EQUIPO TRIAXIAL MONOTONO Y CICLICO DE ALTAS PRESIONES

David Solans R. Magister Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile

dsolans@ing.uchile.cl

Ramón Verdugo A. Profesor Adjunto, Depto. Ingeniería Civil, Universidad de Chile

rverdugo@cmgi.cl

RESUMEN

En el presente articulo se presentan los detalles del diseño y construcción de un equipo triaxial para cargas monótonas y cíclicas que puede operar en un amplio rango de presiones confinantes (0 a 6,0 MPa) para muestras de tamaño 5 x 10 cm y 10 x 20 cm (diámetro – altura). Por sus características, el equipo logra gran versatilidad y utilidad en la obtención de los parámetros de suelos sometidos a altas presiones.

Palabras claves: equipo triaxial, altas presiones, arenas de relaves

1.- INTRODUCCIÓN

La minería en Chile se encuentra liderando los proyectos de estructuras de tierra más grande del mundo. En tranques de relaves los diseños superan los 250 m de altura y en botaderos las alturas se acercan a los 1000 m. En este contexto, el nivel de tensiones confinantes de los materiales ubicados en las zonas basales supera largamente los 1,0 MPa que permiten los equipos convencionales de corte directo y triaxial. Consecuentemente, se decidió diseñar y construir un equipo triaxial para cargas monótonas y cíclicas que permitiera un confinamiento de hasta 6,0 MPa, de forma de establecer las propiedades geomecánicas de suelos arenosos y gravosos en un amplio rango de presiones.

Tanto el diseño como la construcción se llevo a cabo en el laboratorio de sólidos y medios particulados de la FCFM de la Universidad de Chile por los autores de artículo. Los transductores fueron importados desde EE.UU.

2.- DISEÑO EQUIPO TRIAXIAL

2.1.- Datos Generales

En la Tabla 1, se presentan las principales características del equipo triaxial de carga monótona y cíclica desarrollado:

Tabla 1.- Características equipo triaxial monótono y cíclico

Tamaño de probetas 5 x 10 cm 10 x 20 cm

Tamaño máximo de partículas Dmáx

Hasta 17 mm

Tipos de Ensayos

CID compresión y extensión

CIU compresión y extensión

Triaxial Cíclico drenado y no drenado

Modo de Carga Deformación controlada (estático)

Carga controlada (cíclico)

Rango de presiones de confinamiento, σ’

0 0 a 6,0 MPa

Carga axial máxima 200 kN

A continuación se presenta el esquema general del equipo desarrollado con sus respectivas líneas de saturación y cambio volumétrico. Además, se describen las principales componentes del equipo, entre las que destacan: cámara triaxial, marco de carga, sistema de carga, aplicación de contrapresión y cambio volumétrico, aplicación de presión de cámara, panel de control y sistema de adquisición de datos. (Fig. 1 y Fig. 2)

Fig. 1.- Esquema general equipo Triaxial de Altas Presiones

BOMBA

DE AGUA

ACONDICIONADOR

DE SEÑALES

DPT

COMPRESORDE AIRE

REGULADOR

VÁLVULA

LÍNEA DE

PRESIÓN

LÍNEA

ELÉCTRICA

TP

TP

TP TRANSDUCTOR

PRESIÓN

CILINDRO

AMORTIGUADOR

ESTANQUE

AGUADPT

TRANSDUCTOR

PRESIÓN

DIFERENCIAL

Fig. 2.- Disposición general equipo Triaxial de Altas Presiones

2.2.- Cámara Triaxial

La cámara triaxial se compone básicamente de un cilindro metálico, barras de soporte, base de cámara triaxial, tapa superior, y pistón de carga. La cámara triaxial se diseñó para trabajar hasta presiones solicitantes de 6,0 MPa y transmitir una carga axial de 200 kN, para probetas de tamaño 10 x 20 cm y 50 kN para probetas de 5 x 10 cm. (Fig. 3. A)

2.3.- Marco de Carga

Consiste en un marco de reacción compuesto por dos planchas rígidas unidas por cuatro barras cilíndricas de acero. Este marco se apoya sobre una estructura metálica compuesta por perfiles rectangulares de acero. El marco de carga se diseñó para soportar una carga axial admisible de 400 kN. (Fig. 3. B)

2.4.- Sistema de Carga

Se basa en la aplicación de una carga axial a través de un tornillo de potencia, donde el mecanismo de carga consiste en la aplicación de una solicitación a través de una sistema de cadenas y engranajes, pasando a través de un reductor sin – fin corona, el que convierte el movimiento angular en una carga axial que es transmitida por el tornillo de potencia al pistón de carga y éste a su vez a la probeta a ensayar. El sistema de carga se diseñó para transmitir una solicitación axial de hasta 200 kN. (Fig. 3. C)

Sistema de Carga

Cámara Triaxial

Marco de Carga Panel de Control

2.5.- Aplicación de Contrapresión y Cambio Volumétrico

La contrapresión se aplica a través de un regulador que conecta la línea presurizada por un compresor de aire. La presión del regulador pasa a una interfaz aire – agua, de modo que la probeta a ensayar recibe presión de agua. El rango de presiones en que se ejerce esta presión va desde 0 a 0,7 MPa (Fig. 3. D)

Dependiendo del tipo de ensayo (CID o CIU), la medición del cambio volumétrico se realiza de dos alternativas: para ensayos del tipo drenado (CID), durante la etapa de consolidación se utiliza una bureta graduada y en la etapa de ejecución de ensayo se utiliza un transductor de presión diferencial (DPT), que mide una diferencia de columna de agua de forma digital. (Fig. 3. E). Para ensayos del tipo no drenado (CIU), solo se requiere medir el cambio volumétrico durante la etapa de consolidación mediante una bureta graduada.

2.6.- Aplicación de Presión de Cámara

Para presiones de 0 a 0,7 MPa, la aplicación de presión de cámara se realiza con el mismo sistema de contrapresión mencionado anteriormente. Para presiones de 0,7 a 6,0 MPa, la aplicación de presión de cámara se realiza a través de una bomba de agua de tres pistones y un cilindro amortiguador de 60 litros de volumen, que permite mantener una presión constante en la celda triaxial.

2.7.- Panel de Control

Para facilitar el manejo y operación de los sistemas de aplicación de contrapresión, medición de cambio volumétrico y aplicación de presión de cámara, se implementó un panel de control para el equipo triaxial. (Fig. 3. E)

Fig. 3.- A) Cámara triaxial. B) Marco de Carga.

A) B)

Fig. 4.- Cont. C) Sistema de Carga. D) Aplicación presión de cámara y E) Panel de Control.

2.8.- Sistema de Adquisición de Datos

Para la adquisición de datos se utilizó un moderno sistema de transductores, acondicionador de señal, tarjeta de conversión análogo – digital y programa de adquisición de datos, los que permiten obtener un preciso registro de datos en computador. Los componentes del sistema de adquisición de datos se detallan a continuación:

2.8.1.- Transductores

- Transductor de desplazamiento (LVDT): Se utilizó un transductor de desplazamiento que se ubica solidariamente al pistón de carga, para así medir la deformación de la muestra a ensayar. El transductor utilizado tiene un rango de desplazamiento de ± 50,8 mm y una precisión de ± 1% del máximo desplazamiento. (Fig. 5.A)

- Transductor de Presión (TP): Se utilizan dos transductores de presión, uno para medición de presión de cámara y otro para presión de poros. Dependiendo del rango de presiones a medir durante la ejecución de ensayos, se utilizaron transductores de presiones que alcanzan 1,45 y 10 MPa (Fig. 5.B)

- Celda de Carga (LC): A fin de evitar el efecto del roce del pistón de carga, se implementa el uso de celdas de cargas sumergibles que son capaces de medir en compresión como extensión. Las celdas sumergibles miden cargas de hasta los 12 kN. Complementariamente, se tiene una celda de carga externa que alcanza una carga máxima de 120 kN, la cual se utiliza para cargas elevadas, donde el roce de pistón pasa a ser despreciable. (Fig. 5.C y Fig. 5.D)

DPT

REGULADOR

VÁLVULA

LÍNEA DE

PRESIÓN

DPTTRANSDUCTOR

PRESIÓN

DIFERENCIAL

ENTRADA

MANGUERA

MANÓMETRO

BOMBA

DE AGUA

CILINDRO

AMORTIGUADOR

REGULADOR

DE AGUA

ESTANQUE

AGUA

REGULADOR

DE AIRE

C)

E)

D)

- Transductor de Presión Diferencial (DPT): Tiene como propósito medir de modo digital las variaciones volumétricas. El transductor de presión diferencial permite registrar cambios volumétricos con una precisión de 0,01 cc para presiones que van desde 50 kPa a 30,5 MPa (Fig. 5.E)

Fig. 5.- A) Transductor de desplazamiento. B) Transductor de Presión. C) Celda de Carga Sumergible. D) Celda de Carga Externa y E) Transductor de Presión Diferencial.

2.8.2.- Acondicionador de Señal, Tarjeta de Conversión Análoga Digital y Programa de Adquisición de Datos

- Acondicionador de señal: Se utiliza una unidad visualizadora y acondicionador de señal que opera con cuatro canales: uno para celda de carga, dos para transductores de presión y uno para transductor de deformación. El acondicionador de señal permite seleccionar las frecuencias de respuesta y tasas de adquisición de datos del sistema de transductores.

- Tarjeta de conversión análoga digital: Para poder obtener un registro de datos en forma digital, se utiliza una tarjeta de conversión análoga digital de 16 bits con una tasa de muestreo de 200 kS/s.

- Programa de adquisición de datos: Mediante el software LabView, se elaboró una rutina de ensayos del tipo estático con una frecuencia de muestreo de 1 muestra por segundo. Para los ensayos cíclicos, se implementó una rutina que permite definir una sinusoide de carga en amplitud y frecuencia, la cual se sigue solidariamente para efectuar los ciclos de

A)

B) C)

D) E)

carga y descarga. La frecuencia de muestreo en este caso correspondió a 10 muestras por segundo.

3.- CALIBRACIÓN DE SENSORES EQUIPO TRIAXIAL

Para validar el equipo triaxial de altas presiones se realizó una calibración de los transductores y dispositivos electrónicos.

La calibración corresponde a la relación directa entre la medición física y el voltaje de salida del transductor. En este caso, se comparó un patrón físico con la lectura de unidad visualizadora de transductores en voltaje escalado.

- Calibración Transductor de Desplazamiento (LVDT): La calibración del transductor de desplazamiento (LVDT) se realizó utilizando un dial y un transductor de deformación ya calibrados como unidades patrón. Éstos se adosaron solidariamente al transductor de desplazamiento a utilizar.

- Calibración Transductores de Presión (TP): Esta calibración se llevó a cabo a diversos rangos de presiones utilizando como unidades patrón los paneles de presión del Laboratorio de Sólidos (MECESUP) del Depto. de Ing. Civil de U. de Chile (0 a 0,7 MPa) y los paneles de la sección Geotecnia de IDIEM (0 a 3,0 MPa).

- Calibración Celdas de Carga (LC): Se calibró la celda externa utilizando un anillo de carga (unidad patrón IDIEM) para compresión y extensión en un rango de carga de 0 a 80 kN. La calibración de la celda de carga sumergible se realizó para tres presiones de confinamiento (0, 2,0 y 3,5 MPa) utilizando como unidad patrón la celda de carga externa previamente calibrada. La calibración de la celda sumergible realizada a 0 MPa fue corroborada con la medición de un anillo de carga de hasta 20 kN.

- Calibración Transductor Diferencial de Presión (DPT): La calibración del transductor de presión diferencial se realizó igualando las buretas del panel de control, para luego hacer variar la altura de la bureta interior graduada para obtener el registro de datos digitales.

4.- ENSAYOS DE VALIDACIÓN

4.1.- Ensayos realizados

Para validar el equipo triaxial se llevó a cabo una serie de ensayos triaxiales estáticos del tipo CIU y ensayos cíclicos no drenado sobre muestras remoldeadas de tamaño 5 x 10 cm para distintas presiones de confinamiento.

4.2.- Suelo Ensayado

El suelo ensayado corresponde a la arena de relaves del muro del tranque “El Torito” (Ref. 5). En la Fig.5 se presenta la curva granulométrica de esta arena. Esta arena posee un contenido de finos de 15% (finos no plásticos), tamaño medio D50 = 0.16 mm, coeficiente de uniformidad Cu = 3,3 y coeficiente de curvatura Cc = 1,2. La arena de relaves clasifica como Arena Limosa (SM) de acuerdo a clasificación USCS. Este material presenta una gravedad especifica GS = 2.75. Los índices de vacíos máximos y mínimos son emáx = 1.212 y emín = 0.551, respectivamente. Los ensayos se realizaron a una densidad relativa de DR = 60%.

Fig. 6.- Distribución Granulométrica Arena de Relaves Tranque El Torito

La preparación de muestras se realizó a través del método de Compactación Húmeda o Wet Tamping (Ref. 13) con cinco capas compactadas con un 5% de humedad.

4.3.- Ensayos de Compresión Triaxial

Se llevó a cabo una serie de ensayos triaxiales del tipo CIU para presiones de confinamiento de 0,5, 1,0 y 2,0 MPa. Los resultados se presentan en la Fig. 7.

Fig. 7.- A) Respuesta curvas tensión – deformación. B) Trayectoria de tensiones efectivas. Ensayos triaxiales CIU.

En la Fig. 7.B se observa que se alcanza el estado último con un ángulo de fricción Ф = 40° y cohesión nula. Para esta densidad de preparación de muestra se tiene un comportamiento dilatante en términos de presiones de poros para una presión de 0,5 MPa y a medida que aumenta la presión de confinamiento el comportamiento se hace contractivo, tal como indica la teoría.

4.4.- Ensayos Cíclicos

La verificación de la respuesta cíclica se realizó a través de ensayos triaxiales cíclicos no drenados para una presión de confinamiento de 2,0 MPa y razón de tensiones cíclicas, Rc,

de 0,21. Los resultados de desviador de tensiones cíclicas, presión de poros y deformación unitaria en función del tiempo se presentan en la Fig. 8.A) y trayectoria de tensiones efectivas y respuesta tensión – deformación en Fig. 8.B).

Se observa claramente el comportamiento cíclico en la trayectoria de tensiones efectivas y en la curva tensión – deformación, tal como lo indica la teoría y la experiencia mundial en este tipo de ensayo.

Fig. 8- A) Desviador de tensiones cíclicas, presión de poros y deformación unitaria en función del tiempo. B) Trayectoria de tensiones efectivas y respuesta tensión - deformación.

5.- CONCLUSIONES

Teniendo en consideración la existencia en Chile de proyectos donde el nivel de tensiones en masas de suelo supera ampliamente los 1,0 MPa, típicos de los equipos convencionales, se decidió diseñar y construir un equipo triaxial monótono y cíclico con capacidad de aplicar presiones de confinamiento de hasta 6,0 MPa.

A excepción de los transductores y unidad de adquisición de datos, el resto del equipamiento del triaxial fue construido en Chile.

Los ensayos realizados permiten comprobar que el equipo funciona adecuadamente y por tanto se está en condiciones de realizar investigaciones a propiedades y parámetros de suelos finos, arenas y gravas de tamaño máximo 17 mm sometidas a altas presiones.

6.- AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al programa de Magister en Ingeniería Geotécnica de la Universidad de Chile, al personal del Laboratorio de Solidos MECESUP, en especial al Sr. Omar González. También se agradece el aporte del Laboratorio de Geotecnia de IDIEM, en especial Sr. Mario Vásquez y Sr. Ariel Villagra.

7.- REFERENCIAS

1- ASTM D-3999-91: “Standard Test Methods for the Determination of the Modulus and Damping Properties of Soils Using the Cyclic Triaxial Apparatus”.

2- ASTM D-5311-92: “Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil”.

3- Baldi, G., Hight, D. Q. & Thomas, G. E. (1986): “A reevaluation of conventional triaxial test methods”, Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP 977, pp. 219 – 263.

4- Bishop, A. W. & Henkel, D. J. (1962): “The Measurement of Soil Properties in the Triaxial Test”. Edward Arnold Publishers. 227 p.

5- Corral, G. (2008): “Efecto del esfuerzo de corte estático inicial en la resistencia cíclica en arenas”. Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Ingeniería Geotécnica. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.

6- Hoque, E. & Tatsuoka, F. (2004): “Triaxial Testing System for Measuring Loading-Rate Effects During Cyclic Tests of Sand”. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 27, Nº5, 483-495.

7- Lacasse, S. & Berre, T. (1988): “Triaxial testing methods for soils”. Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP- 977, 1988, 264-289.

8- Lade, P. V. (1988): “Automatic Volume Change and Pressure Measurement Devices for Triaxial Testing of Soils”, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 11, Nº4, 263-268.

9- Menzies, B. & Hooker, P (2002): “GDS software-based dynamic and seismic laboratory soil testing systems”. GDS publication. GDS Instruments Ltd.

10- Silver, M. L. (1979): “Automated Data Acquisition, Transducers and Dynamic Recording for the Geotechnical Testing Laboratory”. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 2, Nº, 185-189.

11- Solans, D. (2010): “Equipo Triaxial Monótono y Cíclico de Altas Presiones y su Aplicación en Arenas de Relaves”. Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención Ingeniería Geotécnica y Memoria para optar al titulo de Ingeniero Civil. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.

12- Tatsuoka, F. (1988): “Some Recent Developments in Triaxial Testing System for Cohesionless Soils”. Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP- 977, 1988, 7-67.

13- Verdugo, R. (1992): “Characterization of sandy soil behavior under large deformation”. Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering. University of Tokyo. Department of Civil Engineering.