UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ CAP: INGENIERIA
CIVIL
Análisis y Diseño de Cimentaciones
ENSAYO DE CORTE DIRECTO GENERALIDADES 1. INTRODUCCIÓN En el ensayo de corte directo tiene como objetivo determinar la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra, valor que , entre otras cosas será muy útil para el cálculo de la capacidad portante . La resistencia al esfuerzo cortante en el suelo se debe a dos componentes: la cohesión, aportada por la fracción del suelo y responsable, a su deformación, del comportamiento plástico de este y el rozamiento interno entre las partículas granulares o fricción Para conocer o determinar determinar esa resistencia del suelo, en el laboratorio uno de los equipos que se usa es el aparato de corte directo. directo. El más típico es una caja de sección cuadrada o circular dividido horizontalmente en dos mitades ; dentro de ellase coloca la muestra de suelo con pedradas porosas en ambos extremos , se aplica una carga vertical de confinamiento y luego una carga horizontal creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra En el presente informe se detallara el ensayo de corte directo posteriormente se dará a proceder los cálculos correspondientes.
2. NORMATIVA Este ensayo de CORTE DIRE DIRE CTO está basado según la norma técnica peruana NTP 339.171 y la norma (ASTM D3080)
3. ANTECEDENTES El ensayo busca identificar la relación que se establece entre el esfuerzo y la deformación considerando una carga lateral aplicada de tal forma que se genera un esfuerzo cortante, se presenta un plano de falla horizontal paralelo a la carga aplicada. Existen dos sistemas para la ejecución de este ensayo, el de esfuerzo controlado y el de deformación controlada. En el primero se aumenta gradualmente la carga que induce el esfuerzo hasta que se produzca la falla. Este sistema se usa de preferencia para ensayos de una rata de carga muy baja debido a que con el mismo puede mantenerse más fácilmente una carga constante durante cualquier período de tiempo; además , pueden quitarse más fácil y rápido las cargas. El inconveniente que se presenta es que por el exceso de
desplazamiento que se impone después de haber pasado la resistencia máxima no se obtiene la resistencia al esfuerzo cortante final verdadera. Cuando una estructura se apoya en la tierra, transmite los esfuerzos al suelo de fundación. Estos esfuerzos producen deformaciones en el suelo que pueden ocurrir de tres maneras: a) Por deformación elástica de las partículas. b) Por cambio de volumen en el suelo como consecuencia de la evacuación del líquido existente en los huecos entre las partículas. c) Por deslizamiento de las partículas, que pueden conducir al deslizamiento de una gran masa de suelo. El primer caso es despreciable para la mayoría de los suelos, en los niveles de esfuerzo que ocurren en la práctica. El segundo caso corresponde al fenómeno de la consolidación. El tercer caso, corresponde a fallas fallas del tipo catastróficos catastróficos y para evitarla se debe hacer un análisis de estabilidad, que requiere del conocimiento de la resistencia al corte de suelo. El análisis debe asegurar, que los esfuerzos de corte solicitantes son menores que la resistencia al corte, con un margen adecuado de modo que la obra siendo segura, sea económicamente factible de llevar a cabo. Vemos que es absolutamente imposible independizar el comportamiento de la estructura y el del suelo. Por tanto el problema de la determinación de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos puede decirse que constituye uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de Suelos. En efecto, una valoración correcta de este concepto constituye un paso previo imprescindible para intentar, con esperanza de éxito cualquier aplicación de la Mecánica de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras civiles. El procedimiento para efectuar la prueba directa de resistencia al esfuerzo cortante tal como se presenta en este informe, se aplica solamente al más sencillo de los casos que pueden presentarse en la práctica: aquel en que se prueba el material en estado seco.
4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVO GENERAL
El ensayo permite Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad Portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo.
4.2. OBJETIVO ESPECIFICO
Obtener la gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación, para unas determinadas cargas aplicadas a dicha muestra. Determinar el ángulo de fricción interna. Determinar la cohesión. Determinar capacidad Portante del suelo
MARCO TEÓRICO .1.
FUNDAMENTOS PARA EL ANÁLISIS DEL ENSAYO
El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del ensayo. O sea, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos): un esfuerzo normal debido a una carga vertical (Pv) aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a la aplicación de una carga horizontal (Ph). Estos esfuerzos se calculan simplemente como: σ n = Pv /A
t f = Ph /A
Donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se corrige para tener en cuenta el cambio de área causada por el desplazamiento lateral de la muestra (Ph). La relación entre los esfuerzos de corte de falla ( t f ) y los esfuerzos normales ( σ n) en suelos, se muestra en la figura 5.21 y puede representarse por la ecuación siguiente:
t f = c + σ n x tg Φ
Ilustración 1.Relación 1.Relación entre los esfuerzos de corte máximo y los esfuerzos normales. La línea recta obtenida se conoce como Envolvente de falla
.2.
ECUACIÓN DE FALLA DE CORTE DE MOHR-COULOMB:
En 1776 Coulomb observó que si el empuje que produce un suelo contra un muro de contención produce un ligero movimiento del muro, en el suelo que está retenido se forma un plano de deslizamiento esencialmente recto. El postuló que la máxima resistencia al corte, en el plano de falla está dada por:
= c + x tan
Dónde:
es
el esfuerzo normal total en el plano de falla
Es
el ángulo de fricción del suelo
C es la cohesión del suelo
La utilización de la ecuación de Coulomb no condujo siempre a diseños satisfactorios de estructuras de suelo. La razón para ello no se hizo evidente hasta que Terzaghi publicó el principio de esfuerzos efectivos.
= ´+ u Dónde:
u = presión intersticial ´=
esfuerzo efectivo
Pudo apreciarse entonces que, dado que el agua no puede soportar esfuerzos cortantes substanciales, la resistencia al corte de un suelo debe ser el resultado únicamente de la resistencia a la fricción que se produce en los puntos de contacto entre partículas; la magnitud de ésta depende solo de la magnitud de los esfuerzos efectivos que soporta el esqueleto de suelo. Por tanto, cuanto más grande sea el esfuerzo efectivo normal a un plano de falla potencial, mayor será la resistencia al corte en dicho plano. Entonces, si se expresa la ecuación de Coulomb en términos de esfuerzos efectivos, se tiene:
= c´ + ´x tan ´ En la cual los parámetros c´ y ´ son propiedad del esqueleto de suelo, denominadas cohesión efectiva y ángulo de fricción efectiva, respectivamente. Puesto que la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos en el suelo, los análisis de estabilidad se harán entonces, en términos de esfuerzos efectivos. Sin embargo, en ciertas circunstancias el análisis puede hacerse en términos de esfuerzos totales y por tanto, en general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales.
Es decir, los valores de c´, ´; c, . Estos se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo representativas mediante el ensayo de corte directo (ASTM D-3080-72)
Ilustración 2.Esquema del ensayo de corte directo.
.3.
COMPONENTES DE LA RESISTENCIA AL CORTE
De la ley de Coulomb se desprende que la resistencia al corte de suelos en términos generales tiene dos componentes:
a) Fricción (tg Φ) que se debe a la trabazón entre partículas y al roce entre ellas cuando están sometidas a esfuerzos normales. b) Cohesión (C) que se debe a fuerzas internas que mantienen unidas a las partículas en una masa. Como en la ecuación” t f = c + σ n * tg Φ” existen dos cantidades desconocidas (c y Φ), se requiere obtener dos valores, como mínimo de esfuerzo normal y esfuerzo
cortante para obtener una solución.
Como el esfuerzo cortante t y el esfuerzo normal σn tienen el mismo significado
dado en la construcción del círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones simultáneas. Para c y para tg Φ, es posible dibujar en un plano de ejes coorden ados los valores de t contra σn para los diferentes ensayos (generalmente con t como ordenada),
dibujar una línea a través del lugar geométrico de los puntos, y establecer la
pendiente de la línea como el ángulo y la intersección con el eje t como la cohesión c. Para materiales no cohesivos, la cohesión debería ser cero por definición y la ecuación de Coulomb se convierte en:
Tf = σ n * tgΦ
Siendo N la fuerza vertical que actúa sobre el cuerpo, la fuerza horizontal necesaria (T) para hacer deslizar el cuerpo, debe ser superior a N, siendo el coeficiente de roce entre los dos materiales. Esta relación también puede ser escrita de la forma siguiente:
T = N tgΦ
Siendo Φ, el ángulo de roce o ángulo formado por la resultante de las dos fuerzas
con la fuerza normal. La resistencia al deslizamiento es proporcional a la presión normal y puede ser representada Por la figura
ALCANCÉ Este método de prueba es desarrollado para la determinación de la resistencia al corte de un suelo. Esta prueba es realizada mediante la deformación de un espécimen en un rango de deformación controlada. Generalmente se realizan un mínimo de 3 pruebas, cada una bajo una diferente carga normal para determinar el efecto sobre la resistencia y desplazamiento y las propiedades resistentes Los esfuerzos de corte y los desplazamientos no se distribuyen uniformemente dentro de la muestra y no se puede definir una altura apropiada para el cálculo de las deformaciones.
La determinación de las envolventes de falla y el desarrollo de criterios para interpretar y evaluar los resultados del ensayo se dejan a criterio del ingeniero o de la oficina que solicita el ensayo.
Los resultados de ensayo pueden ser afectados por la presencia de partículas de suelo o fragmentos de roca, o ambos.
.4.
Las condicione de prueba incluyendo el esfuerzo normal y la humedad ambiental son seleccionadas, las cuales representan las condiciones del suelo que son investigadas.
DESCRIPCION DEL ENSAYO
Este ensayo consiste básicamente en someter una muestra de suelo de sección cuadrada y 2.5 cm. de espesor, confinada lateralmente, dentro de una caja metálica, a una carga normal (s) y a un esfuerzo tangencial (τ), los cuales se
aumentan gradualmente hasta hacer fallar a la muestra por un plano preestablecido por la forma misma de la caja (consta de dos secciones, una de las cuales es móvil y se desliza respecto a la otra, que es fija, produciendo el esfuerzo de corte). En el ensayo se determina cargas y deformaciones.
.5.
ENSAYO DE CORTE DIRECTO
La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga. Para conocer una de estas resistencias en laboratorio se usa el aparato de corte directo, siendo el más típico una caja de sección cuadrada o circular dividida horizontalmente en dos mitades. Dentro de ella se coloca la muestra de suelo con piedras porosas en ambos extremos, se aplica una carga vertical de confinamiento (Pv) y luego una carga horizontal (Ph) creciente que origina el desplazamiento de la mitad móvil de la caja originando el corte de la muestra
Ilustración 3: Esquema del aparato del corte directo
El ensayo induce la falla a través de un plano determinado. Sobre este plano de falla actúan dos esfuerzos:
o
Un esfuerzo Normal (σ n), aplicado externamente debido a la carga
vertical (Pv).
o
Un esfuerzo cortante (τ), debido a la aplicación de la carga
horizontal. Estos esfuerzos se calculan dividiendo las respectivas fuerzas por el área (A) de la muestra o de la caja de corte y deberían satisfacer la ecuación de Coulomb:
Ilustración 4: Representación gráfica de la ecuación de coulomb =
+
∗
( )
Dónde:
= Angulo de fricción del suelo c= Cohesión del suelo φ
σ n= Esfuerzo normal total en el plano de falla
Según esta ecuación la resistencia al corte depende de la cohesión (c) y la fricción interna del suelo (φ).
Al aplicar la fuerza horizontal, se van midiendo las deformaciones y con estos valores es posible graficar la tensión de corte (τ), en función de la deformación (ε)
en el plano de esta tensión de corte. De la gráfica es posible tomar el punto máximo de tensión de corte como la resistencia al corte del suelo.
2.5.1.Ensayo consolidado no drenado (C U):
En este ensayo se permite que la muestra drene o se consolide durante la aplicación de la carga vertical, de modo que en el momento de aplicar el esfuerzo de corte las presiones intersticiales sean nulas, pero no durante la aplicación del esfuerzo cortante. La tensión de corte es rápida para que la presión de poros no pueda disiparse en el transcurso del ensayo. Estos ensayos no se usan en suelos permeables y es necesario medir el movimiento vertical durante la consolidación (drenaje) para saber cuándo se ha producido por completo Por lo tanto, la ecuación de Coulomb se transforma en:
2.5.2. Ensayo consolidado drenado (CD).
La velocidad de corte es lenta, se permite el drenaje de la muestra durante todo el ensayo siendo las presiones intersticiales nulas durante la aplicación del esfuerzo cortante (µ =0), esto implica que: σ = σ ’, c=c’, φ = φ ’. Por otro lado, según la forma en que se aplica el esfuerzo horizontal, los ensayos de corte se pueden clasificar en dos tipos.
2.5.3. Ensayos de tensión controlada. Se aplica el esfuerzo horizontal, se miden las deformaciones hasta llegar hasta la estabilización, luego se aumenta la fuerza horizontal y así sucesivamente, hasta que llega el momento en que las deformaciones no se estabilizan n, lo que nos indica que hemos sobrepasado la carga de rotura.
2.5.4. Ensayos de deformación controlada. La mitad móvil de la caja se desplaza a una velocidad determinada; los esfuerzos horizontales se van midiendo con un anillo dinamométrico conectado en serie con la fuerza horizontal (figura 5.).
Ilustración 5: Corte directo de Deformación controlada – Fuente: Salas J. y De Justo Alpañes J. Vol. 1, 1975.
.5.1. Ensayo no consolidado no drenado (UU): Es un ensayo rápido, donde el corte se inicia antes de consolidar la muestra bajo la carga normal (Pv); si el suelo es cohesivo y saturado, se desarrollará exceso de presión de poros. Generalmente la recta intrínseca en el diagrama de τ contra σ es
horizontal, donde = . No se permite el drenaje de la muestra en todo el ensayo.
2.5.5.1. Materiales y equipo Dispositivo de corte Caja de corte Piedras porosas Dispositivos de cargas Dispositivo de aplicación y medición de la fuerza normal Dispositivo para el corte del espécimen Dispositivo para medir la fuerza de corte Base de la caja de corte Cuarto de alta humedad controlada Anillo de corte o de tallado Balanzas Indicadores de deformación Dispositivo para la determinación del contenido de agua Equipos para remodelar o compactar especímenes Equipos misceláneos
2.5.5.2. Descripción de materiales Dispositivo de Corte : su funcionamiento se basa en sujetar el espécimen firmemente entre dos piedras porosas, de modo tal que no se pueda aplicar un torque al espécimen. El dispositivo de corte deberá suministrar medios para aplicar un esfuerzo normal a las caras del espécimen, para medir cambio en el espesor del espécimen, para permitir el drenaje de agua a través de piedras porosas, y para sumergir al espécimen en agua. El dispositivo deberá ser capaz de aplicar una fuerza tangencial para cortar el espécimen a lo largo de un plano de corte predeterminado (corte simple) o planos de corte (corte doble) paralelos a las caras del espécimen. Los pórticos que sujetan al espécimen deberán ser lo suficientemente rígidos para prevenir su distorsión durante el corte. Las diferentes partes del dispositivo de corte deberán ser hechas de un material no sujeto a corrosión por sustancias dentro del suelo o la humedad del suelo
Ilustración 6: Dispositivo de corte
Caja de cizalladora: Una caja de cizalladora, circular o cuadrada, hecha de acero inoxidable, bronce o aluminio, con dispositivos para el drenaje a través de su parte superior e inferior. Esta caja debe estar dividida verticalmente por un plano horizontal en dos mitades de espesor igual que se ajustan con tornillos de alineación. La caja de cizalladora está provista con tornillos de separación, que controlan el espacio entre sus mitades superior e inferior. Normalmente son cuadradas de 10 o 6 cm. de lado, o bien cilíndricas de 6, 10 ó 16 cm. de diámetro, con sus respectivas piedras porosas.
Ilustración 7: Caja de cizalladora
Piedras Porosas; Las piedras porosas deberán consistir de carburo de silicio, óxido de aluminio o un metal que no sea susceptible a la corrosión por las sustancias del suelo o la humedad del suelo
PROCEDIMIENTO PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Para la realización de este ensayo de corte directo se tomó una muestra inalterada de suelo, la cual fue una arena seca que fue suministrada por los alumnos.
Si se usa una muestra inalterada, debe ser suficientemente grande para proveer un mínimo de tres muestras idénticas. La preparación de la muestra debe efectuarse de tal manera que la pérdida de humedad sea insignificante. Para muestras inalteradas de suelos sensibles, debe tenerse extremo cuidado al labrar las muestras, para evitar la alteración de su estructura natural. Se determina el peso inicial de la muestra para el cálculo posterior del contenido inicial de humedad de acuerdo con la norma. Si se utilizan muestras de suelos compactados, la compactación debe hacerse con las condiciones de humedad y peso unitario deseados. Se puede efectuar directamente en el dispositivo de corte, en un molde de dimensiones iguales a las del dispositivo de corte o en un molde mayor para recortarlas. Para minimizar las alteraciones causadas por el muestreo, el diámetro de las muestras obtenidas de tubos saca muestras debe ser, por lo menos, 5 mm (1/5") menor que el diámetro del tubo. El espesor mínimo de la muestra de ensayo, debe ser alrededor de 12 mm (½ "), pero no menor de un sexto el tamaño máximo de las partículas del suelo.
Se pesa una muestra de arena (seca o de humedad conocida) suficiente para hacer tres ensayos a la misma densidad. Se ensambla la caja de corte, se obtiene la sección (A) de la muestra y se coloca la arena en la caja junto al pistón de carga y la piedra porosa.
Se aplica la carga vertical y se coloca el dial para determinar el desplazamiento vertical (se debe incluir el peso del pistón de carga y la mitad superior de la caja de corte en el peso de la carga vertical). En ensayos consolidados se comienza cuando el asentamiento se ha detenido; en suelos no cohesivos esto puede hacerse a partir de la aplicación de la carga vertical.
Se separa la caja de corte, se fija el bloque de carga y se ajusta el deformímetros para medir el desplazamiento cortante (en ensayos saturados se debe saturar la muestra el tiempo necesario)
Luego se comienza a aplicar la carga horizontal midiendo desde los deformímetros de carga, de cambio de volumen y de desplazamiento cortante. Si el ensayo es del tipo deformación controlada se toman esas lecturas a desplazamientos horizontales de 5, 10 y cada 10 o 20 unidades.
La tasa de deformación unitaria debe ser del orden de 0, 5 a no más de 2 mm/min. y deberá ser tal que la muestra falle entre 3 y 5 minutos. Se repite el procedimiento por lo menos en dos muestras utilizando un valor distinto de carga vertical (se sugiere doblar la carga).
La relación mínima diámetro/espesor o ancho/espesor, según la muestra, debe ser 2:1.
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RESULTADOS
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Teoría de la capacidad de carga de Terzaghi Terzaghi (1943) fue el primero en presentar una teoría completa para evaluar la capacidad de carga Última de cimentaciones aproximadamente superficiales. De acuerdo con su teoría, una cimentación Es superficial si su profundidad, Df (figura 3.5), es menor que o igual a su ancho. Sin embargo, Investigadores posteriores sugirieron que las cimentaciones con Df igual a tres o cuatro veces su Ancho se podían definir como cimentaciones superficiales. Terzaghi sugirió que para una cimentación continua o corrida (es decir, cuando su relación Ancho a longitud tiende a cero), la superficie de falla en el suelo ante carga última se puede suponer Similar a la que se muestra en la figura 3.5. (Observe que este es el caso de falla general Por corte según se define en la figura 3.1a).
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El efecto del suelo arriba del fondo de la cimentación También se puede suponer que se reemplaza por una sobrecarga equivalente, q 5 g, Df (donde g es el peso específico del suelo). La zona de falla bajo la cimentación se puede separar en tres partes (Consulte la figura 3.5):
Ilustración 8: Intervalo del asentamiento de placas circulares y rectangulares ante Carga última (Df/B = 0) en arena (modificada según Vesic, 1963). (De Vesic, A. B., Bearing Capacity of Deep Foundations in Sand. En Highway Research Record 39, Highway Research Board
Ilustración 9: Falla por capacidad de carga en un suelo bajo una cimentación Rígida continua (corrida).
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CIMENTACION CONTINUA qd =(2/3)C . N'c + Y . Df . N'q + 0.5 Y . B. N'y
Dónde: qd = Capacidad de Carga límite en Tm/m2 C = Cohesión del suelo en Tm/m2 Y = Peso volumétrico del suelo en Tm/m3 Df = Profundidad de desplante de la cimentación en metros B = Ancho de la zapata, en metros N'c N'q, N'y= Factores de carga obtenidas del gráfico
CIMENTACION AISLADA qd =1.3(2/3)C . N'c + Y . Z . N'q + 0.4 Y . B. N'y
Dónde: qd = Capacidad de Carga límite en Tm/m2 C = Cohesión del suelo en Tm/m2 Y = Peso volumétrico del suelo en Tm/m3 Df = Profundidad de desplante de la cimentación en metros B = Ancho de la zapata, en metros N'c N'q, N'y= Factores de carga obtenidas del gráfico
FACTOR DE SEGURIDAD El cálculo de la capacidad de carga permisible bruta de cimentaciones superficiales requiere
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DISCUSIÓN El presente ensayo ha pretendido logar una evaluación de un procedimiento de laboratorio en la característica de suelos, por lo tanto, para los fines de este proyecto no se limita a un sitio de estudio en particular , si no , para cubrir una gama de suelos que se pueden presentar en la práctica , arcilla , arena , limo. Esta investigación se refiere a una técnica de ensayo de corte directo convencional. Por esta razón no se realizado ningún otro tipo de ensayo con los cuales se puedan determinar los mismos parámetros estudiados como por ejemplo los ensayos traxiales convencionales y múltiples Sin embargo, no se debe olvidar que la prueba de traxiales es el ensayo que mejor produce las condiciones del suelo en el laboratorio , por ende , brinda resultados que la prueba de corte directo
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CONCLUSIONES
Se obtuvo La gráfica de distribución de esfuerzos cortantes vs deformación
Imagen. Grafica obtenida del ensayo de corte directo
Se encontró La cohesión y el Angulo de fricción
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RECOMENDACIONES
Se recomienda Esta utilizar zapatas conectadas con vigas de cimentación a una profundidad de 1:50 m
Debe prepararse, igualmente, un gráfico que incluya los valores para las tres ensayos de las Fuerzas normales contra la resistencia al corte y determinar, a partir del mismo, los valores Efectivos del ángulo de fricción Ø y de la cohesión, c.
Una recomendación muy importante es que la muestra inalterada a ensayar debe estar completamente cubierta con parafina para que no pierda su estado natural y no debe guardarse por mucho tiempo como máximo tres días para el ensayo de lo contrario desechar la muestra.
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ENSAYO DE CORTE DIRECTO 1. INTRODUCCIÓN En este informe que se le hara entrega tiene por objetivo dar a conocer qué es el ensayo triaxial, lo cual trataremos de realizar un análisis general sobre este ensayo, estudiaremos su campo de aplicación y podremos determinar así cuando se hace necesario utilizarlo. Para comprender en qué consiste el ensayo triaxial se hace necesario conocer la teoría del ensayo: en qué se basa, cuáles son las herramientas matemáticas y los análisis que deben hacerse para interpretar los resultados, sólo así podremos concluir las propiedades del suelo ensayado. Finalmente, se darán a conocer los diferentes tipos de ensayos triaxiales que existen comparándolos entre ellos, y se concluirá con un análisis de las ventajas y limitaciones de éste; Además se tratará de complementar este informe con la explicación de un par ejemplos de ejercicios tipo que puedan dejar más claro el contenido.
2. APLICACIONES a) En fundaciones Para fundaciones colocadas en terrenos arcillosos, la condición inmediatamente después de completar la construcción, es casi siempre la mas 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.
b) Estabilidad 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 más alto hasta uno más bajo. La filtración puede ser una causa muy importante para movilizar el suelo cuando el agua está presente, estas fuerzas variantes producen esfuerzos cortantes en la masa del suelo, y ocurrirá movimiento, a menos que la resistencia al corte
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sobre cada posible superficie de falla a través de la masa sea mayor que el esfuerzo actuante.
c) 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 más 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.
3. TEORÍA PARA EL ENSAYO 1. Esfuerzos principales En una prueba de compresión cilíndrica, la falla ocurre debido al corte, por ello es necesario considerar la relación entre la resistencia al corte y la tensión normal que actúa sobre cualquier plano dentro del cuerpo a compresión. En una prueba de compresión, una muestra de suelo está sujeta a fuerzas compresivas que actúa en tres direcciones, en ángulos rectos entre sí, respectivamente; uno en la dirección longitudinal, los otros dos lateralmente. Los tres planos perpendiculares sobre los cuales estas tensiones actúan, son conocidos como los planos principales, y las tensiones como las tensiones principales. Muchos de los problemas de mecánica de suelos son considerados en dos dimensiones, y solo son usadas las tensiones principales mayor y menor. A la influencia de la tensión principal intermedia se le resta importancia. 2. Circulo de mohr Representación grafica de los estados de esfuerzo de una muestra de suelo, sometida a una prueba de compresión Triaxial.
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En el circulo de Mohr se deben notar los siguientes puntos: El eje horizontal representa las tensiones normales, y el eje vertical representa las tensiones de corte, todas dibujadas en la misma escala. Los extremos del diámetro del circulo, están definidos por los valores de σ3 y σ1, medidos desde el origen. El punto P, tiene por coordenadas las tensiones normales y de corte sobre un plano inclinado en un ángulo con respecto a la horizontal. Alternativamente P puede ser encontrado trazando un radio desde el centro C a un ángulo 2α con respecto a la horizontal. En un plano inclinado de α, la tensión normal es igual a OQ y la tensión de corte es igual a PQ. El diámetro del circulo es igual a (σ1 – σ3), la diferencia de tensiones principales es conocida como “esfuerzo desviador”, y esta dada por la formula:
La máxima tensión de corte es representada por el punto P ( punto mas alto del circulo), y es igual al radio.
Un plano sobre el cual ocurre la máxima tensión de corte, esta inclinado en 45º con respecto a la horizontal. El centro del circulo C, esta a una distancia:
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3. Esfuerzo de desviación Cuando una probeta cilíndrica de longitud L y diámetro D, se somete a una prueba de compresión Triaxial, será cargada en dos etapas: a. Se aplica la presión completa (alrededor de la muestra) denotada por σ3 (Fig. 5.29), Esta actúa igualmente en todas las direcciones, así las tensiones radial y axial serán igual a σ3, o ninguna tensión de corte es inducida en la muestra. b. Una carga axial P se aplicará desde afuera de la celda y es progresivamente incrementada. La tensión adicional causada por P, es solamente en la dirección axial y es igual a P/A. Finalmente la tensión axial total, denotada por σ1, es igual a (σ3 + P/A), es decir: σ1 = σ3 + P/A
Esta ecuación puede ser ordenada de la siguiente manera: (σ1 – σ3) = P/A
La diferencia de las tensiones principales (σ1 – σ3) se conoce con el
nombre de esfuerzo desviador.
En una prueba la presión de la celda σ3, es mantenida constante a
un valor dado, mientras que la tensión desviadora es gradualmente incrementada. Generalmente la tensión de falla estará representada por el máximo de la tensión de desviación.
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4. Criterio falla de mohr A partir de una serie de pruebas de compresión, llevadas a cabo sobre muestras idénticas de suelo, con presiones de confinamiento diferentes, representadas por un conjunto de círculos de Mohr que representan la falla, se busca en la práctica que una envolvente de falla es tangente a estos círculos, la que es representada aproximadamente como una línea recta sobre un amplio rango de tensiones. La forma de la envolvente es conocida como el diagrama de Mohr.
Círculo de Mhor para esfuerzos totales. Diametro 70mm.
Si el circulo de Mohr toca la envolvente, la resistencia máxima del suelo ha sido alcanzada, es decir, la falla ha ocurrido en un plano determinado. Un círculo de Mohr que intercepta a la envolvente y sobrepasa a esta, no tiene significado físico, porque una vez que la envolvente es alcanzada, la falla ocurre y el suelo no puede ofrecer más resistencia al corte. 5. Pruebas de comprecion triaxial de resistencia al esfuerzo constante Esta prueba en la actualidad son, con mucho, las más usadas en cualquier laboratorio para determinar las características de esfuerzo-deformación y de resistencia a los suelos. Teóricamente son pruebas en las que se podría variar a voluntad las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales sobre una muestra de suelo cilíndrica, efectuando mediciones sobre sus características mecánicas en forma completa. En realidad y buscando sencillez en su realización, en las pruebas que hoy se efectúan, los esfuerzos en dos dirección son iguales. Las muestras cilíndricas del suelo están sujetas a presiones
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laterales de un líquido, generalmente agua, del cual se protegen con una membrana impermeable. Para lograr el debido confinamiento, la muestra se coloca en el interior de una cámara cilíndrica y hermética, de lucita, con base metálica (ver figura 4 esquema de cámara de compresión triaxial). En la base de la piedra se colocan piedras porosas, cuya comunicación con una bureta exterior puede establecer a voluntad con segmentos de tubos plásticos (Tubos Sarán). El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor comunicado con ella. La carga axial se transmite a la muestra por medio de un vástago que atraviesa la base superior de la cámara. La presión que se ejerce con el agua que llena la cámara es hidrostática y produce esfuerzos principales sobre la muestra, iguales en todas las direcciones, tanto lateral como axialmente. En las bases de la muestra actuará, además de la presión del agua, el efecto transmitido por el vástago de la cámara desde el exterior. Se han desarrollado otras modalidades de pruebas triaxiales. En una de ellas, ya bastante usada, el esfuerzo transmitido por el vástago es de tensión, disminuyendo así la presión axial actuante sobre la muestra durante la prueba; en otra, se varia la presión lateral, modificando la presión de cámara dada con el agua, pero se mantiene la presión axial constante, para los que son precisos los ajustes correspondientes en la presión transmitida por el vástago. Finalmente, sobre todo en trabajos de investigación, se están efectuando pruebas en las que se hace variar tanto el esfuerzo axial como el lateral. Las pruebas triaxiales pueden clasificarse en dos grupos: -
Pruebas de compresión: Son aquellas en las que la dimensión original axial de la muestra disminuye. Pruebas de extensión: Aquellas en las que dicha dimensión se hace aumentar durante la prueba.
El estado de esfuerzo en un estante dado se considera uniforme en toda la muestra y puede analizarse recurriendo a las soluciones graficas de Mhor.
Debe observarse que en una cámara triaxial el suelo esta sujeto a un estado de esfuerzo tridimensionales que aparentemente debería tratarse con la solución de Mhor.
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Fig. 4 Esquema de cámara compresión triaxial.
6. Tipos de ensayos. Las pruebas triaxiales suelen ser constituidas por dos etapas:
La primera es aquella en que se aplica a la muestra la presión de cámara, durante ella puede o no permitirse o no el drenaje de la muestra, abriendo o cerrando la válvula de salida del agua atreves de las piedras porosas. En las segunda etapa, la muestra es sometida a esfuerzos cortantes
A continuación se procederá a describir los diferentes tipos de ensayos triaxiales que se realizan.
6.1.
Prueba lenta (Símbolo L). Prueba con consolidación y con drenaje La característica fundamental de la prueba es que los esfuerzos aplicados al espécimen son efectivos. Primeramente se prepara y compacta la muestra, luego viene la etapa de saturación de la probeta donde se somete al suelo a
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una presión hidrostática, teniendo abierta la válvula de comunicación con la bureta. Se deben eliminar todas las burbujas de aire de la probeta. Luego, en la etapa de consolidación, se recomienda aplicar la presión de confinamiento incrementándola en pequeños intervalos con el fin de no perturbar la muestra, y una vez alcanzada la presión total de confinamiento, se deja consolidar la muestra el tiempo que sea necesario. Finalmente se registra la variación de volumen sufrida por la probeta, antes y después de la consolidación. Este dato es acumulativo y se le adiciona a las deformaciones. A continuación la muestra es llevada a la falla, ésta deberá ser cuidadosamente observada, tomándose notas del desarrollo de grietas, abultamientos, perdida de verticalidad, etc. Es recomendable disminuir la magnitud del incremento de carga a la mitad, cercanos a la falla. Después de que el espécimen haya fallado o que su deformación axial sobrepase el 20%, cesara el proceso y se procederá a quitar la presión de cámara, liberar la carga axial y sacar el extensómetro que mide las deformaciones del largo de la probeta.
6.2.
Prueba rápida-consolidada. (Símbolo Rc). Prueba con consolidación y sin drenaje.
En este tipo de prueba, el espécimen se consolida primeramente bajo la presión hidrostática, como en la primera etapa de la prueba lenta; así, el esfuerzo llega a ser efectivo, actuando sobre la fase sólida del suelo. En seguida, la muestra es llevada a la falla por un rápido incremento de la carga axial, de manera que no se permita cambio de volumen. El hecho esencial de este tipo de prueba es el no permitir ninguna consolidación adicional durante el periodo de falla, de aplicación de la carga axial. Esto se logra fácilmente en una cámara de compresión triaxial cerrando la válvula de salida de las piedras porosas a la bureta; una vez hecho esto, el requisito es cumplido independientemente de la velocidad de aplicación de la carga axial; sin embargo, parece no existir duda de que esa velocidad influye en la resistencia del suelo, aun con drenaje totalmente restringido. En la segunda etapa de una prueba rápida-consolidada podría pensarse que todo el esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacíos del suelo en forma de presión neutral; ello no ocurre así y se sabe qué parte de esa presión axial es tomada por la fase sólida del suelo, sin que, hasta la fecha, se hayan dilucido por completo ni la distribución de esfuerzos, ni las razones que la gobiernan. De hecho no hay ninguna razón en principio para que el esfuerzo desviador íntegramente tomado por el agua en forma de presión neutral; si la muestra estuviese lateralmente confinada, como en el caso de una prueba de consolidación, sí ocurriría esa distribución simple del esfuerzo vertical, pero en una prueba triaxial la muestra puede deformarse lateralmente y, por lo tanto, su estructura toma esfuerzos cortantes desde un principio.
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6.3.
Prueba rápida. (Símbolo R). Prueba sin consolidación y sin drenaje.
En este tipo de prueba no se permite en ninguna etapa consolidación de la muestra. La válvula de comunicación entre el espécimen y la bureta permanece siempre cerrada impidiendo el drenaje. En primer lugar se aplica al espécimen una presión hidrostática y, de inmediato, se hace fallar al suelo con la aplicación rápida de la carga axial. Los esfuerzos efectivos en esta prueba no se conocen bien, ni tampoco su distribución, en ningún momento, sea anterior o durante la aplicación de la carga axial.
6.4.
Prueba de compresión simple. (Símbolo Cs).
Esta prueba no es realmente triaxial y no se clasifica como tal, pero en muchos aspectos se parece a una prueba rápida. Los esfuerzos exteriores al principio de la prueba son nulos, pero existen en la estructura del suelo esfuerzos efectivos no muy bien definidos, debidos a tensiones capilares en el agua intersticial. Más adelantes se describen los aspectos teóricos de estas pruebas realizadas en suelos en diferentes condiciones.
7. Diferencia 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 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.
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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.
8. Ventajas Algunas ventajas de los ensayos de compresión Triaxial son:
La muestra no es forzada a inducir la falla sobre una superficie determinada. Consecuentemente, una prueba de compresión puede revelar una superficie débil relacionada a alguna característica natural de la estructura del suelo. Las tensiones aplicadas en pruebas de compresión en laboratorio, son una aproximación de aquellas que ocurren en situ. Las tensiones aplicadas son las tensiones principales y es posible realizar un estrecho control sobre las tensiones y las deformaciones. Las condiciones de drenaje pueden ser controladas y es posible una gran variedad de condiciones de prueba.
9. 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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IMPLEMENTACIÓN DEL ENSAYO TRIAXIAL GENERALIDADES Los ensayos triaxiales constan de tres etapas importantes que son: Saturación. (Etapa 1) Consolidación. (Etapa 2) Compresión. (Etapa 3) La etapa de saturación y consolidación es llevada a cabo en un sistema llamado banco triaxial, que está diseñado para controlar un sistema de agua a presión que es aplicado a la muestra de suelo a ensayar. En la Figura que a continuación se adjunta se muestra un esquema del banco triaxial.
La etapa de compresión se lleva a cabo en una prensa mostrada en la figura que se encuentra al final de esta explicación, y que es la encargada de aplicar una carga axial mediante un anillo de carga a un vástago que comprime la muestra de suelo, el sistema triaxial es capaz de mantener constante la presión aplicada a la muestra (dependiendo al tipo de ensayo) en la etapa de consolidación durante la compresión y puede medirse la presión de poros.
Tipos de ensayo Triaxial 1. 2. 3. 4.
No consolidado- No drenado (UV) Consolidado-No drenado (CU) Consolidado Drenado (CD) Consolidado-No drenado con medición de presión de poros (CU o CU
EQUIPO PARA ENSAYO El aparato consta, en primer lugar, de un tablero de comando y de una cámara Triaxial constituida de cilindro de lucita de 35 cm de diámetro y unos 7 mm de espesor de su pared. (Según figura 5.33). Las bases de la cámara están conformadas por dos placas circulares las que quedaran solidarias al cilindro, por medio de sellos de
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goma y piezas de ajuste. La pieza base inferior es de acero inoxidable para poder resistir los ensayes. La cámara con las anteriores dimensiones resiste presiones internas de 7kg/cm2. Dentro de la cámara se ubican dos cilindros cortos, que sirven de base y cabezal del cuerpo de prueba con piezas de aluminio perforada en contacto con este. La transmisión de carga hacia el cuerpo de prueba se logra mediante un movimiento ascendente de la cámara cuya sección superior del cuerpo, entra en contacto con el vástago del anillo de carga. Un extensómetro medirá las deformaciones que tengan lugar en el anillo, las que, a través, de una tabla de calibración proporcionara las cargas actuantes correspondientes. Por otro lado, el candenciómetro conjuntamente con el cronometro controlaran que la velocidad de carga sea de 0.025 cm/min. En las pruebas de compresión Triaxial, se requiere que la muestra esta enfundada en membranas flexibles, resistentes e impermeables, generalmente de látex. Para aplicar la presión de cámara en torno a la muestra, el agua seria el fluido ideal, ya que este no ataca a la membrana de látex.
ENSAYO COMPRESIÓN TRIAXIAL GENERALIDADES Este ensaye es utilizado para determinar los parámetros de resistencia al corte mediante la compresión axial. Tiene como objetivo determinar los parámetros de resistencia de los duelos mediante este método de ensayo.
APARATOS
Dispositivo de carga axial: Puede ser cualquier aparato de compresión con la suficiente capacidad y el adecuado control. El dispositivo para medir la carga axial, puede consistir en un anillo de carga capaz de medir con aproximación de 1.1 N (0.25lb) o a valores de carga dentro del 1.0% de la carga anticipada, cualquiera que sea la mayor. Cuando se emplee un anillo de carga, normalmente éste se halla remontado en la parte exterior de la cámara de presión. Puede emplearse también una celda electrónica para medir las cargas axiales aplicadas a la probeta de ensayo. Dicha celda deberá montarse en el interior de la cámara triaxial y, cuando se la emplee, se necesitará además el siguiente equipo electrónico accesorio para indicar la carga:
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a) Amplificador.- Que aumente las señales eléctricas de la cámara de carga de manera que sean suficientemente grandes para que puedan ser detectadas mediante un voltímetro digital o un registrador gráfico de tira. b) Fuente de potencia.- De voltaje constante para excitar la celda de carga o el transductor de presión. c) Puente de balanceo.- Para balancear los circuitos eléctricos del sistema de medida. d) Voltímetro.- Digital o registrador gráfico, para medición de la carga o presión.
Indicador de Deformación: Deberá ser un extensómetro de dial con graduaciones equivalentes a 0.02mm (0.001") y que tenga un recorrido mínimo del 20% de la longitud de la probeta de ensayo u otro dispositivo de medida que cumpla con estos requisitos generales. Equipo para tallar probetas: Incluye un marco, herramientas apropiadas para desbastar y tallar, calibrador Vernier que pueda medir las dimensiones de la muestra con aproximación a 0.25mm (0.01"), un cortador de muestras, un dispositivo para cortar los extremos, y un extractor de muestras. Aparato de presión de poros: Puede consistir en un manómetro cerrado, un indicador de cero presión, o un transductor de presión. Cuando se emplee este último, podrá utilizarse con el mismo equipo electrónico usado para monitorear las cargas. Horno para secamiento: Horno termostáticamente controlado que pueda mantener una temperatura de 110±5°C (230±9°F) para determinar el contenido de humedad de los especímenes. Balanzas.Para muestras cuyo peso sea inferior a 100g, deberá utilizarse una balanza con precisión de 0.01g, y para muestras de 100 g o más, una balanza con precisión de 0.1 g. Cámara de Compresión Triaxial. Empleada para contener el espécimen y el fluido de confinamiento, durante el ensayo. Las partesaccesorias asociadas con la cámara incluyen: placa para base de la muestra, piedra porosa, dos placas lubricadas para base, anillos "O" u otro tipo de sellos, válvulas de cierre, placa superior, tubos de plástico para drenaje
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resistentes a la temperatura, tapa superior, pistón de carga, membrana de caucho, papel de filtro, dial con su soporte, etc.
Aparatos Misceláneos. Estos incluyen una bomba de vacío y un aparato de presión con sus respectivos manómetros y reguladores, un dilatador de membrana, recipientes para determinaciones de humedad, y los formatos de Informe que se requieran.
PREPARACIÓN EQUIPO
Desarmar y limpiar la cámara y todas las líneas. Cerrar las válvulas. Fijar el cabezal inferior de la cámara en un soporte y colocar la pieza perforada que simula la piedra porosa. El cabezal se colocará invertido quedando la pieza de aluminio sobre él.
PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
Tomar una muestra de suelo adecuada, para obtener un espécimen representativo y cuyo volumen compactado deberá ser equivalente al del molde a usar. Agregar el porcentaje de humedad necesaria para obtener la humedad de compactación. Formar la probeta de suelo llenando el molde en tres capas, donde cada una de ellas es compactada de igual forma, entregando la misma energía de compactación; el material que sobra se utilizará para determinar el contenido de humedad de la muestra. En este caso, las muestra a ensayar serán de 35 mm de diámetro. Esta probeta se preparará en la base de la celda Triaxial. La muestra de suelo se dividirá en tres partes iguales y cada parte representara una capa, su compactación se logrará mediante golpes producidos por un martillo de peso igual a 2.800 gr. En la placa inferior de la celda colocar la base afianzado firmemente, enseguida colocar la piedra porosa y el papel filtro. Hecho esto, colocar el collarín que recibirá el molde para la confección de la probeta. Este molde tiene la particularidad de estar conformado por dos piezas, las que se unen solidariamente mediante abrazaderas. Esta diseñado de tal forma que una vez confeccionada la probeta puede retirarse sin alterar la muestra. Colocar la primera membrana adherida al molde antes de comenzar el llenado, este procedimiento se realizará colocando la membrana por el interior del molde, dispuesto este en base de la celda Triaxial. Aplicar vacío desde el exterior del molde, hasta el momento de finalizar el llenado de este.
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Llenar el molde por capas, produciendo la compactación en forma manual mediante una energía de compactación en la que se considera la altura de caída del martillo, el peso del martillo, el volumen del molde, número de golpes y numero de capas para que de esta manera se defina que las tres capas fueron compactadas de igual forma. Una vez completadas las capas retirar el molde y desconectar el vacío, para mantener la verticalidad de la probeta. Colocar el cabezal superior y desenrollar la membrana fijándola en este cabezal. Luego retirar el molde con mucho cuidado sin que el cuerpo de prueba pierda verticalidad. Para asegurarse que no existen filtraciones desde afuera de la cámara hacia el interior del cuerpo de prueba y viceversa, cuando se realiza el ensayo, se procederá a colocar una segunda membrana. Dentro de un cilindro metálico ad-hoc colocar la membrana doblando hacia afuera sus extremos, crear un vacío entre la membrana y el cilindro. Enseguida este conjunto se colocará sobre la muestra cubriéndola, se suspende el vacío, por lo que la membrana se adhiere en torno a la muestra, base y cabezal. Se retira el cilindro, los extremos libres de la membrana doblarlos sobre la base y el cabezal, alisando las posible arrugas. Asegurar la posición de la membrana con elásticos alrededor de sus extremos inferior y superior, cubriendo los cabezales.
ARMADO DEL CONJUNTO Para obtener el conjunto del aparato Triaxial en condiciones de efectuar las pruebas deberá procederse como sigue:
Colocar el cilindro de lucita que forma parte de la cámara Triaxial en su lugar. La tapa superior de la cámara sobre el cilindro centrando el vástago de carga axial cuidadosamente en el cabezal. Asegurar provisoriamente la tapa superior por medio de sus tuercas y luego en forma definitiva, apretándolas sucesivamente de modo que la placa quede horizontal, las placas deben apretarse con un torque solo lo suficiente para impedir la salida de agua a través de los ajustes de goma. Colocar la cámara en el banco de soporte, centrandola muy bien, ajustar el marco de carga sobre ella y también el extensómetro.
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Todas las llaves del tablero de comandos del ensaye Triaxial se deben encontrar cerradas.
Se procede a trabajar en el sistema ( como se muestra en la figura 5.32). Se almacena en el estanque A agua desaereada, luego se llena con agua la bureta C al abrir las llaves 1 y 10, posteriormente se cierra la llave 10. Enseguida se llena de agua la celda I mediante la abertura de las llaves 2, 3 y 4 asegurándose que en dirección a la bureta D se eliminen todas las burbujas de aire provenientes del interior de la celda, para ello se aplicara una pequeña presión la que además hará circular el agua hacia el exterior de la celda, una vez que el nivel de agua de la bureta D sea el mismo que en la bureta C, cerrar las llaves 3, 4, 1 y 2. Se procederá a saturar el cuerpo de prueba, por tal motivo entrara en operación el compresor mediante la válvula principal de alimentación de aire, luego se abren las válvulas 8, 7 y 9 que conducirán presión hasta la llave 19, una vez que se hayan igualado las presiones de los manómetros que conducen presión a las celdas y la probeta, entonces anotar el volumen inicial de la bureta E, luego abrir al mismo tiempo las llaves 3 y 19 momento en el cual comienza la saturación del cuerpo de prueba, en este instante comienza a disminuir el volumen de la bureta E el cual debe llegar a un nivel de volumen constante el cual queda registrado. Se procederá a consolidar el cuerpo de prueba hasta la presión deseada, por tal motivo se incrementara la presión de la celda al abrir la válvula del manómetro que comunica con la bureta C, de esta .manera se vuelve a
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registrar el volumen de la bureta E una vez que haya alcanzado un valor constante, de esta forma el sistema se encuentra apto para la realización de la prueba lenta
PROCEDIMIENTO PARA LA PRUEBA LENTA. Se procederá a la realización de la prueba lenta una vez armado el conjunto y que este se encuentre estanco. Una muestra cilíndrica de suelo se someterá en primer lugar a una presión confinante, vale decir en todas sus caras, a continuación se incrementará el esfuerzo axial, hasta que se rompa la probeta, todo esto permitiendo el drenaje en la muestra. Además se medirán las variaciones de volumen en la etapa de carga axial, para desarrollar la técnica sugerida por Casagrande.
DESARME DEL CONJUNTO
Una vez obtenido los datos se procederá a desarmar el conjunto, a través de una llave ubicada en la base inferior de la cámara Triaxial, se procede a la evacuación del agua.
Quitar las barras de armado entre placas, la tapa metálica superior, y luego el cilindro de Lucita. Desenrollar los elásticos de la base y el cabezal, doblar los extremos de la membrana sobre el espécimen y retirar la muestra. Quitar al espécimen las membranas impermeables, sacándolas a partir de un extremo. Preparar un esquema de la muestra fallada, si existe un plano de falla claramente definido medir su inclinación. Esta inclinación puede alterarse muy sensiblemente por deformaciones excesivas después de la falla. Obtener el peso húmedo de la muestra, secar a horno y obtener su peso seco. Calcular el contenido de humedad al principio y al final del ensayo. Secar la membrana impermeable y proceder a rociar con talco, para evitar su deterioro si esta es recuperable. Limpiar, secar y armar nuevamente el aparato. Esto habiendo cerrado las válvulas del tablero.
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PREPARACIÓN DE PROBETAS
Tamaño de la probeta: Los especímenes deberán tener un diámetro mínimo de 33mm (1.3") y el mayor tamaño de partícula dentro de la muestra de ensayo deberá ser menor que 1/10 de su diámetro. Para muestras con diámetro de71mm (2.8") o más, la partícula mayor deberá ser menor que 1/6 del diámetro. Si después de la conclusión del ensayo de una muestra inalterada, se encuentran partículas de mayor tamaño, deberán hacerse las anotaciones correspondientes en el Informe. La relación alturadiámetro (H/D) debe estar entre 2 y 3, siendo preferible 2, valor que puede disminuirse hasta 1.25 cuando se usen placas lubricadas. Deberán efectuarse las mediciones con aproximación a 0.10 mm (0.05") empleando un calibrador Vernier u otro dispositivo adecuado.
Muestras inalteradas: Pueden prepararse muestras inalteradas a partir de muestras de mayor tamaño o de muestras obtenidas de acuerdo con la Norma MTC E 131- 2000.
Muestreo de Suelos con Tubos de Pared Delgada. Cuando se reciben tubos con muestras en el laboratorio, éstas se sacan por extrusión mediante un gato u otro método que no las altere. Se toman muestras para determinar la humedad, y se cortan especímenes de la longitud deseada; se identifica el suelo visualmente con ayuda de la Norma MTC E 1312000. Procedimiento normal para la descripción e identificación de suelos (procedimiento visual y manual), y se recubren los especímenes con parafina, manteniendo los en una cámara húmeda y fría hasta que vayan a ser ensayados.
Corte: Las muestras de tubo podrán ensayarse sin ser desbastadas, excepto para emparejar los extremos, si las condiciones de la muestra así lo exigen. Si es necesario desbastarlas, deberán manejarse con cuidado para evitar su alteración y cambios en la sección transversal o pérdida de humedad. El corte, en cuanto sea posible, deberá efectuarse en una cámara con humedad controlada procurando evitar a toda costa cualquier cambio en la humedad. Efectúense varias medidas del diámetro y de la altura de la muestra y determínese el peso del espécimen de ensayo. Sino se emplea la muestra completa para la determinación de humedad, tómese con este objeto una muestra representativa de los recortes y colóquese inmediatamente en un recipiente cubierto.
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Muestras Remoldeadas: Pueden prepararse especímenes a partir de una muestra inalterada fallada o de una alterada. El método de moldeo y la compactación pueden variarse para producir el peso unitario, la humedad y la estructura del suelo deseadas.
ENSAYO TRIAXIAL CONSOLIDADO NO DRENADO
COMPACTACIÓN Las muestras de suelo recompactadas para pruebas de compresión, pueden ser preparadas, aplicando procedimientos de compactación standard. Usualmente se requieren preparar las muestras a una densidad seca especificada, aplicando un esfuerzo de compactación determinado. El procedimiento para probar muestras recompactadas, incluyendo cálculos, figuras y presentación de resultados, son los mismos para pruebas similares de muestras no perturbadas. Los procedimientos de compactación antes referidos se aplican principalmente a suelos cohesivos y a suelos sin cohesión, parcialmente saturados. La preparación de las muestras de suelos sin cohesión, secos y completamente saturados, requieren un tratamiento especial.
Fig. 5.34 Modalidad Ensayo consolidado no Drenado
CANTIDAD DE MUESTRA Se determinara la cantidad de material para la preparación de las muestras mediante datos conocidos, los cuales se han obtenido previamente y se indican en la tabla siguiente: Luego las cantidades de material y agua que se deben agregar para confeccionar un cuerpo de prueba son: Suelo = 1100 gr, Agua = 70 gr . 43
PREPARACIÓN DE LA PROBETA DE SUELO Por medio del cuarteo seleccionar una cantidad de suelo representativo que aproximadamente represente el peso de la muestra para ensayo. Se pesan los 1100 gr en una balanza cuya precisión sea del orden de 0.1 gr. Por otro lado, se requiere de una probeta graduada para determinar en forma práctica la cantidad de agua que debe agregarse al suelo.
Se procede a colocar un bol, limpio y seco, la muestra de suelo y se incorpora el agua. Con la ayuda de una espátula o cuchara, revolver y homogeneizar hasta que no queden a la vista partículas de suelo.
Será necesario el uso de un molde en el cual se compacta por capas de suelo a ensayar El conjunto esta compuesto por un cuerpo de 14 cm de altura, además de piezas complementarias tales como collarines y bases, los que permiten definir el cuerpo de prueba, los que más adelante se detallan. La probeta quedará definida por la altura del molde, el que será llenado por capas, con un total de tres, siendo cada una de ellas prensada entre sí, hasta obtener la probeta. Luego de obtener la altura por capas será transformado su equivalente del peso en porcentaje, quedando determinado en forma práctica la cantidad de material a emplear. Luego se procede a armar la probeta de suelo, primer molde debe estar perfectamente limpio y libre de partículas, al igual que las piezas auxiliares. El molde debe estar perfectamente vertical posado sobre una de sus bases, con el objeto de recibir la primera capa. Esto se realiza colocando pequeñas porciones de manera de no perder material, se acomoda material por medio de una varilla metálica, se alisa la superficie y se tapa con la base superior. Llevar a la prensa y aplicar carga, debiendo mantener presionado durante algunos minutos. Retirar de la prensa el molde y sacar la base superior, escarificar la superficie, y dejar apto para recibir la segunda capa. Al escarificar la superficie se consigue formar un plano irregular para el mejor acomodo entre partículas con la próxima capa y así evitar en la etapa de carga, una falla por efecto de la unión entre capas.
Colocar el collarín al molde y adicionar la segunda capa, con el mismo cuidado que para la primera, realizar este procedimiento con las tres capas.
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EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA La extracción de la muestra se realiza con un dispositivo ideado para tal efecto, mediante gata mecánica, perfil, etc (ver figura). Al proceder a la extracción de la muestra, la que deberá salir en perfecto estado, cualquier indicio de perdida o mascada en la probeta, implicará que esta debe ser desechada y deberá confeccionarse otra nueva. Debe medirse la altura y el diámetro con un pie de metro para asegurar que las dimensiones estén de acuerdo con lo especificado para el ensayo.
Extraccion de la probeta
SATURACIÓN DE LA PROBETA Cerrar la llave que mantiene el vacío de la probeta, retirar el vacío y conectar en el mismo orificio la línea de presión de saturación que pasa por la bureta y esta conectada al tanque regulador, donde se conseguirá la presión de saturación deseada. Verificar que las presiones estén correctamente marcados en los manómetros y conforme a esto aplicar la presión de saturación a la probeta de suelo. Cuando el agua de la bureta alcance un punto estable en el descenso, cerrar el sistema, cortando la presión de saturación y liberando la presión en la probeta. Llenar nuevamente la bureta de agua y conectar vacío, de m anera que pueda absorber aire atrapado en el interior de la probeta. Luego de un rato, cerrar la línea de vacío y proceder nuevamente a saturar. Esta operación se realiza cuantas veces sea necesario hasta eliminar la totalidad de las burbujas de aire.
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ETAPA DE CONSOLIDACIÓN Una vez saturada la probeta de suelo se procederá a consolidar. Se recomienda aplicar la presión de confinamiento en pequeños intervalos con el fin de no perturbar la muestra. Incrementar la presión, hasta alcanzar la presión de confinamiento deseada para cada caso. Alcanzada la presión de confinamiento total, se dejara consolidar la muestra el tiempo que sea necesario. Al termino de la consolidación deberá determinarse la variación de volumen sufrida por la probeta por efecto de consolidación, debido a la presión confinante ejercida sobre la probeta. Este dato es acumulativo y se le adiciona a las deformaciones.
ETAPA DE RUPTURA Y CARGA Finalizada la etapa de consolidación se cierra la línea que conecta el interior de la probeta, por tratarse de un ensayo C.U. Se adicionará carga mediante el giro constante de la manivela de la gata, la que produce un ascenso en el plato, materializando así el incremento de carga axial. Se deberá aplicar la carga con una velocidad controlada de 1.27 mm/min, cuyas lecturas de deformación se deberán a intervalos de tiempos controlados con cronometro. Según la muestra se vaya acercando a la falla, deberá ser cuidadosamente observada, tomándose notas del desarrollo de grietas, abultamientos, perdida de verticalidad, etc. Es recomendable disminuir la magnitud del incremento de carga a la mitad, cerca de la falla, en este caso, los intervalos en que actuaran los incrementos se reducirán también a medio minuto. Después de que el espécimen haya fallado o que su deformación axial sobrepase el 20%, cesara el proceso de incrementar carga. A continuación se procederá a quitar la presión de cámara, liberar la carga axial y sacar el extensómetro que mide las deformaciones del largo de la probeta.
Nota: no se detalla la preparación del equipo por ser semejante al ensayo Triaxial C.D.
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PEPARACIÓN DEL EQUIPO
Desarmar y limpiar la cámara y todas las líneas. Cerrar las válvulas. Fijar el cabezal interior a la cámara en un soporte y colocar la pieza perforada que simula la piedra porosa. El cabezal se colocará invertido quedando la pieza perforada de aluminio sobre él. Colocar papel filtro sobre la pieza perforada, de diámetro igual al de la probeta, según corresponda a la muestra a ensayar. Se procederá entonces a colocar la muestra sobre la base inferior de la celda Triaxial, la que esta preparada con el cabezal inferior y papel filtro, vale decir en condición optima de ser posada la muestra sobre esta. Luego se colocará el papel filtro seguido por el cabezal superior, quedando en contacto con la probeta de suelo. Colocar el cilindro de lucita que forma parte de la cámara Triaxial en su lugar. La tapa superior de la cámara sobre el cilindro, centrando el vástago de carga axial cuidadosamente en el cabezal. Asegurar provisoriamente la tapa superior por medio de sus tuercas y luego en forma definitiva, enroscándolas sucesivamente de modo que la placa quede horizontal, las tuercas deben apretarse solo con un torque suficiente para impedir la salida del agua a través de los ajustes de goma. Se procederá a llenar de agua la celda, abrir la válvula de escape de agua “P5” en tablero y válvula “b” en celda, y llenar esta por medio de caída libre. Una vez llena la celda dejar abierta la válvula de salida superior “C”, la que esta conectada al desagüe y aplicar un mínimo de presión, solamente para producir una circulación del agua, que inducirá la salida de posibles burbujas de aire hacia el exterior. Conectar la línea de presión a un tanque de regulación con su válvula de salida cerrada. Ajustar la presión del tanque al valor que se desea tener en la cámara. Colocar la cámara en el banco de soporte centrándola muy bien, ajustar el marco de carga sobre ella y también el extensómetro. Aplicar la presión deseada al agua de la cámara.
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FORMULAS A continuación se presentan las formulas para la construcción de la tabla de presentación de datos:
Ao
Donde :
= Área de la sección transversal mm2 .
Donde : = Monto que se deforma en la compresión de cualquier estado expresado en mm. Δx
Donde : = Delta de altura en la etapa consolidación expresado en mm. Δh
Donde :
de
A0 = Área corregida
b. Hoja de presentación de datos En estas tablas se tabulan los datos correspondientes a un ensayo Triaxial no drenado. Tabla V.23.
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c. Diagrama de estados de esfuerzos En este diagrama se grafican en las abcisa los círculos de Mohr para una presión de cámara constante y en las ordenadas el esfuerzo de corte Fig. 5.36.
Fig. 5.36 Estado de esfuerzo Diámetro 70 mm y σ3 = 3.0 (kg/cm2)
Ensayos
1
2
3
4
σ1 (Kg/cm2)
3.25
4.31
6.18
9.42
σ3 (Kg/cm2)
0.5
1.0
2.0
3.0
1.655
2.405
3.210
Radio
σ1 * 1.375
σ3
49
Kg/cm2)
2
Centro σ1 + σ3 Kg/cm2
1.875
2.625
4.405
6.210
2
Tabla V.23. Resumen de datos para confeccionar el circulo de Mohr
Tiemp Deform Lectur P o ación a de (kg) (min) (mm) Carga
Li (m m)
AHI Lo AH (m acum m) (mm)
σ1 A P/A E (mm) (kg/cm) (kg/c (%) 2 2 m)2
. DIAGRAMA DE ESFUERZO- DEFORMACIÓN En este diagrama se grafican en las ordenadas la presión desviadora y en las abscisas la deformación unitaria alcanzada:
σ1 – σ3 2
σ1(I) σ1(IV)
σ1(III) σ 3(IV) σ 3(I) σ1(II)
σ
σ σθ1
3(III)
3(II)
Diagrama esfuerzo - deformación. Diámetro 70 mm
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DIAGRAMA DE ESFUERZOS TOTALES En la Tabla V.23 se presenta un cuadro resumen de los valores máximos de presiones desviadoras alcanzados durante 4 ensayos sucesivos, a una misma muestra de suelo y con diferentes presiones de confinamiento, mientras que en la Fig. 5.38 se presenta la envolvente de falla para los mismos valores anteriores.
CONCLUSIÓN Pude concluir gracias a la realización de este informe que el ensayo Triaxial constituye el método más versátil en el estudio de las propiedades esfuerzodeformación. Con este ensayo es posible obtener una gran variedad de estados reales de carga y en algunos casos apreciar minuciosamente, gracias al procedimiento de carga levemente incrementado, las relaciones directas entre los esfuerzos y las deformaciones en la probeta. Se presentaron los diversos tipos de ensayo que existen y se realizó una pequeña descripción de que consisten, analizando a su vez el método necesario para poder calcular los esfuerzos mediante el circulo de Mhor, que resultó ser la herramienta fundamental para la determinación de los límites de esfuerzo en el ensayo. Le mostramos alfinal del informe los diferentes tipos de ensayos que se pueden desarrollar mediante los métodos de triaxial, como también el procedimiento de cada uno de ellos en los cuales están explicados de mejor forma posible, también la materialización que ocuparemos.
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