Triaxial 3k5o1p

ENSAYO TRIAXIAL Práctica de laboratorio N°11 Mecánica de suelos y rocas Pablo Vélez V E-mail: [email protected]

2016

Objetivo 

Determinar los parámetros de resistencia de los suelos mediante el ensayo triaxial, (UU, CU o CD).

Normas de referencia    

INVIAS E-153: Parámetros de resistencia del suelo mediante compresión triaxial ASTM D-2850: Standard test method for Unconsolidated – Undrained triaxial compression test on cohesive soils ASTM D-4767: Standard test method for Consolidated – Undrained triaxial compression test on cohesive soils ASTM D7181: Standard test method for Consolidated – Drained triaxial compression test for soils

Principio del ensayo El ensayo de compresión triaxial se realiza sobre muestras cilíndricas que van envueltas en una membrana impermeable de caucho y dentro de una celda que se llena de agua para de esta manera poderle aplicar una presión de confinamiento que el suelo recibe uniformemente en todas las direcciones. Luego se aplica una carga axial con medida de deformaciones y de presiones intersticiales hasta llevar el suelo a la falla.

Principio del ensayo Estado de esfuerzos Con el pistón se aplica el esfuerzo axial 1 y con la cámara los esfuerzos de confinamiento 2 y 3. Debido a que no se generan esfuerzos de corte en los planos en que actúan los esfuerzos axial (1) y de confinamiento (2 y 3), estos planos son principales y por lo tanto los esfuerzos son también principales. Los esfuerzos principales 2 y 3 son iguales y actúan no sólo en la superficie vertical de la muestra sino también en sus bases y suelen denominarse como 3. El esfuerzo P/A que aplica el pistón es igual a la diferencia entre los esfuerzos totales principales mayor y menor, 1 - 3, el cual se denomina esfuerzo desviador.

1 

P 3 A

Principio del ensayo Estado de esfuerzos

, son los esfuerzos actuantes principales

 

P/A 3

3

Esfuerzo Desviador

3

3

2

3

+ 3

2 3

1 

3

3

3

3

= 3

3

3

1  P/A

P  3 A

P  3 A

Principio del ensayo Círculo de Mohr

Esfuerzo Tangencial ()

 3    1  2   

2

  3     1  2  

2

El lugar geométrico de los puntos cuyas coordenadas dan el valor de los esfuerzos normales y tangenciales o de corte en las diferentes direcciones que pasan por un punto dado de la masa de material sometida a la acción de fuerzas, se le denomina Círculo de Mohr

2

D

 2 A

B

3 

1   3 2

1

1   3 2

Esfuerzo Normal ()

El ángulo  representa la inclinación del plano en que actúan los esfuerzos  y  respecto al plano en que actúa el esfuerzo principal mayor 1.

Principio del ensayo Envolvente de falla Mohr-Coulomb Esfuerzo Tangencial ()

Envolvente de Falla c tag

 D D D

c

3

3

1

3

1

1

Esfuerzo Normal ()

Debido a que el ensayo de compresión triaxial lo que busca es determinar la recta de Coulomb, lo que se hace es llevar a cabo dos o más ensayos sobre muestras del mismo suelo, con presiones de confinamiento diferentes y llevar las pruebas hasta la falla. Para cada una de las pruebas se tendrá la combinación de esfuerzos 1 y 3 que produce la falla, con la representación correspondiente del círculo de Mohr. Por lo tanto, al menos un punto de cada círculo representa los esfuerzos normal  y tangencial o de corte  asociados a la falla. La envolvente de rotura será la recta tangente a los círculos de falla que es precisamente la recta de Coulomb de ecuación  = c + tag.

Principio del ensayo Cámara de compresión triaxial Anillo de carga

Pistón para aplicación del esfuerzo desviador

Piedra porosa

Deformímetro

Deformímetro

Tubo de nylon flexible

Cámara llena de agua Muestra de suelo

Membrana de caucho

Piedra porosa

Desde el controlador de presión de cámara

Hacia la bureta de drenaje Doble conducto Para saturación por percolación o contrapresión Hacia el transductor de presión intersticial

Principio del ensayo Etapa de saturación La saturación en el ensayo de compresión triaxial se logra en dos etapas, siendo la primera una etapa de saturación por percolación y la segunda una etapa de saturación por el contrapresión. Burbujas de aire a ser comprimidas para saturación total.

Espacios a llenarse con agua, lo cual genera desplazamiento de aire.

Q

Se permite el ingreso de agua a la muestra con una pequeña cabeza hidráulica para lograr que el agua desplace la mayor cantidad de aire posible.

Q

Se permite el ingreso de agua a la muestra a presión para que las burbujas de aire remanentes se compriman y el suelo pase realmente a estar saturado.

Principio del ensayo

Criterio de falla en el ensayo Esfuerzo Desviador (1-3)

1 2 3 4



límite

Deformación Unitaria ()

1.

La falla está determinada por el máximo esfuerzo cortante o la máxima diferencia entre los esfuerzos principales (1–3) leída en las curvas esfuerzo desviador deformación.

2.

La falla está determinada por la máxima relación entre los esfuerzos principales (1/3).

3.

La falla está determinada por la resistencia residual del material.

4.

La falla está determinada por un máximo de deformación unitaria elástica experimentada por el material sujeto a esfuerzos, de acuerdo con las curvas esfuerzo desviador deformación.

Tipos de ensayos Cuando se aplica una carga determinada a un suelo saturado, dado que el agua es incompresible, es ella quien en principio recibe el total de la carga aplicada. El exceso de carga que soporta el agua es lo que se denomina exceso de presión de poros. Estos excesos de presión de poros hacen que el esfuerzo efectivo sobre una masa de suelo dada disminuya y que por lo tanto la resistencia al esfuerzo cortante también lo haga. 



Condición Drenada: El cambio de esfuerzos se da tan lentamente respecto a la capacidad de drenaje del suelo, como para que no se produzca ningún exceso de presión de poros. Esta condición es representativa para los suelos gruesogranulares, los cuales tiene una permeabilidad alta y por tanto la presión de poros se disipa rápidamente. Condición No Drenada: Los esfuerzos cambian tan rápidamente, con respecto a la posibilidad para drenar que tiene el suelo, que no se produce disipación alguna de la presión de poros. En suelos cohesivos, debido a su baja permeabilidad, el agua requiere períodos de tiempo importantes para movilizarse dentro de la masa de suelo y por tanto la condición que prevalece es la no drenada.

Ensayo triaxial Consolidado Drenado (CD) o Ensayo lento En este ensayo se aplica a la muestra la presión de confinamiento ( 3) teniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta y dejando transcurrir el tiempo necesario para que haya completa consolidación bajo la presión actuante. Cuando el equilibrio estático interno se alcanza, todas las fuerzas exteriores actúan sobre la fase sólida del suelo de modo que producen esfuerzos efectivos en tanto que los esfuerzos neutros en el agua corresponden a la condición hidrostática. Posteriormente la muestra es llevada a la falla aplicando la carga axial en pequeños incrementos, cada uno de los cuales se mantiene el tiempo necesario para que la presión en el agua, en exceso de la hidrostática, se reduzca a cero. En la primera etapa en la que se aplica el esfuerzo  3, por permitirse la consolidación total, la presión de poros se ha reducido a cero. En la segunda etapa actúa sobre el espécimen el esfuerzo desviador  y nuevamente la presión de poros es cero por permitirse drenaje libre y dejarse transcurrir suficiente tiempo. El valor  en la falla, es el esfuerzo desviador de falla que mide la resistencia a la compresión del espécimen en esta prueba.

Ensayo triaxial Consolidado Drenado (CD) o Ensayo lento Etapa Final Segunda Etapa

Primera Etapa



3

3

3

u=0

Esfuerzos Totales = Esfuerzos Efectivos

+

u=0

1 = 3 + 

=

3



3

u=0

3

1 = 3 + 

Envolvente de Falla Única (Esfuerzos Efectivos) c’ tag’ ’

1 = 3 + 

3 = 3

u=0

3= 3

1 = 3 + 

La resistencia del suelo queda en términos de esfuerzos efectivos según la siguiente expresión en la que c’ y ’ son el intercepto con el eje mal llamado “cohesión” y ángulo de fricción interna reales.

  c    Tag    c   (  u )Tag   c’

Esfuerzo Normal ()

3 3 1 1

Ensayo triaxial Consolidado No Drenado (CU) Los ensayos no drenados simulan la situación cuando un depósito de arcilla se somete a un cambio de esfuerzos que es rápido comparado con el tiempo necesario para la disipación del exceso de presión intersticial, de manera que la falla se produce en condiciones no drenadas. Sin embargo, si el tiempo de construcción se extiende por largo tiempo, como suele suceder, por ejemplo, en presas de tierra, al final de la construcción ya se habrá producido algún grado de consolidación. Si en este momento los esfuerzos de corte que se generan en el suelo tienen la magnitud suficiente para producir la falla, esta se producirá rápidamente sin drenaje adicional. En este ensayo se aplica a la muestra la presión de confinamiento ( 3) teniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta y dejando transcurrir el tiempo necesario para que haya completa consolidación bajo la presión actuante. Cuando el equilibrio estático interno se alcanza, todas las fuerzas exteriores actúan sobre la fase sólida del suelo de modo que producen esfuerzos efectivos en tanto que los esfuerzos neutros en el agua corresponden a la condición hidrostática. Posteriormente, la muestra es llevada a la falla aplicando la carga axial con la válvula de salida del agua a la bureta cerrada, de modo que no se permite ninguna consolidación adicional en el espécimen. Esto hace que a medida que se aplica el esfuerzo desviador se desarrollen presiones de poros y que por lo tanto los esfuerzos efectivos ya no sean iguales a los esfuerzos totales sino que se vean disminuidos vertical y lateralmente por el valor de esa presión.

Ensayo triaxial Consolidado No Drenado (CU) Etapa Final

3

Primera Etapa

Segunda Etapa

3



3

u=0

+

vs.

Esfuerzos Efectivos

1 = 3 + 

3

=

u



3

Esfuerzo Tangencial ()

c'

Esfuerzos Totales

u

3

1 = 3 +  = 3 – u + 

3 = 3 – u

u

1 = 3 + 

Envolvente de Falla (Esfuerzos Efectivos) c’ tag’

3= 3 – u

1 = 3 +  = 3 – u + 

' 

*La resistencia a la compresión  resulta mucho menor que en la prueba lenta.

c tag I'

c

3

I

u 3 1

u 3

Esfuerzo Normal () c y  reciben el nombre de cohesión y ángulo de fricción interna aparente, y son simplemente parámetros matemáticos que se consideran para determinar la resistencia al corte del suelo en este tipo de prueba a partir de los esfuerzos normales totales que también son aparentes, pues no son los que el suelo soporta realmente en su estructura.

Ensayo triaxial No Consolidado No Drenado (UU) o Ensayo rápido Este ensayo puede simular la situación cuando un depósito de arcilla se somete a un cambio de esfuerzos que es rápido comparado con el tiempo necesario para la disipación del exceso de presión intersticial. De esta manera, la falla potencial debido a la aplicación de nuevas cargas se producirá en condiciones no drenadas. Las obras que se ven sometidas a esta situación incluyen pequeños terraplenes, taludes artificiales, muros de contención y cimentaciones de edificios. En este ensayo la presión de confinamiento y la presión de celda se aplican tan rápidamente con respecto a la velocidad del agua para salir que no se produce alguna disipación de los excesos de presión de poros El círculo de falla se puede trazar de dos maneras, una a partir de los esfuerzos totales que el operador conoce y otra a partir de los esfuerzos efectivos para la cual se requiere conocer el valor de la presión neutral u.

Ensayo triaxial No Consolidado No Drenado (UU) o Ensayo rápido Etapa Final Segunda Etapa

Primera Etapa



3

3

3

u1

+

vs.

Esfuerzos Efectivos

1 = 3 + 

1 = 3 + 

=

u2

3

u1 +u2

1 = 3 – (u1 +u2) + 

3

3 = 3 – (u1 +u2)

u1 +u2

Esfuerzo Tangencial ()

Envolvente de Falla (Esfuerzos Efectivos) c’ tag’

3= 3 – (u1 +u2)

1 = 3 + 

1 = 3 + 



3

c'

Esfuerzos Totales

1 = 3 – (u1 +u2) +  ' 

Envolvente de Falla (Esfuerzos Totales) c tag I'

c 3

I

Esfuerzo Normal ()

u=u1+u2 3 1

u=u1+u2 3

Ensayo triaxial Resultados