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INTEGRANTES DEL GRUPO:
APAZA PARI, Roy Edilson COAQUIRA COAQUIRA, Diego LAURA CALLO, Leo GUEVARA BENAVENTE, Omar ARCANA SAMILLAN, Iván GUDIEL LERMA CATAKORA, Edwin Junior TORRES ZARATE, Katherine DOCENTE: RINA YAMPARA TICONA MATERIA: ESTABILIDAD DE TALUDES SEMESTRE: IX - B
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ENSAYO TRIAXIAL (ASTM D7181 – 11, ASTM D4767 – 11, ASTM D2850) (MTC E 131 – 2000, AASHTO T 296, AASHTO T 297-94) 1. Generalidades
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 esfuerzodeformación. 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. A diferencia del ensayo de corte directo, en el aparato de compresión triaxial el plano de rotura de la muestra ensayada no está fijado a priori, sino que permite que éste se genere de forma natural y adopte la orientación más desfavorable. Además, en el aparato triaxial es posible controlar a voluntad el drenaje de la muestra y la velocidad de aplicación de la carga, lo que permite reproducir cualquier situación presente en el suelo en su estado inalterado. Los aparatos triaxiales tienen en común el que aplican sobre el contorno de la muestra únicamente tensiones normales, es decir, tensiones principales. Entre ellos destaca el que comúnmente se designa con el nombre de aparato triaxial, que es realmente un aparato de compresión cilíndrica, pues permite aplicar una tensión sobre el contorno lateral del cilindro, y otra distinta según su eje. 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.
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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 triaxiales pueden ser clasificados en:
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.
Consolidados-no drenados (CU) o consolidados rápidos (RC). Se permite el drenaje durante la primera etapa solamente.
No consolidados-no drenados (UU) o rápidos (Q). Se impide el drenaje durante las dos etapas del ensayo.
La Resistencia al Esfuerzo Cortante de un suelo (τf ), en función de los es-
fuerzos totales, se determina usando la Ley de Coulomb: τf = c + σ tan υ
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.
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2. Método de prueba de compresión triaxial consolidado - drenado de Suelos 2.1 Alcance
Este método de ensayo cubre la determinación en relación de la fuerza y tensión-deformación de una muestra cilíndrica de suelo ya sea alterado o inalterado. Las muestras se consolidan y cizallan en compresión con drenaje a una velocidad constante de deformación axial (tensión controlada)
Este método de ensayo proporciona para el cálculo de tensiones principales y de compresión axial mediante la medición de la carga axial, la deformación axial, y cambios volumétricos.
Este método de ensayo proporciona datos útiles en la determinación de resistencia y deformación propiedades tales como envolvente de Mohr. Generalmente, tres muestras se prueban a diferentes tensiones de consolidación efectiva para definir una envolvente de falla
Si este método de ensayo se utiliza en suelo cohesivo, una prueba puede tardar semanas en completarse.
La determinación de la envolvente de falla y el desarrollo de las relaciones de ayuda a la hora de interpretar y evaluar los resultados de la prueba están fuera del ámbito de aplicación de este método de ensayo y deben ser realizados por un calificado, con experiencia profesional.
Todos los valores observados y calculados deberán ajustarse a las directrices para los dígitos significativos y redondeo establecido en D6026.
Los métodos utilizados para especificar cómo se recogen los datos, calculados o registrados en esta norma se consideran el estándar de la industria. Además, ellos son representativos de las cifras significativas que generalmente debe ser retenidos. Los procedimientos utilizados no tienen en cuenta las variaciones del material, el propósito de la obtención de los datos, estudios de propósito especial o cualquier consideración sobre el uso final. Está más allá del alcance de este método de prueba para considerar dígitos significativos utilizados en los métodos de análisis para el diseño de ingeniería.
Unidades de los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como los estándares. Las unidades pulgada-libra figuran entre paréntesis son conversiones matemáticas, que se proporcionan únicamente con fines informativos y no se consideran estándar. Notificación de los resultados de
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la prueba en unidades distintas de la SI no se considerará como no conformidad con este método de ensayo. Esta norma puede involucrar materiales peligrosos, operaciones y equipos. Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad, si los hay, asociados con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer prácticas de seguridad y salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
2.2 Características:
Es lento Fácil de hacer Es el más utilizado La velocidad de ensayo no debe permitir presiones de poros superiores a 50% de la presión de confinamiento. Se gasta mucho tiempo para encontrar la resistencia a esfuerzos efectivos para un rango de presiones de consolidación. Se requiere ensayar varias muestras. Los resultados son útiles para estabilidad de taludes en corte. 2.3 Importancia y Uso
La resistencia al corte de un suelo saturado en compresión triaxial depende de las tensiones aplicadas, el tiempo de consolidación, la velocidad de deformación, y el historial de tensión experimentado por el suelo.
En este método de ensayo, las características de corte se miden en las condiciones drenadas y son aplicables a las condiciones donde los suelos han sido consolidadas por integración global en virtud de las tensiones normales existentes y los cambios normales de tension bajo condiciones drenadas similares a los del método de prueba de campo.
La resistencia al corte determinado a partir de este método de ensayo se puede expresar en términos de tensión eficaz porque una velocidad de deformación o la tasa de aplicación de la carga lo suficientemente lento como para permitir la disipación de la presión de poro durante el corte se utiliza para minimizar las condiciones de exceso de presión de poros. La resistencia al corte puede aplicarse a las condiciones de campo donde puede ocurrir el drenaje completo (condiciones drenadas), y las condiciones de esfuerzo de campo son similares a los del método de ensayo.
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La resistencia al corte determinado a partir de la prueba se utiliza comúnmente en la estabilidad del terraplén análisis, cálculos de la presión de la tierra, y diseño de la cimentación.
2.4 Expresión grafica
En la primera etapa se satura la muestra completamente de agua, en la segunda esta es consolidada bajo una presión isotrópica de cámara y en la tercera etapa se aplica una carga axial, que va incrementándose a un ritmo suficientemente lento para que no se presente un incremento en la pre sión de poros. Con un drenado total y una velocidad adecuada, se asegura que la presión de poros en la muestra permanezca constante, entonces el incremento en el esfuerzo efec tivo es igual al incremento del esfuerzo total (Δσ’ = Δσ). Se utiliza la válvula C para vigilar la presión de poros, con la válvula A y las lecturas de los deformímetro que controlan la carga y la deformación vertical se mide el cambio de volumen de la probeta. El objetivo del ensayo es determinar los parámetros de resistencia efectivos c' y Φ' del suelo. Para determinar los esfuerzos principales y dibujar el círculo de esfuerzo de Mohr se procede de la misma manera que para el caso del ensayo UU, entonces se grafica la variación de la deformación vertical respecto al esfuerzo desviador mostrada en la Figura 6.56.
Figura 6.57. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial CD. ESTABILIDAD
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Obteniendo de la curva mostrada en la Figura 6.56 el esfuerzo desviador de falla (σd)f que puede ser el valor pico o crítico, se determina el esfuerzo principal mayor con la expresión: (σ'1)f = (σ'3)f + (σd)f
[6.42]
El esfuerzo principal menor efectivo de falla (σ'3)f , será el esfuerzo isotró-
pico aplicado en la cámara para la consolidación de la probeta. Para trazar la envolvente de falla y determinar los parámetros de resistencia efectivos, se deben trazar tres círculos (Figura 6.57).
Figura 6.58. Envolvente de falla para un suelo Tipo I en un ensayo triaxial CD.
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3. Método de prueba de compresión triaxial consolidado - no drenado de Suelos 3.1 Alcance
Este método de ensayo cubre la determinación de la fuerza y esfuerzodeformación relaciones de una muestra cilíndrica de cualquier suelo cohesivo saturado alterado, inalterado o remodelado. Las muestras son isotrópicamente consolidadas y cizalladas en la compresión sin drenaje a una velocidad constante de deformación axial (esfuerzo controlado).
Este método de ensayo proporciona para el cálculo de esfuerzos totales y efectivos, y la compresión axial mediante la medición de la carga axial, la deformación axial, y la presión de poros.
Este método de ensayo proporciona datos útiles en la determinación de las propiedades de resistencia y deformación de suelos cohesivos tales como envolvente de falla de Mohr y el módulo de Young. Generalmente, tres muestras se prueban a diferentes esfuerzos de consolidación efectiva para definir un envolvente de falla.
La determinación de las envolventes de falla y el desarrollo de las relaciones de ayuda a la hora de interpretar y evaluar los resultados de la prueba están fuera del ámbito de aplicación de este método de ensayo y deben ser realizados por un calificado, con experiencia profesional.
Todos los valores observados y calculados deberán ajustarse a las directrices para los dígitos significativos y redondeo establecido en D6026 Práctica.
Los métodos utilizados para especificar cómo se recogen los datos, calculados o registrados en esta norma se consideran el estándar de la industria. Además, ellos son representativos de las cifras significativas que generalmente debe ser retenidos. Los procedimientos utilizados no tienen en cuenta la variación del material, el propósito de la obtención de los datos, estudios de propósito especial o ninguna consideración de uso final. Está más allá del alcance de este método de prueba para considerar dígitos significativos utilizados en los métodos de análisis para el diseño de ingeniería.
Unidades de los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como los estándares. Las unidades pulgada-libra figuran entre paréntesis son conversiones matemáticas que se proporcionan únicamente con fines
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informativos y no se consideran estándar. Notificación de los resultados de la prueba en unidades distintas del SI no se considerará como una no conformidad con este método de ensayo. Es una práctica común en la profesión de ingeniería / construcción de utilizar simultáneamente libras para representar tanto una unidad de masa (lbm) y de la fuerza (lbf). Esto combina implícitamente dos sistemas separados de las unidades; es decir, el sistema absoluto y el sistema gravitacional. Es científicamente deseable combinar el uso de dos sistemas separados de unidades pulgada-libra dentro de una única norma. Como se ha dicho, esta norma incluye el sistema gravitacional de unidades pulgadalibra y no utiliza / presentar la unidad babosa para la masa. Sin embargo, el uso de saldos o escalas de grabación libras de masa (lbm) o la densidad de grabación en lbm / ft3 no se considerará como una no conformidad con esta norma.
La densidad términos y unidad de peso se usan indistintamente. La densidad es la masa por unidad de volumen mientras que el peso unidad es la fuerza por unidad de volumen. En esta densidad estándar se da sólo en unidades del SI. Después de la densidad ha sido determinada, la unidad de peso se calcula en SI o en unidades pulgada-libra, o ambos.
3.2 Características
Este ensayo también denominado ensayo consolidado rápido (R), consta de tres etapas (saturación, consolidación y compresión). Primeramente la probeta es saturada completamente de agua, luego incrementando la presión de cámara es consolidada, esta etapa lleva al suelo a un estado prescrito de volumen y de presión de poros, a partir del cual se pueden medir con exactitud los siguientes cambios de volumen o de presión de poros que ocurrirán durante el ensayo. Finalmente cuando se ha disipado el exceso de presión de poros al valor de la contrapresión original σ3 se cierran las válvulas de drena je para empezar la compresión, donde la probeta llegará al punto cedente sin drenado. Cuanto mayor sea la presión de cámara σ3 mayor será el esfuerzo desviador necesario para producir la falla. La duración de la etapa de consolidación depende al tipo de suelo y al tamaño de la probeta, en algunos casos esta etapa puede durar hasta 48 horas; mientras que la etapa de compresión puede durar de 10 minutos hasta 2 horas. El objetivo del ensayo es determinar los parámetros efectivos c' y Φ', ya que estos gobiernan la resistencia al corte del suelo y determinar también algunas características respecto al cambio de volumen y rigidez del suelo. Para dibu jar el círculo de esfuerzos de Mohr que condicionará la envolvente de falla ESTABILIDAD
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deben determinarse los esfuerzos principales σ1 y σ3, para lo cual se recolectan periódicamente los valores de los deformímetros que controlan el anillo de carga y la deformación vertical (DL) de la probeta durante la compresión y también la presión poros en la probeta. Con el área corregida A de la probeta puede determinarse el esfuerzo desviador que actúa en la probeta. Midiendo el exceso de presión de poros Δu durante la etapa de compresión, se puede determinar el parámetro A de Skempton que será:
3.3 Importancia y Uso
La resistencia al corte de un suelo saturado en compresión triaxial depende de las tensiones aplicadas, el tiempo de consolidación, la velocidad de deformación, y la historia estrés experimentado por el suelo.
En este método de ensayo, las características de corte se miden en condiciones no drenadas y es aplicable a las condiciones de campo donde los suelos que han sido consolidadas por integración global bajo un conjunto de tensiones se someten a un cambio en la tensión sin tiempo para una mayor consolidación a tener lugar (condición no drenada), y las condiciones de esfuerzo de campo son similares a aquellos en el método de ensayo.
Utilizando la presión de poro medido durante la prueba, la resistencia al corte determinado a partir de este método de ensayo se puede expresar en términos de los esfuerzos efectivos. Esta resistencia a al corte se puede aplicar a las condiciones donde puede ocurrir el drenaje completo (condiciones drenadas).
La resistencia al corte determina a partir de la prueba de expresarse en términos de tensiones totales (condiciones no drenadas) o tensiones efectivas (condiciones drenadas) se utiliza comúnmente en la estabilidad del terraplén análisis, cálculos de la presión de la tierra, y diseño de la cimentación.
No obstante las declaraciones de precisión y sesgo contenidas en este método de ensayo. La precisión de este método de ensayo depende de la competencia del personal que realice y la idoneidad de los equipos y las instalaciones utilizadas.
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3.4 Expresión grafica
Se grafica el esfuerzo desviador σd en función a la deformación vertical e, también el exceso de presión de poros y el parámetro A de Skempton, como se muestra en la Figura 6.54. La curva que corresponde al esfuerzo desviador de falla ()f tendrá un valor pico o crítico según al Tipo de suelo donde alguno de estos se considerará el instante de falla, para este instante de falla se tendrá un valor del exceso de presión de poros y del coeficiente A.
Figura 6.55. Deformación vertical en función a d, u y A en un triaxial CU en suelo Tipo II.
Figura 6.56. Envolvente de falla para un suelo Tipo II en un ensayo triaxial CU. ESTABILIDAD
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La presión que se aplicó en la celda para consolidación será el esfuerzo principal menor σ3, por lo cual el esfuerzo efectivo principal menor y mayor en la falla será:
Teniendo los esfuerzos principales puede entonces graficarse el círculo de esfuerzo de Mohr, se realizan como mínimo tres ensayos para trazar una adecuada envolvente de falla. Con el parámetro puede describirse características particulares del suelo, los rangos de variación de este parámetro para los diversos suelos se presentan en la tabla 6.5. Tabla 6.4. Rango de valores de A en la falla para diversos suelos.
En este ensayos la resistencia al corte permanece prácticamente constante para un intervalo grande de los valores de presión de menores que la presión de sobreconsolidación. Las arcillas NC muestran una resistencia adicional con respecto a la obtenida, esta es atribuible a los mismos efectos de sobreconsolidación, estos efectos son comparativamente mayores a los del ensayo drenado debido a que se impide el drenaje. En los casos de obras que están sobre depósitos de arcilla en las cuales el tiempo de construcción se extiende por tiempo razonablemente largo, puede suponerse que al final de la construcción se habrá producido algún grado de consolidación. Si en ese momento las solicitaciones de corte que se generan tienen magnitud suficiente para producir la falla, ésta se producirá rápidamente sin drenaje adicional. Este comportamiento se modela en el ensayo consolidado no drenado, en el cual la muestra se consolida bajo la presión de cámara y luego se lleva a la ruptura aumentando el esfuerzo desviador sin permitir el drenaje. Este ensayo es aplicado en muestras alteradas e inalteradas de arcilla y también en arena y grava.
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4. Método de prueba de compresión triaxial no consolidado - no drenado de Suelo. 4.1 Alcance
Este método de ensayo cubre la determinación de las relaciones de fuerza y esfuerzo-deformación de una muestra cilíndrica de cualquiera de suelo cohesivo alterada o inalterada. Las muestras se someten a una presión de fluido de confinamiento en una cámara triaxial. No se permite el drenaje de la muestra durante el ensayo. La muestra se corta en la compresión sin drenaje a una velocidad constante de deformación axial (esfuerzo controlado).
Este método de ensayo proporciona datos para determinar las propiedades de resistencia sin drenar y la relación esfuerzo-deformación de los suelos. Este método de ensayo proporciona para la medición del total de las tensiones aplicadas a la muestra, es decir, las tensiones no se corrigen para la presión de agua de los poros.
La determinación de la resistencia a compresión simple de suelos cohesivos está cubierto por la norma ASTM D 2166.
La determinación de la fuerza consolidada, sin drenaje de suelos cohesivos con medición de la presión de poro está cubierto por la norma ASTM D 4767.
Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como el estándar. Los valores indicados en unidades pulgada-libra y entre paréntesis son aproximadas.
Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad, si los hay, asociados con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer prácticas de seguridad y salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
4.2 Características
A este ensayo se lo denomina también ensayo rápido (Q) donde no se permite en ningún momento el drenaje. La probeta no es consolidada, por lo tanto no se disipa la presión de poros durante la aplicación de la presión isotrópica de cámara s3 en la etapa de saturación. Después de establecer la presión de confinamiento en la cámara, se conecta la prensa para aplicar la carga axial, se deben tomar lecturas de los deformíESTABILIDAD
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metros de deformación y de carga a intervalos regulares, de este último hasta que se produzca la falla o hasta que la deformación alcance un valor considerable (aproximadamente 20%). El incremento del esfuerzo desviador es bastante rápido, lo que permite que no se disipe la presión de poros y los resultados puedan solo expresarse en términos de esfuerzo total. La duración del ensayo es de 10 a 15 minutos. Este ensayo se usa para determinar el parámetro de resistencia no drenado cu y es adecuado para arcillas saturadas. En condiciones no drenadas, los suelos saturados presentan un esfuerzo de corte crítico que tiende a mantenerse constante para cualquier valor del esfuerzo normal. Un aumento en el esfuerzo axial ocasiona un aumento semejante en la presión de poros, por lo tanto el esfuerzo efectivo normal permanece constante. En una serie de ensayos no drenados efectuados bajo esfuerzos desviadores diferentes en probetas saturadas con el mismo suelo, los círculos de esfuerzos de Mohr para la combinación de esfuerzos de falla describirán la envolvente de falla no drenada como se muestra en la Figura 6.53. La intersección de la envolvente con el eje de corte define el valor de la cohesión no drenada del suelo (cu). Este parámetro de resistencia del suelo aparentemente es constante. Sin embargo, se deben notar dos condiciones importantes relacionadas con cualquier valor observado de cu. Primero el valor es relevante sólo para una masa de suelo sin drenado y segundo que el valor solo corresponde para un determinado contenido de humedad y volumen específico, por lo que se obtendrá un valor distinto para un diferente contenido de humedad y volumen específico. 4.3 Significado y Uso
En este método de ensayo, la resistencia a la compresión de un suelo es determinado en función de la tensión total, por lo tanto, la fuerza resultante depende de la presión desarrollada en el fluido de poro durante la carga. En este método de ensayo, no se permite el flujo de fluido desde o hacia la muestra de suelo como se aplica la carga, por lo tanto, la presión de poro resultante, y por lo tanto la fuerza, difiere de que se desarrollaron en el caso en que se puede producir el drenaje.
Si las muestras de prueba están 100% saturados, la consolidación no puede ocurrir cuando se aplica la presión de confinamiento ni durante No se permite la porción de corte de la prueba desde el drenaje. Por lo tanto, si varias muestras del mismo material se ponen a prueba, y si todos ellos son aproximadamente el mismo contenido de agua y relación de vacíos cuando se ponen a prueba, tendrán aproximadamente la misma resistencia al corte sin drenaje. La envolvente de rotura de Mohr por lo general será una línea recta horizontal en toda la gama
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de las tensiones de confinamiento aplicadas a las muestras si los especímenes están totalmente saturados. Si las muestras de ensayo están parcialmente saturados o compactado, donde el grado de saturación es menor que 100%, la consolidación puede ocurrir cuando la presión de confinamiento es aplicado durante el corte, a pesar de que no está permitido el drenaje. Por lo tanto, si varias muestras parcialmente saturados de la mismo material se prueban a diferentes esfuerzos de confinamiento, que no tendrá la misma resistencia al corte sin drenaje. Por lo tanto, la envolvente de Mohr para triaxial no drenada no consolidada pruebas en suelos parcialmente saturados generalmente es curva.
La fuerza triaxial no drenada no consolidada es aplicable a las situaciones en las que se asumieron las cargas que tenga lugar de manera rápidamente que no hay tiempo suficiente para el agua intersticial inducida la presión se disipe y la consolidación que se produzca durante el período de carga (es decir, el drenaje no se produce).
Las resistencias a la compresión se determinaron utilizando este procedimiento no puede aplicarse en los casos en que las condiciones de carga en el campo diferir significativamente de los utilizados en este método de ensayo.
4.4 Expresión grafica
Figura 6.53. Envolvente de falla no drenado resultante del triaxial UU.
Para poder dibujar el círculo de Mohr de esfuerzos es indispensable determinar los esfuerzos principales σ1 y σ3. Durante el ensayo triaxial (UU), se recolectan periódicamente valores de los deformímetros que controlan el anillo de carga y la deformación de la probeta (DL). La deformación vertical e, es calculada con la siguiente expresión:
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Dónde: = Deformación vertical del
espécimen de suelo. = Deformación del espécimen registrado por el deformímetro. = Longitud inicial del espécimen de suelo. La carga P que transmite el vástago a la probeta de suelo es el producto de la medida que registra el deformímetro ubicado en el anillo de carga multiplicado por el factor de calibración del anillo, es decir: P = (Lectura del deformímetro)·(Factor de calibración del anillo). Durante la comprensión el área transversal del espécimen de suelo cambia por lo cual debe ser corregida, se utiliza la siguiente expresión:
Dónde: A = Área transversal corregida. e = Deformación vertical del espécimen de suelo. A0 = Área transversal inicial del espécimen de suelo
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Figura 6.54. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial UU.
El esfuerzo desviador sd, que actúa en el espécimen de suelo, será:
La Figura 6.54 muestra la variación de la deformación vertical e en función al esfuerzo desviador, según al Tipo de suelo la curva presentará un valor del esfuerzo desviador de falla ( σd)f que será el valor pico (σd)p o el crítico (σd)cr según al caso, donde cualquiera de estos podrá tomarse como el instante de falla. Según la ecuación [6.28] el esfuerzo principal mayor σ1,
será:
El esfuerzo principal menor en la falla (s3)f, es la presión de registrada en la cámara triaxial al momento de la falla. Teniendo los esfuerzos principales se grafica el círculo de Mohr de esfuerzos. Aunque basta con obtener un círculo de esfuerzo, es conveniente realizar diversos ensayos (como mínimo 3) para trazar la envolvente de falla con la cual puede determinarse el parámetro de resistencia no drenado. 5. Diferencias 5.1 Entre los ensayos triaxial consolidado no drenado y consolidado drenado.
Primeramente definiremos lo que se entiende por ensayos triaxiales consolidados, en estos tipos de ensayo el espécimen se consolida primeramente bajo una presión de confinamiento, así el esfuerzo llega a ser efectivo, es decir, la presión de cámara queda actuando sobre la fase sólida del suelo. En un ensayo C.U. (consolidado no drenado), la muestra es llevada a la falla por rápido incremento de la carga axial, de manera que no exista cambio de volumen. El hecho esencial de este tipo de ensayos es no permitir ninguna consolidación durante el periodo de falla con la aplicación de la carga axial, esto se logra fácilmente en una cámara de compresión Triaxial cerrando la válvula de salida de las piedras porosas de la bureta (válvula que conecta el interior de la muestra de suelo con el exterior de la cámara de compresión). Se podría pensar que todo esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacíos del suelo en forma de presión intersticial, ello no ocurre ESTABILIDAD
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así y se sabe que parte de esa presión axial es tomada por la parte sólida del suelo, pero en una prueba de compresión Triaxial la muestra puede deformarse lateralmente y, por lo tanto, su estructura toma esfuerzos cortantes desde el principio. En el ensayo C.D. (consolidado drenado), la diferencia esencial con respecto al ensayo anterior corresponde al hecho de abrir la válvula de la bureta, esto con el propósito de desalojar el agua contenida en los poros de la muestra de suelo que se esta ensayando, además se cuenta el hecho de que las velocidades de aplicación de la carga son mucho mas lentas que en el ensayo C.U. Otra de las diferencias notables entre los dos ensayos, es que durante el ensayo C.D. se pueden medir las variaciones de volumen dentro de la muestra, es decir, las variaciones de volumen que experimenta el índice de vacíos, esto se debe a que el agua contenida en ellos comienza a salir lentamente, lo que permite un reacomodo de las partículas sólidas del suelo. 5.2 entre los ensayos triaxial consolidado no drenado y consolidado drenado.
Básicamente se reduce a la diferencia entre esfuerzo total y efectiva. En términos simplificados, resistencia al corte es proporcional a la tensión efectiva (estrés no total). Estrés Superior efectiva producirá resistencia al corte superior. En la prueba de CU está consolidando muestras a diferentes tensiones efectivas por lo que la muestra consolidada a la tensión efectiva más alta le dará una mayor resistencia al corte, y una línea trazada entre los círculos de Mohr le dará un ángulo de fricción. Con la prueba UU, sin consolidación está ocurriendo lo que no está aumentando la tensión efectiva. El aumento de la tensión de confinamiento es tomada por el agua en lugar de la tierra. Estás agregando tensión total en lugar de la tensión efectiva, por lo que la resistencia al corte no aumenta con el aumento de límite de tensión. Hay muchos matices pero esta es la idea básica.
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6. Ventajas, desventajas y limitaciones del ensayo triaxial
a. Ventajas i. La distribución de la tensión en el plano de falla es uniforme. ii. La muestra es libre de fallar en el plano más débil iii. Hay un control completo sobre el drenaje. iv. Los cambios de presión de poro y los cambios volumétricos pueden medirse directamente. v. El estado de esfuerzos en todas las etapas intermedias para la falla es conocida. El círculo de Mohr se puede extraer en cualquier etapa de corte vi. Esta prueba es adecuada para el trabajo de investigación precisa y el aparato adaptable a las necesidades especiales, como prueba de la extensión y ensayos para diferentes trayectorias de tensiones. b. Desventajas i. El aparato es complicado, voluminoso y costoso. ii. La prueba de drenaje tiene lugar un período más largo en comparación con una prueba de corte directo. iii. No es posible determinar el área de la sección transversal de la muestra en tensiones más grandes, como la suposición de que la muestra permanece cilíndrica no se sostiene bien. iv. Las condiciones de deformación en la muestra no son uniformes debido a la limitación por fricción producida por la tapa de carga y el disco pedestal. Esto conduce a la formación de las zonas muertas en cada extremo de la muestra. v. La consolidación de la muestra en la prueba es isotrópica, mientras que en el campo, la consolidación es generalmente anisotrópico. c. Limitaciones Algunas limitaciones de los ensayos de compresión Triaxial son:
En algunos casos de arcilla el tamaño de la muestra puede tener importantes efectos sobre la resistencia medida. Se deben confeccionar o tomar muestras de diámetros que representen adecuadamente grietas y discontinuidades en una muestra de suelo.
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7. Procedimientos y cálculos
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
PROCEDIMIENTO a. El suelo a utilizarse se prefiere que sea inalterado, en cuyo caso se debe tallar por lo menos tres especimenes cilíndricos, teniendo muy en cuenta su estratificación y evitando destruir la estructura original del suelo. b. 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. c. 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). d. El momento de preparar los especimenes se debe tomar muestra para determinar el contenido de humedad. e. Pesamos el primer espécimen y lo colocamos en la base de la cámara triaxial, utilizando una piedra porosa entre la muestra y dicha base. f. Colocamos la membrana de caucho en el espécimen, utilizando un aparato especial para ello. g. Colocamos la cabeza de plástico usando una piedra porosa entre la cabeza y el espécimen. ESTABILIDAD
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h. Aseguramos la membrana con ligas tanto en la parte superior como en la inferior.En el caso de realizar en ensayo triaxial en un triaxial Soiltest, c onectamos la cabeza de plástico en el tubo espiral que sale de la base y que se utiliza para el drenaje de la muestra. i. Colocamos la cámara con su tapa, asegurándonos que estén bien colocados los empaques y seguidamente apretamos los tornillos que sujetan la cámara uniformemente. j. Introducimos el pistón en el hueco de la cabeza de plástico. k. Centramos el brazo de carga con el pistón y colocamos el dial de las deformaciones en cero.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. l. 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. m. 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. n. Una vez 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. o. Todo este proceso lo repetimos con los demás especimenes, utilizando presiones laterals diferentes.
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EJEMPLO DE CÁLCULO Con los siguientes datos obtenidos en un ensayo triaxial se pide calcular el ángulo de rozamiento interno y la cohesión del suelo.
PRIMER ENSAYO
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SEGUNDO ENSAYO
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Con los datos de Esfuerzo Desviador y Deformación Unitaria, se procede a trazar la curva Esfuerzo vs. Deformación para cada probeta, como se muestra a continuación:
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Entonces se obtiene el valor del Esfuerzo Máximo de Rotura, que nos permitirá graficar los Círculos de Morh para cada probeta y determinar υ y c como
se muestra a continuación:
Finalmente se muestran una tabla que contiene los datos de c y y además el resto de valores deducidos del gráfico como son el Esfuerzo Normal y el Esfuerzo Tangencial:
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8. Interpretación de datos
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4.1 APLICACIONES: EN FUNDACIONES
Para fundaciones colocadas en terrenos arcillosos, la condición inmediatamente después de completar la construcción, es casi siempre la más crítica. Esto es porque la carga completa es aplicada al terreno y éste no ha tenido tiempo para ganar la resistencia adicional por consolidación. Por estas condiciones la resistencia al corte es determinada por pruebas al corte Triaxial. Para pequeños proyectos sobre los cuales el gasto de un programa de ensayos no se justifica, la capacidad de carga en suelos de arcilla saturada se puede calcular con el ensayo C.N.C. ESTABILLIDAD EN TALUDES:
En cualquier caso de construcción de taludes, sean estos hechos por la mano del hombre o formados naturalmente en faldas de montaña o bordes de río, se tiene por resultado componentes gravitacionales del peso que tienden a movilizar el suelo desde un nivel mas alto hasta uno mas bajo. La filtración puede ser una causa muy importante para movilizar el suelo cuando el agua esta presente, estas fuerzas variantes producen esfuerzos cortantes en la masa del suelo, y ocurrirá movimiento, a menos que la resistencia al corte sobre cada posible superficie de falla a través de la masa sea mayor que el esfuerzo actuante. EMPUJES:
Al proyectarse estructuras de sostenimiento, debe asegurarse solamente que no solo se produzca el colapso o falla. Desplazamientos de varios centímetros no suelen tener importancia, siempre que se asegure que no se producirán repentinamente desplazamientos mas grandes. Por ello el método para el proyecto de estructuras de retención suele consistir en estudiar las condiciones que existirán en una condición de falla, introduciendo factores de seguridad convenientes, para evitar el colapso. Una solución completa y exacta para un caso activo o pasivo de equilibrio limite, debe cumplir las siguientes condiciones: Cada punto del terreno debe estar en equilibrio. La condición de falla Mohr - Coulomb debe cumplirse en todos los puntos. Los esfuerzos al interior de la masa deben estar en equilibrio con los exteriores.
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