“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN” ESCUELA:
Ingeniería Civil
DOCENTE:
EDWIN JOEL ARTEAGA CHAVEZ
TEMA :
CURSO:
Ensayo triaxial y ensaño de corte directo Suelos II
CICLO:
VI
INTEGRANTES :
PAREDES CORTEZ IRWIN
CHIMBOTE – PERU
2015
ENSAYO TRIAXIAL 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. 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. Prueba Triaxial 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.
Tipos de pruebas triaxiales: Prueba lenta - Prueba con consolidación y con drenaje (CD)
La característica fundamental de la prueba es que los esfuerzos aplicados al espécimen son efectivos. Primeramente se aplica al suelo una presión hidrostática, manteniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta y dejando transcurrir el tiempo necesario para que haya consolidación completa bajo la presión actuante. Cuando el equilibrio estático interno se haya restablecido, todas las fuerzas exteriores estarán actuando sobre la fase sólida del suelo, es decir, producen esfuerzos efectivos, en tanto que los esfuerzos neutrales en el agua corresponden a la condición hidrostática. La muestra se lleva a la falla a continuación 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. Prueba rápida – Prueba con consolidación y sin drenaje (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. Prueba rápida - Prueba sin consolidación y sin drenaje (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 de 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. Máquina triaxial – Laboratorio de Geotecnia Componentes de la máquina triaxial Con el fin de realizar los diversos ensayos triaxiales, un equipo triaxial completo requiere diferentes elementos que lleven a cabo la adquisición de datos, aplicación de carga, medición de cambios de volumen, saturación de especímenes, entre otras funciones. A continuación se caracterizan de forma breve cada uno de ellos y la función que cumplen. Panel Triaxial Es el sistema conformado por válvulas y reguladores mediante los cuales se administra el flujo de aire y agua desaireada entre los equipos para la realización del ensayo triaxial. Cada panel posee 3 válvulas de distribución, reguladores de aire y salidas de medición de presión para 3 presiones
Equipo automático de cambio de volumen El equipo de cambio de volumen (aparato) realiza su función comprimiendo un pistón sellado contra un dispositivo de precisión en la cámara de calibración, de tal forma que un movimiento lineal del pistón es exactamente proporcional al cambio de volumen de agua que se da en la cámara de calibración (ver Figura 3). El pistón está conectado a un medio de medición externo, un transductor de desplazamiento lineal, adecuado para el sistema de adquisición de datos permitiendo que los cambios de volumen de la muestra sean desplegados y registrados directamente en centímetros cúbicos. Las especificaciones técnicas de este dispositivo son: Pistón Distancia de recorrido Capacidad de operación Precisión Dimensiones generales Entrada de transductor mayor a Carrera del transductor
40.15 cm2 25 mm 100 cm3 ± 0.05 cm3 225 x 230 x 390 mm (LxDxH) 12 Vdc 27 mm
Prensa Triaxial La prensa triaxial consiste en un marco de dos columnas con una viga transversal móvil (marco de carga) y una base que contiene la unidad de empuje mecánico, el motor eléctrico, los componentes electrónicos y los controles La acción de carga es realizada por un motor (stepper motor) de alta resolución. La unidad de sincronización que maneja el motor es controlada por un microprocesador. Mediante este microprocesador es posible obtener un desplazamiento predeterminado de la unidad de carga (empuje), constante durante el ensayo, cualquiera que sea la fuerza de resistencia. La velocidad y la dirección se preestablecen a través de controles localizados en el panel frontal. Las especificaciones técnicas de este dispositivo se encuentran a continuación: Mínima velocidad de desplazamiento (ensayo) Máxima velocidad de desplazamiento (ensayo) Velocidad de aproximación rápida Capacidad máxima de ensayo (Carga) Sistema de limitación de movimiento Motor Espacio horizontal máximo Espacio vertical máximo Dimensiones generales
Blader
1 x 10-5 mm/min 10 mm/min 25 mm/min 50 kN 2 micro interruptores más dos micro interruptores digitales De 5 fases y 1000 impulsos (round stepper motor) 380 mm 850 mm 500 x 273 x 1266 mm (LxDxH)
Es una cámara constituida por un cilindro de bandas de plexiglass, una placa base, una placa superior y una membrana de hule que trabaja como interface aire/agua
La membrana de hule está fijada a la placa base mediante un collar plástico. El blader es el encargado de transferir la presión del aire al agua, de forma inmediata, evitando que el aire comience a disolverse. La presión máxima de funcionamiento del blader es de 1000 kPa. Cámara triaxial
Está conformada por una cámara de bandas de metacrilato que permiten una presión máxima de funcionamiento de 2000 KPa, una base con cinco conexiones, de las cuales dos son para presión de poro, dos para contrapresión y una para presión de cámara. A su vez cuenta con un pistón de carga instalado mediante un sistema de baja fricción. Es en la cámara triaxial en donde se somete al espécimen a las condiciones específicas de esfuerzos de los ensayos
ENSAYO DE CORTE DIRECTO Este método describe y regula el método de ensayo para la determinación de la resistencia al corte de una muestra de suelo, sometida previamente a un proceso de consolidación, cuando se le aplica un esfuerzo de cizalla dura o corte directo mientras se permite un drenaje completo de ella. El ensayo se lleva a cabo deformando una muestra a velocidad controlada, cerca de un plano de cizalla dura determinado por la configuración del aparato de cizalla dura. Generalmente se ensayan tres o más especímenes, cada uno bajo una carga normal diferente para determinar su efecto sobre la resistencia al corte y al desplazamiento y las propiedades de resistencia a partir de las envolventes de resistencia de Mohr. Los esfuerzos de cizalla dura y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones por cizalla dura. En consecuencia, a partir de este ensayo no pueden determinarse las relaciones esfuerzo-deformación o cualquier otro valor asociado, como el módulo de cizalla dura. La determinación de las envolventes de resistencia y el desarrollo de criterios para interpretar y evaluar los resultados del ensayo se dejan a criterios del ingeniero o de la oficina que solicita el ensayo. Los resultados del ensayo pueden ser afectados por la presencia de partículas de suelo o fragmentos de roca
MÉTODO DE ENSAYO Este ensayo consiste en colocar el espécimen del ensayo en una caja de cizalla dura directa, aplicar un esfuerzo normal determinado, humedecer o drenar el espécimen de ensayo, o ambas cosas, consolidar el espécimen bajo el esfuerzo normal, soltar los marcos que contienen la muestra y desplazar un marco horizontalmente respecto al otro a una velocidad constante de deformación y medir la fuerza de cizalla dura y los desplazamientos horizontales a medida que la muestra es cizallada.
El ensayo de cizalla dura directa es adecuado para la determinación relativamente rápida de las propiedades de resistencia de materiales drenados y consolidados. Debido a que las trayectorias de drenaje a través de la muestra son cortas, se permite que el exceso de presión en los poros sea disipado más rápidamente que con otros ensayos drenados. El ensayo puede ser hecho en todo tipo de suelos inalterados, remodelados o compactados. Hay sin embargo una limitación en el tamaño máximo de las partículas presentes en las muestras Los resultados del ensayo son aplicables para estimar la resistencia al corte en una situación de campo donde ha tenido lugar una completa consolidación bajo los esfuerzos normales actuales. La ruptura ocurre lentamente bajo condiciones drenadas, de tal manera que los excesos de presión en los poros quedan disipados. Los resultados de varios ensayos pueden ser utilizados para expresar la relación entre los esfuerzos de consolidación y la resistencia a la cizalla dura en condiciones drenadas. Durante el ensayo de cizalla dura hay rotación de los esfuerzos principales, lo que puede o no corresponder a las condiciones de campo. Aún más, la ruptura puede no ocurrir en un plano de debilidad, puesto que ella tiene que ocurrir cerca de un plano horizontal en la parte media
del espécimen. La localización fija del plano de ruptura en el ensayo puede ser una ventaja en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de planos reconocidamente débiles dentro del material del suelo y para analizar las interfaces entre materiales diferentes. Los esfuerzos de cizalla dura y los desplazamientos no están distribuidos uniformemente dentro de la muestra y no puede definirse una altura apropiada para calcular las deformaciones de cizalla dura o cualquier otra cantidad asociada de interés en geotecnia. La baja velocidad de desplazamiento asegura la disipación de los excesos de presión de los poros, pero también permite el flujo plástico de suelos cohesivos blandos. Debe tenerse cuidado de asegurar que las condiciones del ensayo representen las condiciones que se están investigando. EQUIPO Aparato de cizalla dura: Instrumento diseñado y construido para contener de manera segura la muestra entre dos bloques porosos de tal modo que no se aplique un torque a la muestra. El aparato de cizalla dura debe estar en condiciones de aplicar un esfuerzo normal a las caras del espécimen, medir el cambio de espesor del espécimen, permitir el drenaje del agua a través de los bloques porosos en las fronteras superior e inferior de la muestra y de sumergir la muestra en agua. El aparato debe ser capaz de aplicar una fuerza de cizalla dura al espécimen a lo largo de un plano de cizalla dura predeterminado (cizalla dura simple) paralelo a las caras de la muestra. Los marcos que contienen el espécimen deben ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el ensayo. Las diferentes partes del aparato de cizalla dura, deben ser construidas de un material que no esté sujeto a la corrosión por humedad o por sustancias que se encuentren en el suelo, por ejemplo acero inoxidable, bronce, aluminio, etc. No se permite la combinación de metales que puedan dar lugar a un efecto galvánico.
Caja de cizalla dura: una caja de cizalla dura, circular o cuadrada, hecha de acero inoxidable, bronce o aluminio, con dispositivos para el drenaje a través de su parte superior e inferior. Esta caja debe estar dividida verticalmente por un plano horizontal en dos mitades de espesor igual que se ajustan con tornillos de alineación. La caja de cizalla dura está provista con tornillos de separación, que controlan el espacio entre sus mitades superior e inferior.
Instrumento de medición de la fuerza de cizalladura:
Un anillo de carga o celda de carga con precisión de 2.5 N (0.25 Kg) o 1% de la fuerza de cizalladura en condiciones de ruptura, lo que sea mayor.
MUESTRA La muestra utilizada en la preparación del espécimen debe ser suficientemente grande de manera que puedan ser preparadas por lo menos un mínimo de tres especímenes similares. Prepare los especímenes en un ambiente de temperatura y humedad controlada para minimizar la ganancia o pérdida de humedad. Debe tenerse mucho cuidado al preparar los especímenes inalterados de suelos sensitivos para prevenir la alteración de la estructura natural del suelo. Determine la masa inicial de la muestra húmeda que se utilizara para calcular el contenido inicial de agua y el peso unitario del espécimen. El diámetro mínimo del espécimen para las muestras circulares o el ancho para los especímenes cuadrados debe ser 50 mm, o no menos que 10 veces el diámetro máximo CALIBRACIÓN La calibración es la operación mediante la cual se determina la deformación del aparato cuando está sometido a la carga de consolidación de tal manera que para cada carga de consolidación la deflexión del aparato puede ser sustraída de las deformaciones observadas. En consecuencia sólo se registrará la deformación debida a la consolidación de la muestra para el ensayo completo. La calibración de las características de carga deformación, necesita llevarse a cabo en el aparato cuando se pone por primera vez en servicio o cuando se cambian partes del aparato. Arme el aparato de cizalla dura directa con un disco o placa metálica de calibración de espesor aproximadamente igual al del espécimen de ensayo deseado y alrededor de 5 mm más pequeño en diámetro o anchura. Coloque el indicador de desplazamiento normal, ajuste este indicador de manera que pueda ser utilizado para medir consolidación o expansión a partir de las lecturas del disco o placa de calibración. Registre la lectura cero o “sin carga”. Aplique incrementos de fuerza normal hasta alcanzar la capacidad del equipo, y registre las lecturas del indicador de desplazamiento normal y de la fuerza normal. Promedie los valores y prepare un gráfico de las deformaciones por carga del aparato como una función de la carga normal. Calcule la media de los resultados para futuras referencias en la determinación del espesor del espécimen de ensayo y de la compresión dentro del aparato mismo. Retire el disco o placa de calibración. PROCEDIMIENTO ARME LA CAJA DE CIZALLADURA Muestra inalterada: coloque los bloques porosos húmedos sobre los extremos expuestos del espécimen en la caja de cizalla dura, coloque la caja de cizalla dura con el espécimen inalterado y los bloques porosos en el soporte de la caja de cizalla dura y fíjela al soporte. En algunos aparatos la parte superior de la caja de cizalla dura se mantiene en su lugar mediante una varilla ranurada que se ajusta a un agujero en la misma mitad superior de la caja de cizalla dura. La mitad inferior de la caja de cizalla dura se fija al soporte mediante tornillos. En algunos aparatos la mitad superior de cizalla dura se mantiene en su lugar mediante una platina de anclaje. Especímenes compactados: coloque la caja de cizalla dura que contiene el espécimen compactado y los bloques porosos en el soporte y fíjela. Conecte y ajuste el sistema de carga de cizalla dura de modo que no transmita fuerzas sobre el instrumento de medición de carga.
Conecte y ajuste adecuadamente el instrumento de medición de desplazamiento horizontal utilizado para medir los desplazamientos de cizalla dura. Haga una lectura inicial o coloque el instrumento de medición para indicar el desplazamiento cero. Coloque un bloque poroso húmedo y la placa de transferencia de carga en la parte superior del espécimen en la caja de cizalla dura Coloque el marco de carga de fuerza horizontal en posición y ajústelo de modo que la barra de carga quede horizontal. Si se utiliza un sistema de carga por palancas, nivele la palanca. En los sistemas de carga neumática ajuste el marco de carga hasta que asiente suavemente en la depresión de la placa de transferencia de carga, o coloque una esfera metálica sobre la placa de transferencia y ajuste el marco hasta que haga un contacto suave
