7/17/2019 Ensayo Tri Axial

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Introducción

El esfuerzo cortante en los suelos es el aspecto más importante de la ingeniería

geotécnica. La capacidad de soporte de cimentaciones superficiales como

profundas, la estabilidad de los taludes y el diseño de muros o paredes de

retención, llevan implícito el valor de la resistencia al esfuerzo cortante. Desde otropunto de vista, el diseño de los pavimentos, se ve influenciado de una forma

indirecta por la resistencia al cortante de los suelos, ya sea en el análisis de la

estabilidad de un talud o en el diseño de los muros de retención y de forma

directa, a través del diseño de las fundaciones ue soportan el pavimento,

específicamente, en la subrasante. !or consecuencia, tanto las estructuras como

los taludes deben ser estables y seguros frente a un colapso total, cuando éstos

sean sometidos a una má"ima aplicación de cargas.

El esfuerzo cortante de un suelo se #a definido como la $ltima o má"ima

resistencia ue el suelo puede soportar. Específicamente, se #a e"presado comola resistencia interna ue ofrece la masa de suelo por área unitaria para resistir la

falla al deslizamiento a lo largo de cualuier plano dentro de él. El esfuerzo

cortante puede ser determinado de muc#as maneras, algunos de los ensayos más

comunes inclinadas son la veleta %&'() D *+*-, ensayos de penetración

estándar '!( %&'() D /0+-, así como algunos otros tipos de penetrómetros,

los cuales en su mayoría no evitan los problemas asociados con la alteración de la

muestra debido a su e"tracción en el campo, sin de1ar de lado ue ofrecen

información sumamente importante. 'in embargo, muc#os de esos métodos

determinan la resistencia al cortante indirectamente a través de correlaciones. !or 

otra parte, en el laboratorio e"iste una serie de ensayos ue usualmente se

realizan dentro del ámbito de la ingeniería para evaluar las propiedades de

resistencia de cada material ue conforma el subsuelo. Entre estos se pueden

citar la resistencia a la compresión unia"ial %&'() D 2/++-, corte directo %&'() D

344 y &'() D +02- y los ensayos de compresión tria"ial %&'() D *5+5 y

 &'() D 204-.

PRUEBA TRIAXIAL

El ensayo de compresión tria"ial, al igual ue el ensayo de corte directo, nospermite obtener los parámetros de corte necesarios para calcular en la forma másapro"imada posible la resistencia $ltima de una masa de suelo ue será sometidaa solicitaciones por la construcción de alguna obra de ingeniería. La prueba deensayo tria"ial es uno de los métodos más confiables para determinar losparámetros de la resistencia al cortante.

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 & diferencia del ensayo de corte directo, el ensayo de compresión tria"ial, no fi1a apriori el plano de rotura de la muestra ensayada sino ue permite ue el mismo segenere en forma natural y adopte la orientación más desfavorable. !or otra parteeste tipo de ensayo nos permite controlar a voluntad el drena1e de la muestracomo así también la velocidad de aplicación de las cargas. !or lo tanto podemos

simular en la e1ecución del ensayo, cualuier situación ue se presente en lanaturaleza como veremos.6tra de las venta1as ue presenta el ensayo de compresión tria"ial con respecto alde corte directo es la utilización de probetas cilíndricas de tamaños variados, ueson más fácil y económicas de obtener.

Cámara Triaxial

!ara la e1ecución de los distintos tipos de ensayos tria"ial se utiliza la siguientecámara. La cual es totalmente desmontable y para la e1ecución del ensayo secomienza a montar.

'obre dic#a base colocamos, enroscándolo, el cabezal inferior cuyo diámetro esvariable y depende del tamaño de la probeta a ensayar. Los diámetros usadoscom$nmente son de 3,0 cm, 0,4 cm y 5,+ cm. Estos cabezales pueden ser ciegoso permeables. Los ciegos son por lo general metálicos, lisos y no permiten el

drena1e de la muestra, los permeables en cambio tienen alo1ada en una cavidaduna piedra porosa en forma de disco en la cara ue esta en contacto con laprobeta ue permite, a través de conductos internos de la base, el drena1e deagua ue ingresa o ue e"pulsa la probeta cuando es ensayada.

Fig. A

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En un ensayo tria"ial, un espécimen cilíndrico de suelo es revestido con una

membrana de láte" con la intención de asilarla completamente del medio ue lo

rodea, dentro de una cámara a presión. La parte superior e inferior de la muestra

tiene discos porosos, los cuales se conectan al sistema de drena1e 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 su1etos a presiones laterales de un líuido,

generalmente agua.

El agua de la cámara puede aduirir cualuier presión deseada por la acción de

un compresor comunicado con ella. La carga a"ial se transmite al espécimen por 

medio de un vástago ue atraviesa la parte superior de la cámara.

La presión ue se e1erce con el agua ue llena la cámara es #idrostática y produce

por lo tanto, esfuerzos principales sobre el espécimen, iguales en todas lasdirecciones, tanto lateral como a"ialmente. En las bases del espécimen actuará

además de la presión del agua, el efecto transmitido por el vástago de la cámara

desde el e"terior.

Es usual llamar 7/, 72 y 73 a los esfuerzos principales mayor, intermedio y

mínimo, respectivamente. En una prueba de compresión, la presión a"ial siempre

es el esfuerzo principal mayor, 7/8 los esfuerzos intermedios y menor son iguales

%72 9 73- y son iguales a la presión lateral.

En las fotos ue se muestran a continuación se pueden observar cada uno deestos pasos.

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En todo tipo de ensayo tria"ial tenemos durante su e1ecución dos etapas biendiferenciadas:

1° Etapa: consiste en la aplicación de una presión #idrostática %igual en todasdirecciones- y ue logramos mediante la inyección de líuido a presión a través dela llave %&- de la fig.& y ue mide la presión del mismo en el manómetro. Estatensión aplicada sobre toda la superficie de la probeta, ue se conoce con elnombre de (ensión ;onfinante, es similar a la esuematizada en la fig.& a laderec#a con la denominación de 3 9 2 por lo tanto no #ay tensión intermedia ome1or dic#o la tensión principal intermedia %2- coincide con la tensiónprincipal mínima %3-. Lógicamente ue en esta primera etapa también la tensión

principal má"ima coincide con la tensión principal menor y ue la carga es#idrostática.

2° Etapa: aplicamos por intermedio del pistón de la cámara tria"ial un esfuerzovertical ue se distribuye a toda el área de la probeta y ue se conoce con elnombre de (ensión Desviante. Esta tensión desviante s sale de dividir el esfuerzo< ue se transmite a través del pistón por área de la probeta &.

σ =Q

 A

La tensión principal mayor / estará compuesta por la suma de la tensiónconfinante 3  aplicada en la /= etapa y la tensión desviante d aplicada en lasegunda, por lo tanto:

σ 1=σ 

3+σ 

d

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;on lo cual la tensión desviante  σ d  será:

σ d=σ 1−σ 3

 >na vez armada la cámara tria"ial la misma debe montarse en el marco de cargaue puede ser de deformación controlada o de carga controlada. En el marco decarga de deformación controlada se aplica, como su nombre lo indica, unadeformación constante a la probeta y se mide en un anillo dinamométrico la fuerza< ue desarrolla la probeta para oponerse a la deformación.En la ?ig. @ se muestra un esuema de este tipo de marco de carga, ue no esotra cosa ue una prensa deaccionamiento mecánico o manual ue

permite ue el platoinferior se mueva ensentido vertical y ue el pistón de la cámara tria"ialreaccione contra el aro dinamométrico montado en la parte superior  de la prensa.

Estos aros dinamométricos sonintercambiables y cadauno tiene unrango de carga dado por elfabricante dentro del cual se

comportan como perfectamenteelástico, es decir ue simedimos su deformación,para un esfuerzo dado y la

multiplicamos por la

constante elástica uenos indica el fabricante, podemosconocer la carga < en Ag ue estamos e1erciendo contra el aro ypor ende sobre la probeta.

Boy ya prácticamente en los laboratorios, los aros dinamométricos #an de1ado sulugar a las celdas de carga, ue nos dan en forma digital y en tiempo real, la cargaa la ue está siendo sometida.

La velocidad de deformación de la prensa se puede variar a voluntad y cubre unrango muy amplio de velocidades ue van desde los 044 Cmin a los 2 Cmin.(anto la deformación del aro dinamométrico, como la ue sufre la probeta al ser 

Fig. B

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sometida a los esfuerzos de la tensión desviante, se miden con el au"ilio de;omparadores o ?le"ímetros de gran sensibilidad, ue consta esencialmente deuna agu1a ue recorre un cuadrante de /44 divisiones cuando el e"tremo delcomparador sufre una deformación de / mm lo cual nos permite obtener comolectura directa un desplazamiento de 4,4/ mm.

!ara medir la deformación ue sufre la probeta fi1amos un comparador al pistón dela cámara tria"ial de tal forma ue el e"tremo del mismo reaccione contra la tapade la cámara tria"ial, ue es un punto fi1o del sistema.!or $ltimo debemos decir ue para evitar fuerzas #orizontales ue podrían

generar esfuerzos de fle"ión sobre el pistón por alguna peueña e"centricidad. Esconveniente colocar una bolilla de acero entre el pistón y el aro dinamométrico.El marco de carga controlada, como su nombre lo indica aplica en forma directamediante pesas, o mediante pesas y brazos de palanca, una carga constantesobre el pistón de la cámara tria"ial y luego se miden las deformaciones de laprobeta #asta ue las mismas se detengan para volver a aplicar otro escalón decarga ue se suma al ya aplicado y ue genera por lo tanto más deformaciones dela probeta. 'iguiendo este esuema, se alcanza la rotura de la probeta. Estosmarcos de carga controlada no tienen en la actualidad gran utilidad y se usan enalgunos estudios o para investigar los fenómenos del ;EE!.Prparación d pro!ta":

!ara la e1ecución de los ensayos tria"iales, un paso muy importante es laobtención de las muestras representativas, para la e1ecución del ensayo.

Estas muestras pueden ser tomadas desde distintos tipos de muestras inalteradasue pueden ser muestras FDamasG recuperadas de calicatas, o muestrasinalteradas obtenidas de perforaciones con sacamuestras especiales. En la fotoue se ad1unta se muestra una FdamaG desde la ue se procede a recortar un

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prisma para ser colocados en un torno especial ue se utiliza en el laboratoriopara tallar la probeta cilíndrica a ser ensayada.

Este torno tiene dos cabezales móviles del diámetro de la probeta a tallar, ue sepueden a1ustar mediante un tornillo roscado sobre el prisma, tal como se muestra

en las fotografías ad1untas.

 & continuación se procede a recortar los e"cesos de material siguiendo con unaregla metálica afilada sobre uno de sus lados, las generatrices de la futuramuestra cilíndrica ue se intenta tallar. Este proceso de recorte del materiale"cedente se contin$a #asta lograr ue la muestra uede perfectamente cilíndrica.Luego se retira del torno aflo1ando los cabezales y se empare1a la cara superior einferior de manera ue ueden lo más paralelas posible.

 & continuación la muestra se mide, se pesa y se monta en la cámara de ensayotria"ial, con los aditamentos necesarios de acuerdo a la característica del ensayoue se piensa realizar. Heremos más adelante ue en ciertos ensayos seránnecesario colocar piedras porosas en ambos cabezales y un papel de filtroespecialmente recortado en el perímetro de la misma, para favorecer el drena1e dela muestra durante la e1ecución del ensayo. ?inalmente se colocan los cabezalesmetálicos ue servirán para transmitir la tensión desviante sobre la probeta.

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TIP#$ %E PRUEBA$ TRIAXIALE$

;omo #emos visto anteriormente, laaplicación de la tensión deconfinamiento y de la tensión desviante

%  σ 

1−σ 

3 - conforman dos etapas bien

diferenciadas en la e1ecución delensayo tria"ial.

'i analizamos las condiciones dedrena1es ue tienen la probeta en cadauna de estas etapas, podemos clasificar a los ensayos tria"iales en los siguientes

tipos:

Pru!a lnta & Pru!a con con"olidación ' con drna( )C%*

La característica fundamental de la prueba es ue los esfuerzos aplicados al

espécimen son efectivos. !rimeramente se aplica al suelo una presión

#idrostática, manteniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta y

de1ando transcurrir el tiempo necesario para ue #aya consolidación completa ba1o

la presión actuante. ;uando el euilibrio estático interno se #aya restablecido,

todas las fuerzas e"teriores estarán actuando sobre la fase sólida del suelo, esdecir, producen esfuerzos efectivos, en tanto ue los esfuerzos neutrales en el

agua corresponden a la condición #idrostática. La muestra se lleva a la falla a

continuación aplicando la carga a"ial en peueños incrementos, cada uno de los

cuales se mantiene el tiempo necesario para ue la presión en el agua, en e"ceso

de la #idrostática, se reduzca a cero.

Los ensayos consolidados drenados se utilizan esencialmente en suelos

granulares %arenas-, sin embargo, se puede aplicar en suelos finos, pero los

ensayos reuieren tiempos prolongados del orden de semanas.

Pru!a rápida + Pru!a con con"olidación ' "in drna( )CU*

En este tipo de prueba, el espécimen se consolida primeramente ba1o la presión

#idrostática8 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 a"ial, de manera ue no se permita cambio de volumen. El #ec#o esencial

de este tipo de prueba es el no permitir ninguna consolidación adicional durante el

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periodo de falla, de aplicación de la carga a"ial. Esto se logra fácilmente en una

cámara de compresión tria"ial cerrando la válvula de salida de las piedras porosas

a la bureta.

En la segunda etapa de una prueba rápida consolidada podría pensarse ue todo

el esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacíos del suelo en formade presión neutral, ello no ocurre así y se sabe ue parte de esa presión a"ial es

tomada por la fase sólida del suelo, sin ue #asta la fec#a, se #ayan dilucidado

por completo ni la distribución de esfuerzos, ni las razones ue lo gobiernan. De

#ec#o no #ay ninguna razón en principio para ue el esfuerzo desviador sea

íntegramente tomado por el agua en forma de presión neutral, si la muestra

estuviese lateralmente confinada, como el caso de una prueba de consolidación.

El ensayo ;> %consolidadono drenado- se realiza generalmente con medición de

la presión de poros o neutra con el fin de determinar los parámetros de F;G y FIG

en términos de esfuerzos totales y esfuerzos efectivos.

Pru!a rápida & Pru!a "in con"olidación ' "in drna( )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 drena1e. En primer lugar, se aplica al espécimen

una presión #idrostática y de inmediato, se falla el suelo con la aplicación rápida

de la carga a"ial. Los esfuerzos efectivos en esta prueba no se conocen bien.

El ensayo >> es usualmente llevado a cabo sobre especímenes de arcilla,

enmarcando la realización del ensayo dentro del concepto de resistencia para

suelos co#esivos saturados, en donde se e"presan los resultados en términos de

esfuerzos totales. La envolvente de falla para los criterios de )o#r del esfuerzo

total se convierte en una línea #orizontal, con una condición de I 9 4= %ángulo de

fricción- y Jf 9 ;u , siendo ;u la resistencia al cortante no drenada, la cual es igual

al radio de los círculos de )o#r.