Práctica 6
ENSAYO TRIAXIAL
6.1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
El objetivo fundamental de esta práctica es que el alumno se familiarice
con la realización de ensayos triaxiales en suelos; es decir, que vea cómo
se preparan las muestras, se colocan en el aparato, se saturan, se
consolidan y se les aplican las condiciones de ensayo que se hayan
establecido para cada caso. La descripción de los equipos a utilizar ya ha
sido introducida en las clases teóricas de la asignatura.
Como complemento al trabajo en el Laboratorio, se deberán analizar una
serie de ensayos reales llevados a cabo en el Laboratorio de Ingeniería del
Terreno de la ETSICCP de la Universidad de La Coruña. Durante la
realización de la práctica y del informe asociado a ella, se utilizarán las
notaciones y conceptos introducidos en las clases teóricas.
6.2 CONCEPTOS BÁSICOS
El ensayo triaxial es utilizado habitualmente para determinar las
propiedades resistentes y deformacionales de un suelo, cuando éste está
sometido a un estado de tensiones tal que dos de las tensiones principales
son iguales y donde los ejes principales de tensiones no giran.
El ensayo se realiza en una célula de pared transparente sobre muestras
cilíndricas que, salvo que se adopten precauciones especiales, tienen una
altura igual a dos veces su diámetro, colocadas dentro de una membrana de
látex. Esta membrana va sujeta a dos cabezales sobre los que se apoyan las
bases de la probeta, por medio de dos piedras porosas que permiten el
drenaje del suelo.
Para realizar el ensayo se aplica una tensión, (1, en la dirección del
eje del cilindro de suelo, lo cual se hace por medio de un motor que
acciona el cabezal inferior en el que apoya la probeta. Simultáneamente se
ejerce una presión hidrostática por medio de un fluido que llena la célula
(generalmente agua), de tal forma que las otras dos tensiones principales,
(2 y (3, permanezcan iguales. El procedimiento habitual consiste en aplicar
la presión de célula isotrópica y constante y provocar la rotura de la
muestra aumentando la tensión axial mediante el desplazamiento del cabezal
inferior. Para completar el ensayo se rompen, al menos, tres probetas de
terreno de las mismas características, con valores diferentes de (3.
En los ensayos se miden los siguientes parámetros:
(Presión de cámara: (3.
(Tensión desviadora: (1-(3.
(Deformaciones verticales y horizontales (estas últimas con menor
frecuencia).
(Volumen de líquido (en ensayos drenados).
(Presión de poro (en ensayos no drenados).
Habitualmente se aplica una sobrepresión inicial al líquido intersticial
(presión de cola), para favorecer la saturación de la muestra y conseguir
que las presiones intersticiales sean siempre positivas, ya que si no, en
los suelos con dilatancia positiva dichas presiones disminuirían y podrían
llegar a ser negativas.
En general, el ensayo puede emplearse para el estudio de cualquier tipo
de suelo, siempre que sea posible obtener o preparar muestras homogéneas.
El tamaño máximo de las partículas no debe exceder 1/6 del diámetro de la
muestra.
Los tipos de ensayo que pueden realizarse son:
(Consolidado-drenado (Ensayo CD)
(Consolidado-no drenado (Ensayo CU)
(No consolidado-drenado (Ensayo UD)
(No consolidado-no drenado (Ensayo UU)
La rotura de la muestra se puede alcanzar de dos maneras:
( Imponiendo una trayectoria de tensiones, lo que supone realizar una
aplicación de cargas por incrementos, hasta producir la rotura de la
muestra.
( Imponiendo una trayectoria de deformaciones a velocidad constante y
midiendo las tensiones axiales resultantes en el cabezal superior.
En el ensayo triaxial consolidado-drenado (CD) la muestra previamente
saturada y con el drenaje impedido se somete a compresión isotrópica (Δ(3),
con lo que la presión de poro aumenta (Δuc). Posteriormente se abre el
drenaje de manera que comience la disipación de la presión de poro (y por
lo tanto la consolidación de la muestra). La presión de poro tenderá a cero
y el cambio de volumen de suelo debido a la consolidación será igual al
volumen drenado de agua. Tras la consolidación isotrópica y con el drenaje
abierto se procede a incrementar progresivamente la tensión desviadora
((d). La velocidad del ensayo debe ser calculada previamente de manera que
Δu 0 en todo momento. Puesto que de esta manera las presiones de poro
durante el ensayo se disiparán completamente, tenemos que:
(Presión de cámara total y efectiva = (3 = (3'
(Tensión axial total y efectiva = (3 + Δ(d = (1 = (1'
En el ensayo consolidado-no drenado (CU), el suelo saturado previamente
también se consolida isotrópicamente. Una vez disipado por completo el
exceso de presión de poro que se hubiera generado en la etapa anterior, se
cierra la válvula de drenaje y se incrementan las tensiones desviadoras
hasta la rotura de la muestra. Dado que ahora estamos impidiendo el
drenaje, produciremos incrementos en las presiones de poro, Δud. Por lo
tanto, el estado tensional será, en cualquier instante:
(Componente principal mayor de la tensión total = (3 + (Δ(d) = (1
(Componente principal mayor de la tensión efectiva = (1 - (Δud) = (1'
(Componente principal menor de la tensión total = (3
(Componente principal menor de la tensión efectiva = (3 - (Δud) = (3'
Con lo que resulta evidente que: (1 - (3 = (1' - (3'
Las normativas que contienen este ensayo son: BS 1377:1975 y ASTM D4767-
88. Las normas ASTM están disponibles en la biblioteca de la Escuela.
Este es el momento de repasar la teoría
6.3 APARATOS Y MATERIAL NECESARIO
Herramientas para preparar la muestra (Figura 6.1): cuchillos,
espátulas, talladores, sierras etc. En arcillas se utilizan muestras
inalteradas cuando se trata de formaciones naturales, o bien se
preparan en moldes como el Harvard, análogo al del ensayo Proctor pero
con mayor altura, etc. En arenas, las muestras suelen prepararse en un
molde, aproximándose lo más posible a las condiciones de densidad "in
situ".
Figura 6.1 Preparación de las muestras para ser sometidas a ensayos
triaxiales. Observar la membrana de látex que recubrirá la muestra una vez
finalizado el tallado.
( También se necesitan membranas de látex (Figura 6.1) para recubrir
las probetas una vez que están preparadas (Figura 6.2) y piedras
porosas para interponer entre la muestra y los dos cabezales en los
que apoya. Las piedras porosas facilitan el drenaje del suelo y
homogeinizan la presiones del agua en las bases de la probeta.
Figura 6.2 Muestra de suelo recubierta por la membrana de látex colocada en
la unidad principal del equipo triaxial. En esta unidad principal se aloja
el motor que mueve el cabezal inferior, así como todas las conexiones
hidráulicas.
( Equipo de ensayo triaxial, compuesto por los siguientes elementos:
( Unidad principal (Figura 6.2). En ella se aloja el motor que
mueve el cabezal inferior, aplicando las trayectorias de tensiones
o deformaciones deseadas a la probeta. En la parte superior tiene
la base sobre la que apoya la célula triaxial. En dicha base se
encuentran todas las tomas hidráulicas (presión de cámara, presión
de cola, presión de poro, drenaje de cámara y drenaje de muestra.
( Célula triaxial de metacrilato (Figura 6.3). Dentro de la cual va
introducida la muesta y el líquido que producirá la presión de
cámara.
( Dos controladores (Figura 6.4). Encargados de proporcionar las
presiones de cámara y cola, respectivamente. Además, miden los
volúmenes que entran o salen de la célula y de la muestra.
Figura 6.3 Célula de metacrilato sobre la unidad principal del equipo
triaxial. La presurización del fluido que rellena la célula permite someter
a la muestra a una tensión de confinamiento (σ2 = σ3) .
( Un transductor para medir la presión de poro.
( Una célula sumergible, situada dentro de la cámara, que nos
permite conocer las cargas axiales aplicadas a la probeta.
( Equipo informático. Todos los datos obtenidos de la
instrumentación de la muestra son enviados a un ordenador, en el
que se almacenan para su posterior tratamiento. Además, dicho
ordenador permite transmitir todas las órdenes del usuario al
equipo de ensayos (tipo de ensayo, presiones, trayectorias
tensionales o deformacionales, cantidad de datos que deben
almacenarse, etc.).
Figura 6.4 Controladores de presión de cámara y cola, que permiten
además medir los volúmenes que entran o salen de la célula y de la
muestra.
6.4 PROCEDIMIENTO OPERATIVO
En la presente práctica se ilustrarán los diferentes pasos a seguir en la
realización de un ensayo triaxial, incluyendo:
Saturación de la muestra empleando presión de cola.
( Consolidación isotrópica previa.
( Rotura de la muestra con medida de presiones intersticiales.
Las muestras a ensayar tendrán un diámetro de 70 mm y una altura de 140
mm. El líquido empleado para suministrar la presión de cámara será agua.
Los pasos que se seguirán durante la realización del ensayo serán los
siguientes:
Comprobación y preparación del equipo.
Preparación y colocación de la muestra.
Colocación de la célula triaxial y llenado de agua desaireada.
Saturación de la probeta. Para ello, se aplicarán escalones de
incremento de presión de cámara y de cola, desacoplados como máximo 50
kPa.
Consolidación isotrópica de la muestra. Se aplica, por ejemplo, una
presión de cámara de 400 kPa y una presión de cola de 300 kPa.
Rotura de la probeta. Se mantiene cerrado el drenaje (caso de ensayo
CU). Se aplica la velocidad de carga adecuada (en función del tiempo
que ha tardado en completarse la consolidación anterior y teniendo en
cuenta el tipo de ensayo que se realice).
A partir de este momento, el equipo de adquisición automática de
datos comienza a registrar el desplazamiento del cabezal inferior, la
carga axial aplicada a probeta, la presión de cámara y la presión de
poro. De estos datos pueden obtenerse gráficos que relacionen
deformación unitaria con tensión desviadora y presión de poro, y los
diagramas p-q, p'-q' ó t-s, t'-s'.
El ensayo se detendrá automáticamente al alcanzar la máxima
deformación de la probeta impuesta antes del comienzo del ensayo.
Desmontaje el ensayo. Puesta a cero de las presiones de cámara y
cola, eliminación del agua de la cámara, retirado de la célula
triaxial y de la muestra para estudiar la forma de rotura, y para
determinar la humedad y el índice de poros.
6.5 INFORME DE LA PRÁCTICA
Para realizar el informe de la práctica se entregará a los alumnos una
colección de datos experimentales correspondientes a ensayos reales
llevados a cabo en el laboratorio de Ingeniería del Terreno de la ETSICCP
de la Universidad de La Coruña. El informe de cada subgrupo de prácticas,
deberá incluir:
( Colección de ensayos CD:
( Dibujo de las curvas de deformación axial, ( (%), frente a
tensión desviadora (1-(3 (kPa).
( Dibujo de las curvas de deformación axial, ( (%), frente a
variación de volumen.
( Calculo de las componentes mayor y menor de las tensiones
efectivas y dibujo de la envolvente de rotura del suelo.
A partir de la envolvente de rotura, obtener el ángulo de
rozamiento interno del suelo, ϕ' (º), y su cohesión, c' (kPa).
( A partir de toda la información obtenida en los apartados
anteriores, comentar las características del suelo que puedan
apreciarse durante la evolución del ensayo.
( Colección de ensayos CU:
( Dibujo de la curva deformación axial, ( (%), frente a tensión
desviadora (1-(3 (kPa).
( Dibujo de la curva deformación axial, ( (%), frente a presión
intersticial u (kPa).
( Dibujo de las trayectorias p (kPa)-q (kPa) y p' (kPa)-q' (kPa),
correspondientes a todo el ensayo, incluyendo la fase de
consolidación isotrópica.
( A partir de las gráficas obtenidas en los apartados anteriores,
comentar las características del suelo que puedan apreciarse durante
la evolución del ensayo.
IMPORTANTE: Los archivos de datos correspondientes a los ensayos, así
como la explicación detallada de las condiciones experimentales se podrán
recoger por red en:
\centro-calculo\Demeter\Asignaturas\Geotecnia\Laboratorio\IT2\Triaxial
6.6 EJEMPLO DE INTERPRETACIÓN
Se han llevado a rotura, a partir de estados de tensiones efectivas
iniciales distintos, tres probetas de suelo. Estas tensiones fueron de 200,
400 y 800 kPa (probetas 2M4, 2M5 y 2M6, respectivamente).
Las velocidades de ensayo, calculadas basándose en los tiempos
empleados por las muestras en consolidar, fueron de 0.2, 0.33 y 0.25
mm/hora, respectivamente.
Los resultados del ensayo, para cada probeta, se resumen en la Tabla 6.1.
El criterio de rotura empleado ha sido el de la máxima tensión
desviadora. En este caso, al tratarse de un ensayo CD, este criterio
coincide con el de la máxima relación entre tensiones efectivas
principales.
Las deformaciones en rotura de las probetas 2M4, 2M5 y 2M6 fueron del
0.86, 0.86 y 1.52%, respectivamente.
Las tensiones desviadoras que alcanzaron las muestras, en rotura,
fueron de 1250, 1580 y 2050 kPa, respectivamente. Las curvas deformación-
tensión desviadora pueden verse en la Figura 6.5.
Finalmente, las variaciones volumétricas unitarias, también en rotura,
alcanzaron los valores de –0.60, -1.03 y –0.37% (Figura 6.6).
Figura 6.5 Ensayo CD. Diagramas deformación-tensión desviadora.
Figura 6.6 Ensayo CD: Diagramas deformación-variación volumétrica
De la envolvente de rotura de Mohr-Coulomb obtenida para este ensayo
(Figura 6.7) se infieren los valores recogidos en la Tabla 6.2.
Tabla 6.1 Resultados del ensayo CD
"Probeta"Tensión de "Deformación "Tensión "Variación "
" "confinamiento "en rotura "desviadora en "volumétrica en"
" "(kPa) "(%) "rotura (kPa) "rotura (%) "
"2M4 "200 "0.86 "1250 "-0.60 "
"2M5 "400 "0.86 "1580 "-1.03 "
"2M6 "800 "1.52 "2050 "-0.37 "
Figura 6.7 Ensayo CD: Envolvente de rotura de Mohr-Coulomb.
Tabla 6.2 Ensayo CD: Parámetros resistentes
"Cohesión (kPa) "Ángulo de rozamiento interno "
" "(º) "
"320 "23.7 "
El estado de las probetas al finalizar el ensayo se refleja en la
Figura 6.8.
Se observa que la probeta 2M4 ha presentado una rotura 'frágil', bajo una
deformación más pequeña que en el resto de muestras de este ensayo, y con
una superficie inclinada de rotura. En la curva deformación-tensión
desviadora se percibe claramente el comportamiento típico de los suelos
sobreconsolidados: descenso brusco de la resistencia al alcanzar el 'pico'
de tensión desviadora.
Figura 6.8 Probetas correspondientes a la colección de ensayos CD.
El comportamiento de la probeta 2M6 es totalmente distinto, rompiendo de
una forma 'dúctil'. La muestra se deforma sin que aparezcan superficies de
discontinuidad y la resistencia permanece constante una vez alcanzada una
deformación determinada, no existiendo un 'pico' definido para la tensión
desviadora.
En la probeta 2M5 se percibe un comportamiento híbrido. Por una parte, en
el diagrama deformación-tensión desviadora existe un 'pico', aunque no tan
acusado como en la probeta 2M4; por otra, en la fotografía no se percibe
con nitidez ningún plano de rotura, asimilándose más su aspecto final al de
la muestra 2M6 (es decir, a una rotura 'dúctil').
6.7 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
Apuntes de Ingeniería del Terreno II. M. Melis (2000). ETSICCP.
Universidad de A Coruña.
Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 3. K.H. Head (1988). John
Wiley & Sons, Inc. (Disponible en la biblioteca de la ETSICCP)
Engineering Properties of Soils and their measurements. J.E. Bowles
(1992). Mc Graw-Hill International Editions. Civil Engineering Series.
(Disponible en la biblioteca de la ETSICCP)
Soil Mechanics Laboratory Manual. B.M. Das (1992). 5th Edition.
Engineering Press. Austin, Texas.
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Prácticas de Geotecnia – ETSICCP UNIVERSIDADE DA CORUÑA
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Práctica 6. ENSAYO TRIAXIAL
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