3.3. ENSAYO TRIAXIAL. Su principal finalidad es obtener parámetros del suelo y la relación esfuerzodeformación a través de la determinación del esfuerzo cortante. Es un ensayo complejo, pero la información que entrega es la más representativa del esfuerzo cortante que sufre una masa d e 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 le aplica una p r e s i ó n i g u a l e n t o d o s e n t i d o y d i r e c c i ó n . A l c a n z a d o e s e e s t a d o d e equilibrio, se aumenta la presión normal ó axial ( σ1), sin modificar la p r e s i ó n l a t e r a l a p l i c a d a ( σ 3 ) , h a s t a q u e s e p r o d u z c a l a f a l l a . Realizando por lo menos 3 pruebas, con presiones laterales diferentes, en un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de falla de cada muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los parámetros y c del suelo. Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que este trabajará, las alternativas para realizar el ensayo serán consolidado no drenado (CU), no consolidado no drenado (UU) o consolidado drenado (CD). 3.3.1.
Método sin medición de presión de poros.
- Equipo necesario. -
-
Máquina de compresión, provista de un sistema de lectura de cargas y deformaciones de 0,01 mm. de precisión. C á m a r a t r i ax i a l . E q u i p o c o m p u e s t o d e u n p i s tó n , u n t u b o d e c r i s t a l o cámara de presión y conexiones para producir en la muestra vacío, p r e s i ó n , s a t u r a c i ó n o d r e n a j e p o r m e d i o d e v á l v u l a s d e p a s o ( f i g u r a s 3.11. y 3.12.). M e m b r a n a d e c a uc h o o g o m a . U n m o l d e a d o r d e m u e s t r a o e x p a n s o r d e m e mb r a n a . Bomba de vacío y fuente de presión. Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. Herramientas y accesorios. Recipientes plásticos, cuchillo de moldeo, equipo compactador Harvard, placas base, piedras porosa, espátula, compactador de muestras y cronómetro.
- Procedimiento para muestra remoldeadas. - P r e p a r a c i ó n d e mu e s t r a d e s u e l o n o c o h e s i v o . S e a c o p la l a p l a c a b a s e inferior a la base de la cámara triaxial y se monta la membrana de caucho, utilizando para sellar la unión, bandas de caucho o sellos de aro. Dentro de la membrana, se coloca la piedra porosa inferior y se i n s t a l a e l m o l d e a d o r d e m u e s tr a a l r e d ed o r d e l a m e mb r a n a . Si es p o s i b l e , u t i l i z a r u n e x p a n s o r d e m e m b r a n a e n v e z d e l m o l d e a d o r p a r a hacer más fácil el proceso.
Figura 3.11. equipo triaxial 1982).
Figura 3.12. Fuente: ELE 1993.
Sección típica (Valle Rodas R.,
Equipo triaxial. Internacional Ltda.,
Se deposita cuidadosamente la arena dentro d e la membrana, utilizando un compactador, para mantener la forma y d ensidad de la muestra. Una vez alcanzada la altura de la probeta, se colocan la p i e d r a p o r o s a y l a p l a c a b a s e s u p e r i o r , e n r o l l a n d o h a c i a e s t a ú l t i m a l a p a r t e d e m e m b r a n a q u e q u e d a f u e r a d e l m o l d e , s e l l á n d o l a d e l a m i s m a f o r m a q u e e n l a p a r te i n f e ri o r . C o n u n p e q u e ñ o n i v e l , s e d eb e verificar que la placa base superior se encuentre totalmente horizontal. Se realizan las conexiones de las placas base a la base de la cámara triaxial y se aplica un vacío de 200 a 250 mm. de mercurio a la muestra. Se retira el molde o el expansor de membrana y se examina que la membrana de caucho no presente filtraciones, de lo contrario tendrá que prepararse una nueva muestra. Finalmente, se determinan 4 medidas de altura de la probeta, separadas aproximadamente cada 90º y lecturas de diámetro en la parte superior, media e inferior. -
Preparación de una muestra de suelo cohesivo. La compactación de las p r o b e t a s s e r e a l i z a e n l o s m o l d e s d e c o m p a c t a c i ó n H a r v a r d m i n i a t u r a , siguiendo un procedimiento similar al utilizado en el ensayo Proctor, p e r o e m p l e a n d o u n p i s ó n m i n i a t u r a . Se prepara una muestra que cumpla con la relación L/D (2 < L/D < 3) y una vez terminada, con un cuchillo se escuadran sus extremos y se determinan las medidas de altura y diámetro. Luego se fija la membrana al expansor d e membrana, dejando una holgura de ± 3 mm. con respecto al diámetro de la probeta y se lubrica suavemente el interior de la membrana para facilitar la colocación de la muestra. S e p o d r á u t i l i z a r v a s e l i n a d e p e t ró l e o , p o l v o d e t e f l ó n o s ó l o h u m e d e c e r c o n a g u a p a r a l a l u b r i c a c i ó n . Se acopla la placa base inferior a la base de la cámara triaxial y se c o l o c a l a p i e d r a p o r o sa . Se coloca el conjunto del expansor y la membrana de caucho sobre la placa y se inserta la muestra dentro de e l l a . S e r e a l i z a l a f i j a c i ó n i n f e ri o r , s e c o l o c an l a p i e d r a p o ro s a y l a p l a c a b a s e s u p e r i o r , s e l l a n d o e l e x c e d e n t e d e m e m b r a n a h a c i a l a p l a c a y se verifica el nivel de ésta. Finalmente, se retira el expansor de membrana y se realizan las c o n e x i o n e s d e l a s p l a c a s b a s e a la b a s e d e l a c á m a r a t r ia x i a l . P a r a estos suelos no se aplica vacío para verificar posibles filtraciones.
-
A p l i c a c i ó n d e p r e s i on e s . S e c o l o c a e l t u b o d e c r i s ta l s o b r e l a b a s e d e la cámara triaxial, logrando un sello completamente hermético y se la lleva a la máquina de compresión, haciendo un ligero contacto entre la barra de carga de la máquina y el pistón de carga de la cámara. Posteriormente, se aplica una presión de confinamiento ( σ3) p r e d e t e r m i n a d a , p o r m e d i o d e a i r e c o m p r i m i d o , a b r i e n d o l u e g o l a válvula de salida o drenaje para verificar que no exista presión de aire (que indicaría que existen filtraciones en la muestra por lo que se tendría que volver a iniciar). Ante el contacto entre el pistón de la cámara y la barra de carga de la máquina al aplicar el lector de carga habrá registrado cierta 3, medición, por lo que deberá llevarse a cero. Se ajusta el lector de deformación, se determina la velocidad de carga de la máquina (0,5 a 12,5 mm/min) y se prende ésta, tomando simultáneamente las lecturas de deformación, tiempo y carga, en las siguiente divisiones del lector de deformación: 5, 15, 25, 50 y de aquí en adelante cada 50 o 100 divisiones hasta que suceda uno de los siguientes casos:
-
la carga aplicada disminuye, l a c a r g a a p li c a d a s e ma n t i e n e c o n s t a n te p o r 4 l e c t u r a s o la deformación sobrepasa el 20% de la deformación p r e v i a m e n t e c a l c u l a d a .
unitaria
Luego que falle la muestra, apagar la máquina, soltar la presión del equipo y remover la muestra, para realizar 2 a 3 ensayos adicionales, con diferente presión ( σ3). -
V a r i a c i o n e s en e l p r o c e d i mi e n t o s e g ú n al t e r n a t i v a d e e n s a y o . -
E n u n e n s a y o t r i a x i a l U U, l a v á l v u la d e d r e n a j e s e m a n t i e n e c e r r a d a en todo el ensayo y antes de que la muestra tenga posibilidades de consolidarse. El ensayo comienza inmediatamente aplicada la p r e s i ó n d e c o n f i n a m i e n t o . E s t e p r o c e d i m i e n t o n o p o d r á r e a l i z a r s e p a r a u n s u e l o c o h e s i v o 1 0 0 % s a t u r a d o .
-
E n u n e n s a y o t r i ax i a l C U , s e ma n t i e n e l a v á l v u l a d e d r e n a j e a b i e r t a al aplicar la presión de confinamiento. Al terminar la consolidación, se cierra la válvula y se aplica la presión axial ( σ1).
-
E n u n e n s a y o t r i ax i a l C D , s e ma n t i e n e l a v á l v u l a d e d r e n a j e a b i e r t a d u r a n t e t o d as l a s f a s e s d e l e n s a y o . La presión axial deberá ser aplicada a una velocidad más baja que las anteriores, de modo de evitar que los resultados se vean afectados por la presión de poros.
-
E n c a s o d e s a t u r a r l a m u e s tr a p a r a e n s a y a r l a , u n a v e z ap l i c a d a l a p r e s i ó n d e c o n f i n a m i e n t o s e a b r e l a v á l v u l a d e p a s o . E s t e p r o c e s o es lento, especialmente en suelos cohesivos, donde es posible aplicar una presión positiva menor que σ3 (ejemplo σ3 / 2) al recipiente que contiene el agua, de modo de acelerar la saturación.
- Cálculos y gráficos. -
Obtener densidad, humedad y grado de saturación de la muestra a ensayar.
-
C a l c u l a r l a a l tu r a i n i c ia l ( L o ) d e l a p r o b e t a , c o m o l a m e d i a a r i t m é t i c a de las lecturas realizadas.
-
C a l c u l a r el d i á m e tr o ( D ) d e l a p r o b e t a : D
=
( di + 2 * dm + ds ) / 4
donde:
-
= diámetro inferior (cm.) = diámetro medio (cm.) = diámetro superior (cm.)
C a l c u l a r e l á r e a ( A ) y e l v o lu m e n ( V ) d e l a p r o b e ta : A =
-
di dm ds
( cm )
π * (D/2)2
( cm2 )
y
V =
A * Lo
( cm3 )
C a l c u l a r l a d ef o r m a c i ó n u n i t ar i a ( ε ) p a r a c a d a a p l i c a c i ó n d e c a r g a , mediante la expresión: ε = ∆L / Lo donde:
∆L
= variación de altura de probeta (cm.)
-
Ca l c u l a r e l á r e a c o r r e g i d a ( A c ) p a r a c a d a a p l i c a c i ó n mediante la expresión: Ac = A / ( 1 - ε ) ( cm2 )
-
Calcular el esfuerzo desviador (σc) para cada mediante la expresión: σc = P / Ac ( kgs/cm2 )
unidad
de
de
carga,
área,
donde:
P
= carga aplicada (kgs.)
-
G r a f i c a r la d e f o r ma c i ó n un i t a r i a ( ε * 1 0 - 2 ) c o n t r a e l e s f u e r z o d e s v i a d o r p a r a c a d a p r e s i ó n d e c o n f i n a m i e n t o .
-
D i b u j a r l o s c í r cu l o s d e M o h r p a r a t od o s l o s e n s a y o s s o b r e u n m is m o gráfico y trazar una tangente ó envolvente a estos. Obtener los p a r á m e t r o s y c del suelo (figura 3.13.), midiendo la pendiente de la tangente, que corresponderá al ángulo de fricción interna ( φ) y el intercepto con la ordenada, que corresponderá a la cohesión (c).
Figura 3.13. Gráfico típico de ensayo( Bowles J., 1982). -
C á l c u l o s s e g ú n d i ag r a m a s p q . P a r a c a d a e n s a y o ca l c u l a r e l v a l o r d e p y q, mediante las siguientes expresiones: p = ( σ 1 + σ 3 ) / 2 q = ( σ1 - σ3 ) / 2 El procedimiento consiste en dibujar los puntos (p,q) siendo p la abscisa. Luego unir los puntos con una línea suave (llamada trayectoria de esfuerzos o línea K), medir la pendiente ( α) y determinar intercepto con la ordenada (a). A p l i c a n d o p r i n c i p i o s t r i g o n o m é t r ic o s e n l a f i g u r a 3 . 1 4 . , s e p a r a φ : s e n φ = t a n α y p a r a c : c = a / cos φ Comparar los valores obtenidos ( φ y c) por medio del diagrama p-q, con los determinados por el método normal.
-
gráfico
P a r a u n s u e l o n o c o h e s i v o , c a l c u l a r a n a l í t i ca m e n t e l o s v a l o r es d e c, mediante las siguientes expresiones: sen φ σ1 =
-
obtiene
de
y
= ( σ1 - σ3 ) / ( σ1 + σ3 ) σ3 * tg 2 ( 45º + φ/2 ) + 2 * c * tg ( 45º + φ/2 )
P a r a u n s u e l o c o h e si v o ( φ = 0 ) , c a l c u l a r a n a l í t i c a m e n t e e l v a l o r d e c , mediante la expresión: σ1 = σ3 + 2 * c
Figura 3.14.
G r á f i c o s d e d i a g r a m a s p - q. ( B o w l e s J ., 1 9 8 2 ) .
3.3.2. Método con medición de presión de poros. A través de este método, el que requiere de un equipo adicional medidor de presiones instersticiales que se conecta a la cámara triaxial, es posible obtener los parámetros de esfuerzo efectivos ( φ’ y c’) de suelos parcialmente saturados, ya que generalmente cualquier ensayo cortante, esta referido en términos del esfuerzo total, o sea, incluye tanto los esfuerzos intragranulares como los i n s t e r s t i c i a le s y c o m o e s s a b i d o , e l e s f u e r z o c o r t a n t e d e n t r o d e u n a m a s a de suelo a la que se le aplica una carga, sólo lo asume el esqueleto granular, ya que el agua no puede asumir esfuerzos apreciables de corte a menos que se encuentre congelada.
UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS COMPRESION TRIAXIAL
Proyecto : Ubicación : Tipo de ensayo : CD - CU - UU Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo :
Características de la muestra Diámetro inferior ( cm ) : Diámetro medio medio ( cm ) : Diámetro superior ( cm ) : Diámetro promedio D o ( cm ) : Largo ( cm ) : Area ( cm2 ) : Volumen ( cm3 ) :
Humedad ( % ) : Grado de saturación ( % ) : Peso de la muestra ( grs ) : Peso unitario seco ( grs / cm 3 ) : Esbeltez ( L / D ) :
Aplicaciones de carga Velocidad de carga de la máquina ( mm / min ) = Presión de confinamiento ( σ3 ) = 20 % de la deformación unitaria = Lectura del dial Lectura de Deformación Factor de de deformación carga unitaria correción de área ( cm ) ( kg ) (ε) (1-ε)
Area corregida ( Ac )
Esfuerzo desviador ( σc )
Gráfico esfuerzo desviador ( σc ) contra deformación unitaria ( ε ) Esfuerzo ( σc )
Deformación unitaria ( ε ) Gráfico Esfuerzo cortante ( τ ) versus esfuerzo normal ( σ ) Esfuerzo corte (τ)
Esfuerzo normal ( σ ) Angulo de fricción interna ( φ ) = Cohesión ( c ) = Observaciones :
