Ensayo Triaxial

En un ensayo triaxial se colocan cargas de confinamiento (σ3) y cargas axiales (σ1) tratando de simular las condiciones reales de esfuerzos en el suelo (Figura No. 1). Se ensayan muestras cilíndricas dentro de una membrana delgada de caucho, colocándolas dentro de una celda triaxial con dos tapas rígidas y pistones arriba y abajo de la muestra.

Figura No. 1: Variación de la presión de poros durante la compresión (Whitlow, 1994).
(a) Esfuerzos durante la compresión. (b) Presión de poros inicial. (c) Presión de poros de falla.

El equipo de ensayo Triaxial es muy versátil y permite realizar ensayos con gran variedad de procedimientos para determinar la resistencia al cortante, la rigidez y las características de deformación de las muestras.

Adicionalmente, el ensayo se puede realizar para medir características de consolidación y permeabilidad.

La celda se llena de un fluido especial, se le aplica una presión determinada al fluido (σ3), la cual se transmite por éste a la muestra. Los esfuerzos de cortante se aplican mediante fuerzas de compresión verticales accionadas por los pistones (Figuras No. 2 y No. 3). La presión de poros dentro de la muestra puede medirse a través de un pequeño tubo o bureta en contacto con la muestra. Para cada presión de confinamiento se obtiene el esfuerzo desviador (Δσ) que se requiere para hacer fallar la muestra.

El drenaje de la muestra se realiza a través de las piedras porosas para que se pueda medir el cambio de volumen de agua. Alternativamente, si no se permite el drenaje, se puede medir la presión de poros. Realizando varias pruebas se lograría obtener la envolvente de Mohr para un suelo determinado (Figura No. 4).

Figura No. 4: Círculos de Mohr y envolvente de falla de un ensayo triaxial

El comportamiento esfuerzo–deformación es determinado por la presión de confinamiento, la historia de esfuerzos y otros factores. El ensayo también puede realizarse incrementando los esfuerzos radiales mientras se mantiene constante la fuerza axial. La descripción detallada del procedimiento de ensayo y medición de presión de poros se presenta en los manuales de laboratorio y en lostextos de mecánica de suelos (Bowles, 1986).

Pre-saturación de la muestra

Es muy importante en los ensayos triaxiales y en general en los ensayos de resistencia al cortante, garantizar que la muestra se encuentre saturada durante la totalidad del ensayo. Puede tomar entre 2 horas a un día, el proceso completo de saturación que a su vez, depende del tipo de suelo.

Debe asegurarse que el aire no se acumule entre la muestra y la membrana de caucho. Durante la saturación, se pueden requerir presiones de confinamiento que ayuden en el proceso, pero estas presiones se deben mantener a un nivel bajo para evitar la preconsolidación de la muestra.

Tipos de Ensayo Triaxial

Generalmente, existen cuatro formas de realizar el ensayo Triaxial así:

Ensayo inconfinado no-drenado

La muestra se coloca dentro de la cámara sin la membrana de caucho, para el ensayo triaxial. No se coloca presión de confinamiento pero la muestra debe encontrarse saturada (Figura No. 5). La rata de deformación generalmente se trabaja al 2% de la longitud axial de la muestra por minuto. Este ensayo sólo es posible realizarlo en suelos arcillosos y se obtiene la resistencia al cortante no-drenada inmediata (Su). No es posible realizar el ensayo en arcillas fisuradas o con cohesión muy baja.

Figura No. 5: Ensayo inconfinado no-drenado

Ensayo no consolidado, no-drenado o ensayo rápido

No se permite el drenaje durante la aplicación de la presión de confinamiento y el esfuerzo desviador (Figura No. 6). Este ensayo se utiliza para modelar el caso de un terraplén o una carga colocada rápidamente, sobre un manto de arcilla saturada de muy baja permeabilidad.

Figura No. 6: Ensayo no consolidado - no drenado - o ensayo rápido

El ensayo se realiza a una rata de deformación relativamente rápida. Generalmente, se utiliza una presión de confinamiento igual a la presión geoestática que actúa sobre el suelo en el campo. Se le conoce como ensayo rápido.

Ensayo consolidado no-drenado, con medición de presión de poros

Se permite el drenaje durante la aplicación del esfuerzo de confinamiento colocándolo lentamente, pero se no se permite durante la aplicación del esfuerzo desviador (Figura No. 7).

Figura No. 7: Ensayo consolidado no drenado

Los ensayos no-drenados deben realizarse a una rata que no exceda una deformación unitaria del 2% por hora, con el objeto de lograr una ecualización completa de la presión de poros a través de la muestra.

Las lecturas se toman cada medio porcentaje de deformación o en forma continua. A este ensayo se le conoce como ensayo R.

Se emplea para simular el caso de desembalse rápido de una represa o la colocación rápida de un terraplén sobre un talud. Igualmente, para el análisis sísmico de terraplenes sobre suelos blandos.

Ensayo consolidado drenado

El ensayo se realiza lentamente para permitir el drenaje del agua dentro de la muestra e impedir que se puedan generar presiones de poros (Figura No. 8). Los ensayos drenados generalmente son preferidos para los ensayos rutinarios (Geotechnical Engineering Office, 1979), debido a la facilidad de su ejecución y son los más utilizados para el análisis de laderas y taludes.

Figura No. 8: Ensayo consolidado drenado

La velocidad de ensayo debe ser tal, que las fluctuaciones en la presión de poros sean despreciables y en cualquier caso, que no sean superiores al 5% de la presión efectiva de confinamiento. Este ensayo se le conoce como ensayo S o ensayo lento.

Variables del Ensayo Triaxial

Los resultados obtenidos del ensayo Triaxial dependen del tipo de ensayo y del equipo disponible, los cuales se mencionan a continuación:

• La envolvente de falla con el ángulo de fricción y la cohesión pico.
• La respuesta de presión de poros al corte (ensayo no-drenado).
• La respuesta de cambio de volumen al corte (ensayo drenado).
• Módulos tangente y secante inicial o los correspondientes de descarga y recarga.
• Las características de consolidación.
• La permeabilidad a diferentes presiones de confinamiento.

Tamaño de la muestra

Para ensayar suelos residuales, el diámetro de la muestra no debe ser menor de 76 mm, debido a que los diámetros menores no se consideran representativos para tener en cuenta los efectos de escala, relacionados con las fisuras y juntas en el suelo. Adicionalmente, el diámetro no debe ser menor de 8 veces el tamaño máximo de la partícula. La relación largo – diámetro no debe ser menor de 2 – 1.

Consolidación antes del corte

La muestra es consolidada o no consolidada, de acuerdo con el tipo de ensayo que se realice. En los suelos saturados (arcillas y limos) para una serie de ensayos a la misma profundidad, la resistencia a la compresión para ensayos no consolidados no-drenados, se encontró que es independiente de la presión de la celda, con excepción de las arcillas fisuradas.

Bibliografía

IngenieroCivilInfo (2005). Etapa de compresión en el ensayo triaxial. Obtenido de: http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/03/etapa-de-compresion-en-el-ensayo.html