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Ensayo Triaxial

Ensayo Triaxial

Ensayo Triaxial - Zona Ingeniería

Objetivo

  • Determinar el Ángulo de Rozamiento Interno y la Cohesión del suelo, que permitan establecer su Resistencia al Corte, aplicando a las probetas esfuerzos verticales y laterales que tratan de reproducir los esfuerzos a los que está sometido el suelo en condiciones naturales.

Descripción del Ensayo

El ensayo de compresión triaxial es el más usado para determinar las características de esfuerzo-deformación y de resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. El ensayo consiste en aplicar esfuerzos laterales y verticales diferentes, a probetas cilíndricas de suelo y estudiar su comportamiento.

El ensayo se realiza en una cámara de pared transparente (cámara triaxial) llena de líquido, en la que se coloca la probeta cilíndrica de suelo que, salvo que se adopten precauciones especiales, tiene una altura igual a dos veces su diámetro, forrada con una membrana de caucho. Esta membrana va sujeta a un pedestal y a un cabezal sobre los que se apoyan los extremos de la probeta.

El ensayo se divide en dos etapas:

  • La primera, en la que la probeta de suelo es sometida a una presión hidrostática de fluido, con esfuerzos verticales iguales a los horizontales. Durante esta etapa, se dice que la probeta es "consolidada" si se permite el drenaje del fluido de los poros. Alternativamente, si el drenaje no puede ocurrir se dice que la probeta es "no consolidada“.

  • En la segunda etapa, llamada de aplicación del Esfuerzo Desviador, se incrementan los esfuerzos verticales (desviadores) a través del pistón vertical de carga, hasta la falla. En esta etapa el operador tiene también la opción de permitir el drenaje y por lo tanto eliminar la presión neutra o mantener la válvula correspondiente cerrada sin drenaje. Si la presión neutra es disipada se dice que el ensayo es "drenado", en caso contrario se dice que el ensayo es "no drenado“.

Así los ensayos puedes ser clasificados en:

  1. No consolidados-no drenados (UU) o rápidos (Q). Se impide el drenaje durante las dos etapas del ensayo.
  2. Consolidados-no drenados (CU) o consolidados-rápidos (RC). Se permite el drenaje durante la primera etapa solamente.
  3. Consolidados-drenados (CD) o lentos (S). Se permite el drenaje durante todo el ensayo, y no se dejan generar presiones neutras aplicando los incrementos de carga en forma pausada durante le segunda etapa y esperando que el suelo se consolide con cada incremento.

La Resistencia al Esfuerzo Cortante de un suelo (τf), en función de los esfuerzos totales, se determina usando la Ley de Coulomb:

τf = c + σ tan φ

Generalmente cada prueba se realiza con tres o cinco probetas de la misma muestra de suelo, bajo esfuerzos confinantes distintos. La representación de los resultados en el diagrama de Mohr está constituida por una serie de círculos, cuya envolvente permite obtener los parámetros del suelo estudiado en el intervalo de esfuerzos considerado.

Equipo

  • Cámara Triaxial
  • Máquina de compresión triaxial
  • Membrana de caucho
  • Molde metálico
  • Compresor de aire
  • Bomba de vacío
  • Balanza de precisión, aproximación 0,1 gr
  • Calibrador
  • Aro-sello de caucho
  • Tallador de muestras, cuchillas y sierras
  • Equipo para determinar el contenido de humedad

Célula Triaxial - Zona Ingenieria
Esquema de Célula Triaxial

Procedimiento

1.  El suelo a utilizarse se prefiere que sea inalterado, en cuyo caso se debe tallar por lo menos tres especímenes cilíndricos, teniendo muy en cuenta su estratificación y evitando destruir la estructura original del suelo.
     Si la muestra es alterada, se procede a preparar los especimenes compactándose la muestra con una determinada energía, de acuerdo con las condiciones técnicas impartidas.
     Las dimensiones de los especimenes dependen del tamaño de la máquina triaxial a emplearse; debiendo tomar en cuenta que la altura de la muestra debe ser el doble del diámetro, (Se toman las medidas de los especimenes preparados).
2.   El momento de preparar los especimenes se debe tomar muestra para determinar el contenido de humedad.
3.   Pesamos el primer espécimen y lo colocamos en la base de la cámara triaxial, utilizando una piedra porosa entre la muestra y dicha base.
4.   Colocamos la membrana de caucho en el espécimen, utilizando un aparato especial para ello.
5.   Colocamos la cabeza de plástico usando una piedra porosa entre la cabeza y el espécimen.
6.   Aseguramos la membrana con ligas tanto en la parte superior como en la inferior.
7.   En el caso de realizar en ensayo triaxial en un triaxial Soiltest, conectamos la cabeza de plástico en el tubo espiral que sale de la base y que se utiliza para el drenaje de la muestra.
8.   Colocamos la cámara con su tapa, asegurándonos que estén bien colocados los empaques y seguidamente apretamos los tornillos que sujetan la cámara uniformemente.
9.   Introducimos el pistón en el hueco de la cabeza de plástico.
10.  Centramos el brazo de carga con el pistón y colocamos el dial de las deformaciones en cero.
11.  Si la muestra no se encuentra saturada, será necesario saturarla, salvo introducciones contrarias al respecto, para lo cual abrimos las válvulas de saturación permitiendo que el agua fluya desde la base a través de la muestra.
12.  Aplicamos presión al tanque de almacenamiento de la glicerina o agua y luego abrimos las válvulas que permiten el paso de la glicerina o agua a la cámara; la presión lateral introducida serán las indicadas anteriormente.
13.  En estas condiciones aplicamos el tipo de triaxial solicitado; llegando en cualquier caso a aplicar la carga hasta romper la muestra; anotándose las lecturas de las deformaciones axiales y de la carga aplicada.
14.  Una ves terminado el ensayo se reduce la presión y se devuelve la glicerina o agua al tanque de almacenamiento, se seca la cámara y luego a la muestra con mucho cuidado con el objeto de graficar la fractura y además determinar la humedad.
15.  Todo este proceso lo repetimos con los demás especímenes, utilizando presiones laterales diferentes.

Cálculos

  • Se determina el área representativa inicial de la probeta (Ao) mediante la siguiente expresión:

Ensayo Triaxial

Donde:
As = Área superior, calculada con el diámetro superior promedio
Am = Área media, calculada con el diámetro medio promedio
Ai = Área inferior, calculada con el diámetro inferior promedio

  • El volumen de la probeta ( V ), se determina de la siguiente manera:

V = Ao * h

  • Los pesos específicos húmedo y seco, se calculan mediante las siguientes expresiones:

ensayo triaxial
Ensayo Triaxial

  • Las deformaciones para cada lectura del dial de cargas, se obtienen durante el ensayo.

  • La deformación unitaria se calcula mediante la expresión que se muestra continuación:
Ensayo Triaxial

  • Las cargas aplicadas se calculan multiplicando cada una de las lecturas del dial de cargas, por el factor de calibración del anillo.

  • Se determina el área corregida de la probeta (Ac), para cada lectura de deformación, de la siguiente manera:
Ensayo Triaxial

  • El esfuerzo desviador (Δσ) para cada lectura de deformación, es el siguiente:

Ensayo Triaxial

Deformación de una Probeta Cilíndrica.

Ensayo Triaxial

  • La deformación Axial Será:
Ensayo Triaxial

  • La deformación Radial similarmente será:
Ensayo Triaxial

  • Y la deformación Volumétrica será:

Ensayo Triaxial

Donde: 

  • De manera similar la deformación de corte puede ser definida como:

Ensayo Triaxial

Gráficos

o Con los resultados obtenidos y codificados, se construye, para cada esfuerzo confinante (σ3), una gráfica a escala aritmética; ubicando, en las abscisas las deformaciones unitarias (ε), en porcentaje, y en las ordenadas el esfuerzo desviador (Δσ), en Kg/cm2.
La gráfica permite determinar el Esfuerzo Desviador de falla (Δσ) para cada esfuerzo confinante (σ3), aplicado a la probeta.
o Con los esfuerzos desviadores de falla, correspondientes a cada esfuerzo confinante (σ3), se determina (σ) y se obtiene el centro y radio de los correspondientes círculos de Mohr, mediante las siguientes expresiones:

Ensayo Triaxial

o Trazar los Círculos de Mohr, para ello, elegir una escala de esfuerzos. A partir del origen y sobre el eje de las abscisas, llevar el valor del esfuerzo confinante (σ3), y desde este punto marcar el valor del esfuerzo desviador de falla (σ1 - σ3); este valor es el diámetro del círculo; por lo tanto, con centro en el punto medio del segmento así determinado, trazar el semicírculo correspondiente.

  • Una vez trazados los semicírculos del estado de esfuerzos de falla de todas las probetas ensayadas, dibujar la envolvente que mejor se ajuste a ellos, esta recibe el nombre de Línea de Resistencia Intrínseca o Envolvente de Mohr y representa aproximadamente, la variación de la resistencia al esfuerzo cortante en función de los esfuerzos normales aplicados.

  • El Ángulo de Fricción Interna del suelo (φ), es el que forma la envolvente con la horizontal (abscisas) y se determina en la gráfica por la pendiente de la envolvente. El valor de la cohesión (c), está dado por la ordenada al origen de dicha envolvente, medida a la misma escala con que se trazaron los círculos.

Ensayo Triaxial
Círculos de Mohr



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