Ensayo Triaxial

ENSAYO TRIAXIAL

ÍNDICE

OBJETIVO

Determinar el Ángulo de Rozamiento Interno y la Cohesión del suelo, que permitan establecer su Resistencia al Corte, aplicando a las probetas esfuerzos verticales y laterales que tratan de reproducir los esfuerzos a los que está sometido el suelo en condiciones naturales.

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

El ensayo de compresión triaxial es el más usado para determinar las características de esfuerzo-deformación y de resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. El ensayo consiste en aplicar esfuerzos laterales y verticales diferentes, a probetas cilíndricas de suelo y estudiar su comportamiento.

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.

El ensayo se divide en dos etapas:

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:

1. No consolidados-no drenados (UU) o rápidos (Q). Se impide el drenaje durante las dos etapas del ensayo.

2. Consolidados-no drenados (CU) o consolidados-rápidos (RC). Se permite el drenaje durante la primera etapa solamente.

3. 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.

La Resistencia al Esfuerzo Cortante de un suelo (τf ), en función de los esfuerzos totales, se determina usando la Ley de Coulomb:

τf = c + σ tan φ

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.

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

Esquema de la Célula Triaxial

PROCEDIMIENTO

1. 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. 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.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).

2. El momento de preparar los especimenes se debe tomar muestra para determinar el contenido de humedad.

3. Pesamos el primer espécimen y lo colocamos en la base de la cámara triaxial, utilizando una piedra porosa entre la muestra y dicha base.

4. Colocamos la membrana de caucho en el espécimen, utilizando un aparato especial para ello.

5. Colocamos la cabeza de plástico usando una piedra porosa entre la cabeza y el espécimen.

6. Aseguramos la membrana con ligas tanto en la parte superior como en la inferior.

7. En el caso de realizar en ensayo triaxial en un triaxial Soiltest, conectamos la cabeza de plástico en el tubo espiral que sale de la base y que se utiliza para el drenaje de la muestra.

8. Colocamos la cámara con su tapa, asegurándonos que estén bien colocados los empaques y seguidamente apretamos los tornillos que sujetan la cámara uniformemente.

9. Introducimos el pistón en el hueco de la cabeza de plástico.

10. Centramos el brazo de carga con el pistón y colocamos el dial de las deformaciones en cero.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Una ves 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.

15. Todo este proceso lo repetimos con los demás especimenes, utilizando presiones laterales diferentes.

CÁLCULOS Se determina el área representativa inicial de la probeta

(Ao) mediante la siguiente expresión:

Donde:As = Área superior, calculada con el diámetro superior promedioAm = Área media, calculada con el diámetro medio promedioAi = Área inferior, calculada con el diámetro inferior promedio

6AA*4A

A imso

El volumen de la probeta ( V ), se determina de la siguiente manera:

V = Ao * h

Los pesos específicos húmedo y seco, se calculan mediante las siguientes expresiones:

Las deformaciones para cada lectura del dial de cargas, se obtienen durante el ensayo.

VW

h h%1

hs

La deformación unitaria se calcula mediante la expresión que se muestra continuación:

Las cargas aplicadas se calculan multiplicando cada una de las lecturas del dial de cargas, por el factor de calibración del anillo.

100*mmh

mmh%

Se determina el área corregida de la probeta (Ac), para cada lectura de deformación, de la siguiente manera:

El esfuerzo desviador (Δσ) para cada lectura de deformación, es el siguiente:

1A

A oc

c

31 AP

LoL

Ro

R

Deformación en una Probeta Cilíndrica

La deformación Axial será:

La deformación Radial similarmente será:

o

o1 L

LLOriginalLongitud

LongituddeCambio

o

o3 R

RROriginalRadio

RadioelenCambio

Y la deformación Volumétrica será:

Donde:

De manera similar la deformación de corte puede ser definida como:

o

o

VVV

OriginalVolúmen

VolúmenelenCambiov

31 *2v

231

Con los resultados obtenidos y codificados, se construye, para cada esfuerzo confinante (σ3), una gráfica a escala aritmética; ubicando, en las abscisas las deformaciones unitarias (ε), en porcentaje, y en las ordenadas el esfuerzo desviador (Δσ), en Kg/cm2.

La gráfica permite determinar el Esfuerzo Desviador de falla (Δσ) para cada esfuerzo confinante (σ3), aplicado a la probeta.

Con los esfuerzos desviadores de falla, correspondientes a cada esfuerzo confinante (σ3), se determina (σ) y se obtiene el centro y radio de los correspondientes círculos de Mohr, mediante las siguientes expresiones:

GRÁFICOS

f31

2Radio 31

2Centro 31

oTrazar los Círculos de Mohr, para ello, elegir una escala de esfuerzos. A partir del origen y sobre el eje de las abscisas, llevar el valor del esfuerzo confinante (σ3), y desde este punto marcar el valor del esfuerzo desviador de falla (σ1 - σ3); este valor es el diámetro del círculo; por lo tanto, con centro en el punto medio del segmento así determinado, trazar el semicírculo correspondiente.

Una vez trazados los semicírculos del estado de esfuerzos de falla de todas las probetas ensayadas, dibujar la envolvente que mejor se ajuste a ellos, esta recibe el nombre de Línea de Resistencia Intrínseca o Envolvente de Mohr y representa aproximadamente, la variación de la resistencia al esfuerzo cortante en función de los esfuerzos normales aplicados.

El Ángulo de Fricción Interna del suelo (φ), es el que forma la envolvente con la horizontal (abscisas) y se determina en la gráfica por la pendiente de la envolvente. El valor de la cohesión (c), está dado por la ordenada al origen de dicha envolvente, medida a la misma escala con que se trazaron los círculos.

Envolvente de Mohr

Círculos de Mohr

EJEMPLO

1. Con los siguientes datos obtenidos en un ensayo triaxial se pide calcular el ángulo de rozamiento interno y la cohesión del suelo.

Datos: Cálculos Realizados:

ENSAYO TRIAXIAL

FECHA: 12-Enero-1979 PROCESO: 1

Ds= 3,5 cm

LEC. DEF. DEFORM. LEC.DIAL CARGA DEFORM A. CORREG. ESF. DESV.

Dm= 3,5 cm mm Cm (10-3)mm Kg UNITARIA cm2 Kg/cm2

Di= 3,5 cm 0,00 0 0 0,000 0,0000 9,6211 0,000

Dp= 3,50 cm 0,10 0,010 10 0,926 0,0014 9,6349 0,096

Ho= 7,00 cm 0,25 0,025 20 1,852 0,0036 9,6556 0,192

Ao= 9,62 cm2 0,50 0,050 35 3,241 0,0071 9,6903 0,334

Vo= 67,35 cm3 0,75 0,075 49 4,538 0,0107 9,7253 0,467

W= 113,55 g 1,00 0,100 60 5,557 0,0143 9,7606 0,569

γh= 1,686 g/cm3 1,25 0,125 71 6,575 0,0179 9,7961 0,671

γs= 0,881 g/cm3 1,50 0,150 86 7,964 0,0214 9,8318 0,810

σ3= 0,00 Kg/cm2 1,75 0,175 103 9,539 0,0250 9,8678 0,967

Cte.= 92,61 Kg/cm 2,00 0,200 90 8,335 0,0286 9,9041 0,842

2,25 0,225 81 7,501 0,0321 9,9406 0,755

2,50 0,250 69 6,390 0,0357 9,9775 0,640

MÁXIMO 0,967

FALLA: FORMULARIO: CONTENIDO DE HUMEDAD

NUMERO DE CAPSULA 257

PESO DE CAPSULA 14,00

PESO DE CAP+S. HUM 58,65

PESO DE CAP+ S. SECO 37,34

CONTENIDO DE HUMEDAD 91,30

CONTENIDO MEDIO DE H. 91,30

.UNIT.DEFA

.CORREG.A o

oH.DEF

.UNIT.DEF

.CORREG.AA

.DESV.ESF

ENSAYO TRIAXIAL


Ds= 3,5 cm LEC.DEF. DEFORM. LEC.DIAL CARGA DEFORM. A.CORREG. ESF. DESV.

Dm= 3,5 cm mm cm (10-3)mm Kg UNITARIA cm2 Kg/cm2

Di= 3,5 cm 0,00 0 0 0,000 0,0000 9,6212 0,000

Dp= 3,50 cm 0,10 0,010 24 2,223 0,0014 9,6347 0,231

Ho= 7,00 cm 0,25 0,025 59 5,464 0,0036 9,6550 0,566

Ao= 9,62 cm2 0,50 0,050 104 9,631 0,0071 9,6900 0,994

Vo= 67,35 cm3 0,75 0,075 129 11,947 0,0107 9,7253 1,228

W= 112,9 g 1,00 0,100 153 14,169 0,0143 9,7608 1,452

γh= 1,676 g/cm3 1,25 0,125 165 15,281 0,0178 9,7956 1,560

γs= 0,876 g/cm3 1,50 0,150 176 16,299 0,0214 9,8316 1,658

σ3= 1,00 Kg/cm2 1,75 0,175 183 16,948 0,0250 9,8679 1,717

Cte.= 92,61 Kg/cm 2,00 0,200 185 17,133 0,0286 9,9045 1,730

2,25 0,225 186 17,225 0,0321 9,9403 1,733

2,50 0,250 187 17,318 0,0357 9,9774 1,736

3,00 0,300 189 17,503 0,0429 10,0525 1,741

4,00 0,400 197 18,244 0,0571 10,2038 1,788

5,00 0,500 195 18,059 0,0714 10,3610 1,743

MÁXIMO 1,788







CONTENIDO MEDIO DE H. 91,27

.UNIT.DEFA

.CORREG.A o

oH.DEF

.UNIT.DEF

.CORREG.AA

.DESV.ESF

ENSAYO TRIAXIAL


Ds= 3,5 cm LEC.DEF. DEFORM. LEC.DIAL CARGA DEFORM. A.CORREG. ESF.DESV.


Di= 3,5 cm 0,00 0 0 0,000 0,0000 9,6212 0,000

Dp= 3,50 cm 0,10 0,010 27 2,500 0,0014 9,6347 0,259

Ho= 7,00 cm 0,25 0,025 54 5,000 0,0036 9,6550 0,518

Ao= 9,62 cm2 0,50 0,050 90 8,335 0,0071 9,6900 0,860

Vo= 67,35 cm3 0,75 0,075 115 10,650 0,0107 9,7253 1,095

W= 112,75 g 1,00 0,100 137 12,688 0,0143 9,7608 1,300

γh= 1,674 g/cm3 1,25 0,125 157 14,540 0,0178 9,7956 1,484

γs= 0,875 g/cm3 1,50 0,150 176 16,299 0,0214 9,8316 1,658

σ3= 2,00 Kg/cm2 1,75 0,175 187 17,318 0,0250 9,8679 1,755

Cte.= 92,61 Kg/cm 2,00 0,200 205 18,985 0,0286 9,9045 1,917

2,25 0,225 215 19,911 0,0321 9,9403 2,003

2,50 0,250 228 21,115 0,0357 9,9774 2,116

3,00 0,300 244 22,597 0,0429 10,0525 2,248

4,00 0,400 276 25,560 0,0571 10,2038 2,505

5,00 0,500 287 26,579 0,0714 10,3610 2,565

6,00 0,600 314 29,080 0,0857 10,5230 2.763

7,00 0,700 325 30,098 0,1000 10,6902 2,815

8,00 0,800 334 30,932 0,1143 10,8628 2,848

9,00 0,900 333 30,839 0,1286 10,0411 2,793

10,00 1,000 331 30,654 0,1429 11,2253 2,731

MÁXIMO 2,848







CONTENIDO MEDIO DE H. 91,40 .UNIT.DEF

A.CORREG.A o

oH.DEF

.UNIT.DEF

.CORREG.AA

.DESV.ESF

ENSAYO TRIAXIAL

FECHA:

12-Enero-1979 PROCESO: 4

Ds= 3,5 cm LEC.DEF. DEFORM. LEC.DIAL CARGA DEFORM. A.CORREG. ESF.DESV.


Di= 3,5 cm 0,00 0 0 0,000 0,0000 9,6212 0,000

Dp= 3,50 cm 0,10 0,010 26 2,408 0,0014 9,6347 0,250

Ho= 7,00 cm 0,25 0,025 64 5,927 0,0036 9,6550 0,614

Ao= 9,62 cm2 0,50 0,050 102 9,446 0,0071 9,6900 0,975

Vo= 67,35 cm3 0,75 0,075 124 11,484 0,0107 9,7253 1,181

W= 112,4 g 1,00 0,100 162 15,003 0,0143 9,7608 1,537

γh= 1,669 g/cm3 1,25 0,125 188 17,411 0,0178 9,7956 1,777

γs= 0,871 g/cm3 1,50 0,150 211 19,541 0,0214 9,8316 1,988

σ3= 3,00 Kg/cm2 1,75 0,175 228 21,115 0,0250 9,8679 2,140

Cte.= 92,61 Kg/cm 2,00 0,200 244 22,597 0,0286 9,9045 2,281

2,25 0,225 265 24,542 0,0321 9,9403 2,469

2,50 0,250 280 25,931 0,0357 9,9774 2,599

3,00 0,300 307 28,431 0,0429 10,0525 2,828

4,00 0,400 350 32,414 0,0571 10,2038 3,177

5,00 0,500 388 35,933 0,0714 10,3610 3,468

6,00 0,600 418 38,711 0,0857 10,5230 3,679

7,00 0,700 443 41,026 0,1000 10,6902 3,838

8,00 0,800 464 42,971 0,1143 10,8628 3,956

9,00 0,900 476 44,082 0,1286 10,0411 3,993

10,00 1,000 478 44,268 0,1429 11,2253 3,944

11,00 1.100 473 43.805 0.1571 11.4144 3.838

12,00 1,200 475 43,990 0,1714 11,6114 3,789

14,00 1,400 474 43,897 0,2000 12,0265 3,614

MÁXIMO 3,993







CONTENIDO MEDIO DE H. 91,51 .UNIT.DEF

A.CORREG.A o

oH.DEF

.UNIT.DEF

.CORREG.AA

.DESV.ESF

Los cálculos respectivos fueron realizados de acuerdo a la Teoría presentada anteriormente, que se resume a continuación:

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:

6AA*4A

A imso

.UNIT.DEFA

.CORREG.A ooH

.DEF.UNIT.DEF

.CORREG.AA

.DESV.ESF

VW

h

h%1h

s

ooo H*AV

Esfuerzo - Deformación

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Deformación Unitaria

Esf.

Desv

.(Kg/c

m2 )

0 Kg./cm2

1.0 Kg./cm2

2.0 Kg./cm2

3.0 Kg./cm2

Entonces se obtiene el valor del Esfuerzo Máximo de Rotura, que nos permitirá graficar los Círculos de Morh para cada probeta y determinar φ y c como se muestra a continuación:

Esfuerzo Normal (Kg./cm2)

Esfu

erz

o t

an

gen

cia

l (K

g./

cm

2)

c =0.225

φ=20°31’

Círculos de Mohr

CARACTERÍSTICAS DEL ENSAYO DATOS DEDUCIDOS

Ensayo N°

Presión Lateral

Tensión Desv.

Presión Rotura

CohesiónTg φ φ

Esfuerzo Normal

Esfuerzo Tangencial

Kg./cm2 Kg./cm2 Kg./cm2 c Kg./cm2 Kg./cm2

1 0 0.967 0.967 0.225 0.365 20°31’ 0.33 0.35

2 1 1.788 1.788 0.225 0.365 20°31’ 1.55 0.82

3 2 2.848 2.848 0.225 0.365 20°31’ 2.87 1.325

4 3 3.993 3.993 0.225 0.365 20°31’ 4.25 1.85

Finalmente se muestran una tabla que contiene los datos de c y φ y además el resto de valores deducidos del gráfico como son el Esfuerzo Normal y el Esfuerzo Tangencial:

FORMATOS DE LABORATORIO

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