g, deberá utilizarse una balanza con precisión de 0.01g, y para muestras de 100 g o más, una balanza con precisión de 0.1 g.
Cámara de Compresión Triaxial . Empleada para contener el espécimen y el fluido de confinamiento, durante el ensayo. Las partesaccesorias asociadas con la cámara incluyen: placa para base de la muestra, piedra porosa, dos placas lubricadas para base, anillos "O" u otro tipo de sellos, válvulas de cierre, placa superior, tubos de plástico para drenaje resistentes a la temperatura, tapa superior, pistón de carga, membrana de caucho, papel de filtro, dial con su soporte, etc.
Aparatos Misceláneos . Estos incluyen una bomba de vacío y un aparato de presión con sus respectivos manómetros y reguladores, un dilatador de membrana, recipientes para determinaciones de humedad, y los formatos de Informe que se requieran.
PREPARACIÓN EQUIPO
Desarmar y limpiar la cámara y todas las líneas. Cerrar las válvulas. Fijar el cabezal inferior de la cámara en un soporte y colocar la pieza
perforada que simula la piedra porosa. El cabezal se colocará invertido quedando la pieza de aluminio sobre él.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Tomar una muestra de suelo adecuada, para obtener un espécimen representativo y cuyo volumen compactado deberá ser equivalente al del molde a usar.
Agregar el porcentaje de humedad necesaria para obtener la humedad de compactación.
Formar la probeta de suelo llenando el molde en tres capas, donde cada una de ellas es compactada de igual forma, entregando la misma energía de compactación; el material que sobra se utilizará para determinar el contenido de humedad de la muestra. En este caso, las muestra a ensayar serán de 35 mm de diámetro. Esta probeta se preparará en la base de la celda Triaxial. La muestra de suelo se dividirá en tres partes iguales y cada parte representara una capa, su compactación se logrará mediante golpes producidos por un martillo de peso igual a 2.800 gr.
En la placa inferior de la celda colocar la base afianzado firmemente, enseguida colocar la piedra porosa y el papel filtro. Hecho esto, colocar el collarín que recibirá el molde para la confección de la probeta. Este molde tiene la particularidad de estar conformado por dos piezas, las que se unen solidariamente mediante abrazaderas. Esta diseñado de tal forma que una vez confeccionada la probeta puede retirarse sin alterar la muestra.
Colocar la primera membrana adherida al molde antes de comenzar el llenado, este procedimiento se realizará colocando la membrana por el interior del molde, dispuesto este en base de la celda Triaxial. Aplicar vacío desde el exterior del molde, hasta el momento de finalizar el llenado de este.
Llenar el molde por capas, produciendo la compactación en forma manual mediante una energía de compactación en la que se considera la altura de caída del martillo, el peso del martillo, el volumen del molde, número de golpes y numero de capas para que de esta manera se defina que las tres capas fueron compactadas de igual forma. Una vez completadas las capas retirar el molde y desconectar el vacío, para mantener la verticalidad de la probeta. Colocar el cabezal superior y desenrollar la membrana fijándola en este cabezal. Luego retirar el molde con mucho cuidado sin que el cuerpo de prueba pierda verticalidad.
Para asegurarse que no existen filtraciones desde afuera de la cámara hacia el interior del cuerpo de prueba y viceversa, cuando se realiza el ensayo, se procederá a colocar una segunda membrana.
Dentro de un cilindro metálico ad-hoc colocar la membrana doblando hacia afuera sus extremos, crear un vacío entre la membrana y el cilindro. Enseguida este conjunto se colocará sobre la muestra cubriéndola, se suspende el vacío, por lo que la membrana se adhiere en torno a la muestra,
base y cabezal. Se retira el cilindro, los extremos libres de la membrana doblarlos sobre la base y el cabezal, alisando las posible arrugas. Asegurar la posición de la membrana con elásticos alrededor de sus extremos inferior y superior, cubriendo los cabezales.
ARMADO DEL CONJUNTO
Para obtener el conjunto del aparato Triaxial en condiciones de efectuar las pruebas deberá procederse como sigue:
Colocar el cilindro de lucita que forma parte de la cámara Triaxial en su lugar. La tapa superior de la cámara sobre el cilindro centrando el vástago de carga axial cuidadosamente en el cabezal.
Asegurar provisoriamente la tapa superior por medio de sus tuercas y luego en forma definitiva, apretándolas sucesivamente de modo que la placa quede horizontal, las placas deben apretarse con un torque solo lo suficiente para impedir la salida de agua a través de los ajustes de goma.
Colocar la cámara en el banco de soporte, centrandola muy bien, ajustar el marco de carga sobre ella y también el extensómetro.
Todas las llaves del tablero de comandos del ensaye Triaxial se deben encontrar cerradas.
Se procede a trabajar en el sistema ( como se muestra en la figura 5.32). Se almacena en el estanque A agua desaereada, luego se llena con agua la bureta C al abrir las llaves 1 y 10, posteriormente se cierra la llave 10. Enseguida se llena de agua la celda I mediante la abertura de las llaves 2, 3 y 4 asegurándose que en dirección a la bureta D se eliminen todas las burbujas de aire provenientes del interior de la celda, para ello se aplicara una pequeña
presión la que además hará circular el agua hacia el exterior de la celda, una vez que el nivel de agua de la bureta D sea el mismo que en la bureta C, cerrar las llaves 3, 4, 1 y 2.
Se procederá a saturar el cuerpo de prueba, por tal motivo entrara en operación el compresor mediante la válvula principal de alimentación de aire, luego se abren las válvulas 8, 7 y 9 que conducirán presión hasta la llave 19, una vez que se hayan igualado las presiones de los manómetros que conducen presión a las celdas y la probeta, entonces anotar el volumen inicial de la bureta E, luego abrir al mismo tiempo las llaves 3 y 19 momento en el cual comienza la saturación del cuerpo de prueba, en este instante comienza a disminuir el volumen de la bureta E el cual debe llegar a un nivel de volumen constante el cual queda registrado.
Se procederá a consolidar el cuerpo de prueba hasta la presión deseada, por tal motivo se incrementara la presión de la celda al abrir la válvula del manómetro que comunica con la bureta C, de esta .manera se vuelve a registrar el volumen de la bureta E una vez que haya alcanzado un valor constante, de esta forma el sistema se encuentra apto para la realización de la prueba lenta
PROCEDIMIENTO PARA LA PRUEBA LENTA.
Se procederá a la realización de la prueba lenta una vez armado el conjunto y que este se encuentre estanco.
Una muestra cilíndrica de suelo se someterá en primer lugar a una presión confinante, vale decir en todas sus caras, a continuación se incrementará el esfuerzo axial, hasta que se rompa la probeta, todo esto permitiendo el drenaje en la muestra. Además se medirán las variaciones de volumen en la etapa de carga axial, para desarrollar la técnica sugerida por Casagrande.
DESARME DEL CONJUNTO
Una vez obtenido los datos se procederá a desarmar el conjunto, a través de una llave ubicada en la base inferior de la cámara Triaxial, se procede a la evacuación del agua.
Quitar las barras de armado entre placas, la tapa metálica superior, y luego el cilindro de Lucita.
Desenrollar los elásticos de la base y el cabezal, doblar los extremos de la membrana sobre el espécimen y retirar la muestra.
Quitar al espécimen las membranas impermeables, sacándolas a partir de un extremo.
Preparar un esquema de la muestra fallada, si existe un plano de falla claramente definido medir su inclinación. Esta inclinación puede alterarse muy sensiblemente por deformaciones excesivas después de la falla.
Obtener el peso húmedo de la muestra, secar a horno y obtener su peso seco. Calcular el contenido de humedad al principio y al final del ensayo.
Secar la membrana impermeable y proceder a rociar con talco, para evitar su deterioro si esta es recuperable.
Limpiar, secar y armar nuevamente el aparato. Esto habiendo cerrado las válvulas del tablero.
PREPARACIÓN DE PROBETAS
Tamaño de la probeta: Los especímenes deberán tener un diámetro mínimo de 33mm (1.3") y el mayor tamaño de partícula dentro de la muestra de ensayo deberá ser menor que 1/10 de su diámetro. Para muestras con diámetro de71mm (2.8") o más, la partícula mayor deberá ser menor que 1/6 del diámetro. Si después de la conclusión del ensayo de una muestra inalterada, se encuentran partículas de mayor tamaño, deberán hacerse las anotaciones correspondientes en el Informe. La relación altura-diámetro (H/D) debe estar entre 2 y 3, siendo preferible 2, valor que puede disminuirse hasta 1.25 cuando se usen placas lubricadas. Deberán efectuarse las mediciones con aproximación a 0.10 mm (0.05") empleando un calibrador Vernier u otro dispositivo adecuado.
Muestras inalteradas: Pueden prepararse muestras inalteradas a partir de muestras de mayor tamaño o de muestras obtenidas de acuerdo con la Norma MTC E 131- 2000.
Muestreo de Suelos con Tubos de Pared Delgada . Cuando se reciben tubos con muestras en el laboratorio, éstas se sacan por extrusión mediante un gato u otro método que no las altere. Se toman muestras para determinar la humedad, y se cortan especímenes de la longitud deseada; se identifica el suelo visualmente con ayuda de la Norma MTC E 131- 2000. Procedimiento normal para la descripción e identificación de suelos (procedimiento visual y manual), y se recubren los especímenes con parafina, manteniendo los en una cámara húmeda y fría hasta que vayan a ser ensayados.
Corte : Las muestras de tubo podrán ensayarse sin ser desbastadas, excepto para emparejar los extremos, si las condiciones de la muestra así lo exigen. Si es necesario desbastarlas, deberán manejarse con cuidado para evitar su alteración y cambios en la sección transversal o pérdida de humedad. El corte, en cuanto sea posible, deberá efectuarse en una cámara con humedad controlada procurando evitar a toda costa cualquier cambio en la humedad. Efectúense varias medidas del diámetro y de la altura de la muestra y determínese el peso del espécimen de ensayo. Sino se emplea la muestra completa para la determinación de humedad, tómese con este objeto una muestra representativa de los recortes y colóquese inmediatamente en un recipiente cubierto.
Muestras Remoldeadas: Pueden prepararse especímenes a partir de una muestra inalterada fallada o de una alterada. El método de moldeo y la compactación pueden variarse para producir el peso unitario, la humedad y la estructura del suelo deseadas.
Ensayo triaxial consolidado no drenado
COMPACTACIÓN
Las muestras de suelo recompactadas para pruebas de compresión, pueden ser preparadas, aplicando procedimientos de compactación standard. Usualmente se requieren preparar las muestras a una densidad seca especificada, aplicando un esfuerzo de compactación determinado.
El procedimiento para probar muestras recompactadas, incluyendo cálculos, figuras y presentación de resultados, son los mismos para pruebas similares de muestras no perturbadas. Los procedimientos de compactación antes referidos se aplican principalmente a suelos cohesivos y a suelos sin cohesión, parcialmente saturados. La preparación de las muestras de suelos sin cohesión, secos y completamente saturados, requieren un tratamiento especial.
Fig. 5.34 Modalidad Ensayo consolidado no Drenado
CANTIDAD DE MUESTRA
Se determinara la cantidad de material para la preparación de las muestras mediante datos conocidos, los cuales se han obtenido previamente y se indican en la tabla siguiente: Luego las cantidades de material y agua que se deben agregar para confeccionar un cuerpo de prueba son: Suelo = 1100 gr, Agua = 70 gr.
Tabla: de materiales.
PREPARACIÓN DE LA PROBETA DE SUELO
Por medio del cuarteo seleccionar una cantidad de suelo representativo que aproximadamente represente el peso de la muestra para ensayo. Se pesan los 1100 gr en una balanza cuya precisión sea del orden de 0.1 gr.
Por otro lado, se requiere de una probeta graduada para determinar en forma práctica la cantidad de agua que debe agregarse al suelo.
Se procede a colocar un bol, limpio y seco, la muestra de suelo y se incorpora el agua. Con la ayuda de una espátula o cuchara, revolver y homogeneizar hasta que no queden a la vista partículas de suelo.
Será necesario el uso de un molde en el cual se compacta por capas de suelo a ensayar El conjunto esta compuesto por un cuerpo de 14 cm de altura, además de piezas complementarias tales como collarines y bases, los que permiten definir el cuerpo de prueba, los que más adelante se detallan.
La probeta quedará definida por la altura del molde, el que será llenado por capas, con un total de tres, siendo cada una de ellas prensada entre sí, hasta obtener la probeta. Luego de obtener la altura por capas será transformado su equivalente del peso en porcentaje, quedando determinado en forma práctica la cantidad de material a emplear.
Luego se procede a armar la probeta de suelo, primer molde debe estar perfectamente limpio y libre de partículas, al igual que las piezas auxiliares.
El molde debe estar perfectamente vertical posado sobre una de sus bases, con el objeto de recibir la primera capa. Esto se realiza colocando pequeñas porciones de manera de no perder material, se acomoda material por medio de una varilla metálica, se alisa la superficie y se tapa con la base superior. Llevar a la prensa y aplicar carga, debiendo mantener presionado durante algunos minutos.
Retirar de la prensa el molde y sacar la base superior, escarificar la superficie, y dejar apto para recibir la segunda capa. Al escarificar la superficie se consigue formar un plano irregular para el mejor acomodo entre partículas con la próxima capa y así evitar en la etapa de carga, una falla por efecto de la unión entre capas.
Colocar el collarín al molde y adicionar la segunda capa, con el mismo cuidado que para la primera, realizar este procedimiento con las tres capas.
EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA
La extracción de la muestra se realiza con un dispositivo ideado para tal efecto, mediante gata mecánica, perfil, etc (ver figura). Al proceder a la extracción de la muestra, la que deberá salir en perfecto estado, cualquier indicio de perdida o mascada en la probeta, implicará que esta debe ser desechada y deberá confeccionarse otra nueva. Debe medirse la altura y el diámetro con un pie de metro para asegurar que las dimensiones estén de acuerdo con lo especificado para el ensayo.
Extraccion de la probeta
SATURACIÓN DE LA PROBETA
Cerrar la llave que mantiene el vacío de la probeta, retirar el vacío y conectar en el mismo orificio la línea de presión de saturación que pasa por la bureta y esta conectada al tanque regulador, donde se conseguirá la presión de saturación deseada.
Verificar que las presiones estén correctamente marcados en los manómetros y conforme a esto aplicar la presión de saturación a la probeta de suelo. Cuando el agua de la bureta alcance un punto estable en el descenso, cerrar el sistema, cortando la presión de saturación y liberando la presión en la probeta.
Llenar nuevamente la bureta de agua y conectar vacío, de manera que pueda absorber aire atrapado en el interior de la probeta. Luego de un rato, cerrar la línea de vacío y proceder nuevamente a saturar. Esta operación se realiza cuantas veces sea necesario hasta eliminar la totalidad de las burbujas de aire.
ETAPA DE CONSOLIDACIÓN
Una vez saturada la probeta de suelo se procederá a consolidar. Se recomienda aplicar la presión de confinamiento en pequeños intervalos con el fin de no perturbar la muestra. Incrementar la presión, hasta alcanzar la presión de confinamiento deseada para cada caso. Alcanzada la presión de confinamiento total, se dejara consolidar la muestra el tiempo que sea necesario.
Al termino de la consolidación deberá determinarse la variación de volumen sufrida por la probeta por efecto de consolidación, debido a la presión confinante ejercida sobre la probeta. Este dato es acumulativo y se le adiciona a las deformaciones.
ETAPA DE RUPTURA Y CARGA
Finalizada la etapa de consolidación se cierra la línea que conecta el interior de la probeta, por tratarse de un ensayo C.U.
Se adicionará carga mediante el giro constante de la manivela de la gata, la que produce un ascenso en el plato, materializando así el incremento de carga axial. Se deberá aplicar la carga con una velocidad controlada de 1.27 mm/min, cuyas lecturas de deformación se deberán a intervalos de tiempos controlados con cronometro.
Según la muestra se vaya acercando a la falla, deberá ser cuidadosamente observada, tomándose notas del desarrollo de grietas, abultamientos, perdida de verticalidad, etc. Es recomendable disminuir la magnitud del incremento de carga a la mitad, cerca de la falla, en este caso, los intervalos en que actuaran los incrementos se reducirán también a medio minuto.
Después de que el espécimen haya fallado o que su deformación axial sobrepase el 20%, cesara el proceso de incrementar carga. A continuación se procederá a quitar la presión de cámara, liberar la carga axial y sacar el extensómetro que mide las deformaciones del largo de la probeta.
Nota: no se detalla la preparación del equipo por ser semejante al ensayo Triaxial C.D.
PEPARACIÓN DEL EQUIPO
Desarmar y limpiar la cámara y todas las líneas. Cerrar las válvulas.
Fijar el cabezal interior a la cámara en un soporte y colocar la pieza perforada que simula la piedra porosa. El cabezal se colocará invertido quedando la pieza perforada de aluminio sobre él.
Colocar papel filtro sobre la pieza perforada, de diámetro igual al de la probeta, según corresponda a la muestra a ensayar.
Se procederá entonces a colocar la muestra sobre la base inferior de la celda Triaxial, la que esta preparada con el cabezal inferior y papel filtro, vale decir en condición optima de ser posada la muestra sobre esta. Luego se colocará el papel filtro seguido por el cabezal superior, quedando en contacto con la probeta de suelo.
Colocar el cilindro de lucita que forma parte de la cámara Triaxial en su lugar. La tapa superior de la cámara sobre el cilindro, centrando el vástago de carga axial cuidadosamente en el cabezal.
Asegurar provisoriamente la tapa superior por medio de sus tuercas y luego en forma definitiva, enroscándolas sucesivamente de modo que la placa quede horizontal, las tuercas deben apretarse solo con un torque suficiente para impedir la salida del agua a través de los ajustes de goma.
Se procederá a llenar de agua la celda, abrir la válvula de escape de agua “P5” en tablero y válvula “b” en celda, y llenar esta por medio de caída libre. Una vez llena la celda dejar abierta la válvula de salida superior “C”, la que esta conectada al desagüe y aplicar un mínimo de presión, solamente para producir una circulación del agua, que inducirá la salida de posibles burbujas de aire hacia el exterior.
Conectar la línea de presión a un tanque de regulación con su válvula de salida cerrada.
Ajustar la presión del tanque al valor que se desea tener en la cámara. Colocar la cámara en el banco de soporte centrándola muy bien, ajustar el marco
de carga sobre ella y también el extensómetro. Aplicar la presión deseada al agua de la cámara.
FORMULAS
A continuación se presentan las formulas para la construcción de la tabla de presentación de datos:
Donde : Ao = Área de la sección transversal mm2 .
Donde :
Δx = Monto que se deforma en la compresión de cualquier estado expresado en mm.
Donde :
Δh = Delta de altura en la etapa de consolidación expresado en mm.
Donde : A0 = Área corregida
b. Hoja de presentación de datosEn estas tablas se tabulan los datos correspondientes a un ensayo Triaxial no drenado. Tabla V.23.
c. Diagrama de estados de esfuerzosEn este diagrama se grafican en las abcisa los círculos de Mohr para una
presión de cámara constante y en las ordenadas el esfuerzo de corte Fig. 5.36.
Fig. 5.36 Estado de esfuerzo Diámetro 70 mm y σ3 = 3.0 (kg/cm2)
Ensayos1 2 3 4
σ1 (Kg/cm2) 3.25 4.31 6.18 9.42
σ3 (Kg/cm2) 0.5 1.0 2.0 3.0
Radio σ1 * σ3Kg/cm2) 2
1.375 1.655 2.405 3.210
Centro σ1 + σ3
Kg/cm2 21.875 2.625 4.405 6.210
Tabla V.23. Resumen de datos para confeccionar el circulo de Mohr
Tiempo (min)
Deformación (mm)
Lectura de Carga
P (kg)
Li (mm)
AHI AH acum (mm)
Lo (mm)
E (%)
A (mm)2
P/A (kg/cm)2
σ1 (kg/cm)2
. DIAGRAMA DE ESFUERZO- DEFORMACIÓN
En este diagrama se grafican en las ordenadas la presión desviadora y en las abscisas la deformación unitaria alcanzada:
Diagrama esfuerzo - deformación. Diámetro 70 mm
σ1 – σ 3
2
σθ1 σ
σ σ 3(I)σ σ1(III) σ1(I)
DIAGRAMA DE ESFUERZOS TOTALES
En la Tabla V.23 se presenta un cuadro resumen de los valores máximos de presiones desviadoras alcanzados durante 4 ensayos sucesivos, a una misma muestra de suelo y con diferentes presiones de confinamiento, mientras que en la Fig. 5.38 se presenta la envolvente de falla para los mismos valores anteriores.
ConclusiónPude concluir gracias a la realización de este informe que 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 y en algunos casos apreciar minuciosamente, gracias al procedimiento de carga levemente incrementado, las relaciones directas entre los esfuerzos y las deformaciones en la probeta.
Se presentaron los diversos tipos de ensayo que existen y se realizó una pequeña descripción de que consisten, analizando a su vez el método necesario para poder calcular los esfuerzos mediante el circulo de Mhor, que resultó ser la herramienta fundamental para la determinación de los límites de esfuerzo en el ensayo.
Le mostramos alfinal del informe los diferentes tipos de ensayos que se pueden desarrollar mediante los métodos de triaxial, como también el procedimiento de cada uno de ellos en los cuales están explicados de mejor forma posible, también la materialización que ocuparemos.
Bibliografía
El contenido expuesto fue extraído de las siguientes fuentes:
- Mecánica de suelos , tomo 1, fundamentos de la mecánica de
suelos. Autor: Juarez Badillo-Rico Rodriguez.
- LIEMUN Antofagasta, página del Lab. de Mecánica de suelos
UCN.
- www.wikipedia.com
