Se define como trayectoria de esfuerzo a un
diagrama o gráfica trazado en un sistema de coordenadas como resultado del
cambio de esfuerzo en una solicitación. Las trayectorias de esfuerzos, pueden
ser elaboradas de acuerdo al tipo de análisis que se desee realizar, estas
pueden variar significativamente según a las condiciones de drenado o de
consolidación del suelo, dando así un panorama más amplio para observar con más
detalle y claridad el verdadero comportamiento del suelo.
Para el caso de un material elástico
resulta fácil predecir la deformación que origina la acción de una carga en el
proceso de cargado y descargado de esta, ya que sin importar la forma del ciclo
de carga la deformación final será la misma. Por lo tanto no resultaría muy
útil una trayectoria de esfuerzos ya que con el valor final de la deformación y
su estado de carga en ese instante, puede predecirse el comportamiento según al
cambio de esfuerzo. Sin embargo en el caso de los suelos, estos tienen un
comportamiento elastoplástico, lo cual es una dificultad, de modo que la forma
exacta de cargar o descargar puede afectar mucho el resultado final, por lo que
no puede predecirse con facilidad el comportamiento del suelo según al cambio
de esfuerzo. Con un análisis mediante trayectorias de esfuerzo para un
comportamiento elastoplástico, se tendrá un panorama mucho más amplio de los
cambios que sufre el suelo en todo el ciclo de carga de acuerdo a las
condiciones de drenaje y consolidación.
La Figura 6.64 muestra un micromolinete, que es un instrumento de laboratorio similar a la veleta, con la particularidad de ser más pequeño y poseer en su extremo inferior varias aspas similares a las de un ventilador. Con este instrumento puede medirse el parámetro de resistencia al corte no drenado cu tanto en laboratorio como en campo.
La Figura 6.64 muestra un penetrómetro de bolsillo, que es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el esfuerzo de compresión inconfinado qu en laboratorio o en campo. Para lo cual se traza un círculo con su centro en el suelo, entonces se ubica verticalmente el penetrómetro directamente contra el suelo y se realizan disparos alrededor del círculo y en el centro. Los valores registrados del penetrómetro se evalúan mediante una tabla proporcionada por el fabricante, el valor promedio de las lecturas realizadas con el penetrómetro será qu, con el cual puede trazarse la envolvente de falla.
La veleta es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el parámetro de resistencia al corte no drenado cude un suelo, tiene la ventaja de poder ser aplicado directamente en campo lo cual evita el transporte una muestra de suelo. En el caso de suelos compuestos de limo y arcilla en especial los de alta sensibilidad, el efecto de las alteraciones durante el ensayo pueden ser bastante considerables en lo que respecta a la confiabilidad de los resultados medidos en el laboratorio, por lo cual este instrumento proporciona información bastante aproximada.
Figura 6.63. Extremo inferior de la Veleta.
El ensayo con la veleta de corte es ideal para el caso de suelos compuestos de arcillas saturadas sin fisuras y limos saturados. No es tan confiable para suelos fisurados o secuencias de microestratos. Básicamente el extremo inferior de la veleta consiste en cuatro aspas montadas en el extremo de una barra de acero (Figura 6.62). Después de hincar la veleta en el suelo, se hace girar aplicando un par de torsiones en el extremo libre de la varilla. Se gira primero la veleta entre 6 y 12º por minuto para determinar el parámetro de resistencia al corte sin perturbación y a continuación se mide la resistencia remoldeada haciendo girar con rapidez la veleta. La superficie afectada constituye el perímetro y los extremos de un cilindro.
La Figura 6.63a muestra las dimensiones estándar de la veleta con respecto al diámetro que genera. La veleta es instalada en el suelo con ayuda de otro accesorio donde es ensamblada con todos sus accesorios, la Figura 6.63b muestra gráficamente los pasos para el ensamblado de la veleta. El parámetro de resistencia al corte no drenado se obtiene igualando el valor del momento de torsión con el momento de la fuerza cortante, por lo que se tendrá la expresión:
[6.44]
Donde:
cu = Parámetro de resistencia al corte no drenada.
T = Momento torsor de la veleta.
h = Altura de las aspas de la veleta.
D = Diámetro de la circunferencia que genera la veleta al girar.
Figura 6.64. Ensamblado de la veleta en campo (U.S. Navy, 1982).
Para elegir un adecuado ensayo triaxial deben tenerse en cuentas dos detalles:
El tipo de parámetros que se desean obtener.
El tipo de suelo y su origen.
La tabla 6.6, muestra los parámetros que se obtienen en los diferentes tipos de ensayos triaxiales.
Tabla 6.6. Parámetros determinados en los ensayos triaxiales.
El Ensayo triaxial debe tratar de asemejar las condiciones reales que tendrá el suelo en campo, los ensayos UU y CU podrían asemejar bien las condiciones de una arcilla con muy baja permeabilidad, mientras que un ensayo CD a un suelo con una permeabilidad que permite un buen drenaje del agua.
Sin embargo, los ensayos triaxiales pueden combinarse a fin de determinar los parámetros de otros ensayos triaxiales realizados con el mismo suelo. En la Figura 6.61 se ha trazado en trazo lleno la envolvente de falla de un ensayo UU realizado en una arcilla, si se resta la presión de poros a la combinación de esfuerzos principales totales que producen la falla en el triaxial UU, se obtendrá un círculo de esfuerzos desplazado en trazo segmentado que representará la combinación de esfuerzos principales efectivos de falla para el estado drenado del suelo. Si posteriormente se realizara un ensayo CU, CD, de corte directo o de la compresión inconfinada con el mismo suelo se obtendría una envolvente de falla efectiva que sería tangente a aquel círculo en trazo segmentado anteriormente determinado. En el caso de un terraplén o un talud resulta dificultoso medir la variación de la presión de poros a lo largo del tiempo, para poder evaluar la resistencia al corte del suelo, al combinar ensayos puede evaluarse fácilmente la resistencia a corto y largo plazo.
Figura 6.62. Combinación de esfuerzos en la falla en el ensayo de compresión inconfinada.
Figura 6.59. Ensayo de compresión inconfinada (Das, 1997).
En este ensayo no drenado se aplica un esfuerzo axial mediante una prensa a una probeta cubierta de una vaina de látex que impide el drenaje. La probeta no está sometida a una presión isotrópica de confinamiento alrededor de ella, en la Figura 6.58 se muestra el sistema para realizar este ensayo.
La preparación de la probeta (saturación), el montaje del vástago y el anillo de carga es similar al caso de los ensayos triaxiales. Para determinar el parámetro no drenado cu, se recolectan periódicamente valores de los deformímetros que controlan el anillo de carga y la deformación vertical (ΔL) de la probeta. Con el área corregida A (ecuación [6.37]) de la probeta puede determinarse el esfuerzo desviador (ecuación [6.37]) que actúa en la probeta, entonces se grafica la variación de la deformación vertical respecto al esfuerzo desviador, como se muestra en la Figura 6.52.
Figura 6.60. Deformación vertical respecto al esfuerzo axial en la compresión inconfinada.
La curva mostrada en la Figura 6.59 presentará un valor pico o crítico dependiendo al Tipo de suelo, donde en cualquiera de estos puede considerarse el instante de la falla. A este valor en el momento de la falla se lo denomina esfuerzo de compresión inconfinada qu, que será el esfuerzo principal mayor de falla σ1, mientras que el esfuerzo principal menor de falla será cero ya que la probeta no esta sometida a un esfuerzo de confinamiento. En la Figura 6.60 se dibuja esta combinación de esfuerzos.
Figura 6.61. Combinación de esfuerzos en la falla en el ensayo de compresión inconfinada.
Según a la Figura 6.60, el parámetro de resistencia no drenado se obtiene de la ecuación:
Se realizan varios ensayos (como mínimo 3) para adoptar un valor promedio de qu. La Tabla 6.5 muestra que basándose en el valor de qu puede estimarse la consistencia del suelo.
Tabla 6.5. Consistencia de la arcilla (Das, 1997).
A este ensayo se lo conoce también como ensayo lento (S). El drenaje se permite en las dos últimas etapas, de este modo se tiene una consolidación bajo la presión de cámara y el exceso de presión de poro se disipa durante la aplicación lenta del esfuerzo desviador. En la primera etapa se satura la muestra completamente de agua, en la segunda esta es consolidada bajo una presión isotrópica de cámara y en la tercera etapa se aplica una carga axial, que va incrementándose a un ritmo suficientemente lento para que no se presente un incremento en la presión de poros. Con un drenado total y una velocidad adecuada, se asegura que la presión de poros en la muestra permanezca constante, entonces el incremento en el esfuerzo efectivo es igual al incremento del esfuerzo total (Δσ’ = Δσ). Se utiliza la válvula C para vigilar la presión de poros, con la válvula A y las lecturas de los deformímetro que controlan la carga y la deformación vertical se mide el cambio de volumen de la probeta. El objetivo del ensayo es determinar los parámetros de resistencia efectivos c' y Φ' del suelo.
Para determinar los esfuerzos principales y dibujar el círculo de esfuerzo de Mohr se procede de la misma manera que para el caso del ensayo UU, entonces se grafica la variación de la deformación vertical respecto al esfuerzo desviador mostrada en la Figura 6.56.
Figura 6.57. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial CD.
Obteniendo de la curva mostrada en la Figura 6.56 el esfuerzo desviador de falla (σd)f que puede ser el valor pico o crítico, se determina el esfuerzo principal mayor con la expresión:
(σ'1)f = (σ'3)f + (σd)f [6.42]
El esfuerzo principal menor efectivo de falla (σ'3)f, será el esfuerzo isotrópico aplicado en la cámara para la consolidación de la probeta. Para trazar la envolvente de falla y determinar los parámetros de resistencia efectivos, se deben trazar tres círculos (Figura 6.57).
Figura 6.58. Envolvente de falla para un suelo Tipo I en un ensayo triaxial CD.
Este ensayo también denominado ensayo consolidado rápido (R), consta de tres etapas (saturación, consolidación y compresión). Primeramente la probeta es saturada completamente de agua, luego incrementando la presión de cámara es consolidada, esta etapa lleva al suelo a un estado prescrito de volumen y de presión de poros, a partir del cual se pueden medir con exactitud los siguientes cambios de volumen o de presión de poros que ocurrirán durante el ensayo. Finalmente cuando se ha disipado el exceso de presión de poros al valor de la contrapresión original σ3 se cierran las válvulas de drenaje para empezar la compresión, donde la probeta llegará al punto cedente sin drenado. Cuanto mayor sea la presión de cámara s3 mayor será el esfuerzo desviador necesario para producir la falla.
La duración de la etapa de consolidación depende al tipo de suelo y al tamaño de la probeta, en algunos casos esta etapa puede durar hasta 48 horas; mientras que la etapa de compresión puede durar de 10 minutos hasta 2 horas.
El objetivo del ensayo es determinar los parámetros efectivos c' y Φ', ya que estos gobiernan la resistencia al corte del suelo y determinar también algunas características respecto al cambio de volumen y rigidez del suelo. Para dibujar el círculo de esfuerzos de Mohr que condicionará la envolvente de falla (Figura 6.55) deben determinarse los esfuerzos principales σ1 y σ3, para lo cual se recolectan periódicamente los valores de los deformímetros que controlan el anillo de carga y la deformación vertical (DL) de la probeta durante la compresión y también la presión poros en la probeta.
Con el área corregida A (ecuación [6.37]) de la probeta puede determinarse el esfuerzo desviador (ecuación [6.37]) que actúa en la probeta. Midiendo el exceso de presión de poros Δu durante la etapa de compresión, se puede determinar el parámetro A de Skempton que será:
Se grafica el esfuerzo desviador sd en función a la deformación vertical e, también el exceso de presión de poros y el parámetro A de Skempton, como se muestra en la Figura 6.54. La curva que corresponde al esfuerzo desviador de falla (σd)f tendrá un valor pico o crítico según al Tipo de suelo donde alguno de estos se considerará el instante de falla, para este instante de falla se tendrá un valor del exceso de presión de poros y del coeficiente A.
Figura 6.55. Deformación vertical en función a sd, Du y A en un triaxial CU en suelo Tipo II.
Figura 6.56. Envolvente de falla para un suelo Tipo II en un ensayo triaxial CU.
La presión que se aplicó en la celda para consolidación será el esfuerzo principal menor σ3, por lo cual el esfuerzo efectivo principal menor y mayor en la falla será:
Teniendo los esfuerzos principales puede entonces graficarse el círculo de esfuerzo de Mohr, se realizan como mínimo tres ensayos para trazar una adecuada envolvente de falla. Con el parámetro puede describirse características particulares del suelo, los rangos de variación de este parámetro para los diversos suelos se presentan en la tabla 6.5.
Tabla 6.4. Rango de valores de A en la falla para diversos suelos.
En este ensayos la resistencia al corte permanece prácticamente constante para un intervalo grande de los valores de presión de menores que la presión de sobreconsolidación. Las arcillas NC muestran una resistencia adicional con respecto a la obtenida, esta es atribuible a los mismos efectos de sobreconsolidación, estos efectos son comparativamente mayores a los del ensayo drenado debido a que se impide el drenaje. En los casos de obras que están sobre depósitos de arcilla en las cuales el tiempo de construcción se extiende por tiempo razonablemente largo, puede suponerse que al final de la construcción se habrá producido algún grado de consolidación. Si en ese momento las solicitaciones de corte que se generan tienen magnitud suficiente para producir la falla, ésta se producirá rápidamente sin drenaje adicional. Este comportamiento se modela en el ensayo consolidado no drenado, en el cual la muestra se consolida bajo la presión de cámara y luego se lleva a la ruptura aumentando el esfuerzo desviador sin permitir el drenaje. Este ensayo es aplicado en muestras alteradas e inalteradas de arcilla y también en arena y grava.
Si se permitiera el drenaje, una muestra de arena suelta experimentaría una disminución de volumen, pero como el drenaje está impedido no puede ocurrir cambio de volumen y la presión de poros aumenta. Para el caso de arenas densas el drenaje implicaría un aumento de volumen luego de una pequeña compresión inicial, pero como no se permite el drenaje el aumento de volumen es imposible y se desarrolla una presión de poros negativa.
A este ensayo se lo denomina también ensayo rápido (Q) donde no se permite en ningún momento el drenaje. La probeta no es consolidada, por lo tanto no se disipa la presión de poros durante la aplicación de la presión isotrópica de cámara s3 en la etapa de saturación.
Después de establecer la presión de confinamiento en la cámara, se conecta la prensa para aplicar la carga axial, se deben tomar lecturas de los deformímetros de deformación y de carga a intervalos regulares, de este último hasta que se produzca la falla o hasta que la deformación alcance un valor considerable (aproximadamente 20%). El incremento del esfuerzo desviador es bastante rápido, lo que permite que no se disipe la presión de poros y los resultados puedan solo expresarse en términos de esfuerzo total. La duración del ensayo es de 10 a 15 minutos.
Este ensayo se usa para determinar el parámetro de resistencia no drenado cu y es adecuado para arcillas saturadas. En condiciones no drenadas, los suelos saturados presentan un esfuerzo de corte crítico que tiende a mantenerse constante para cualquier valor del esfuerzo normal. Un aumento en el esfuerzo axial ocasiona un aumento semejante en la presión de poros, por lo tanto el esfuerzo efectivo normal permanece constante. En una serie de ensayos no drenados efectuados bajo esfuerzos desviadores diferentes en probetas saturadas con el mismo suelo, los círculos de esfuerzos de Mohr para la combinación de esfuerzos de falla describirán la envolvente de falla no drenada como se muestra en la Figura 6.53. La intersección de la envolvente con el eje de corte define el valor de la cohesión no drenada del suelo (cu). Este parámetro de resistencia del suelo aparentemente es constante. Sin embargo, se deben notar dos condiciones importantes relacionadas con cualquier valor observado de cu. Primero el valor es relevante sólo para una masa de suelo sin drenado y segundo que el valor solo corresponde para un determinado contenido de humedad y volumen específico, por lo que se obtendrá un valor distinto para un diferente contenido de humedad y volumen específico.
Figura 6.53. Envolvente de falla no drenado resultante del triaxial UU.
Para poder dibujar el círculo de Mohr de esfuerzos es indispensable determinar los esfuerzos principales s1 y s3. Durante el ensayo triaxial (UU), se recolectan periódicamente valores de los deformímetros que controlan el anillo de carga y la deformación de la probeta (DL). La deformación vertical e, es calculada con la siguiente expresión:
Donde:
e = Deformación vertical del espécimen de suelo.
ΔL = Deformación del espécimen registrado por el deformímetro.
L0 = Longitud inicial del espécimen de suelo.
La carga P que transmite el vástago a la probeta de suelo es el producto de la medida que registra el deformímetro ubicado en el anillo de carga multiplicado por el factor de calibración del anillo, es decir:
P = (Lectura del deformímetro)·(Factor de calibración del anillo).
Durante la comprensión el área transversal del espécimen de suelo cambia por lo cual debe ser corregida, se utiliza la siguiente expresión:
Donde:
A = Área transversal corregida.
e = Deformación vertical del espécimen de suelo.
A0 = Área transversal inicial del espécimen de suelo
Figura 6.54. Deformación vertical en función al esfuerzo desviador en un ensayo triaxial UU.
El esfuerzo desviador sd, que actúa en el espécimen de suelo, será:
La Figura 6.54 muestra la variación de la deformación vertical e en función al esfuerzo desviador, según al Tipo de suelo la curva presentará un valor del esfuerzo desviador de falla (σd)f que será el valor pico (σd)p o el crítico (σd)cr según al caso, donde cualquiera de estos podrá tomarse como el instante de falla. Según la ecuación [6.28] el esfuerzo principal mayor σ1, será:
El esfuerzo principal menor en la falla (s3)f, es la presión de registrada en la cámara triaxial al momento de la falla. Teniendo los esfuerzos principales se grafica el círculo de Mohr de esfuerzos. Aunque basta con obtener un círculo de esfuerzo, es conveniente realizar diversos ensayos (como mínimo 3) para trazar la envolvente de falla con la cual puede determinarse el parámetro de resistencia no drenado.
La falla de una probeta en el ensayo triaxial puede presentar varias formas, la Figura 6.52 muestra tres formas típicas de falla.
Figura 6.52. Tipos de falla en ensayos triaxiales (Whitlow, 1994).
(a) Falla frágil (corte). (b) Falla parcial al corte. (c) Falla de flexibilidad plástica o en barril.
A medida que se acorta verticalmente la probeta bajo la carga axial el diámetro irá incrementándose. En suelos densos o muy sobreconsolidados el espécimen se cortará claramente a lo largo de una superficie de deslizamiento bien definida, al alcanzar el esfuerzo máximo la probeta fallará de la forma que muestra la Figura 6.52a, a este tipo de fallas se la llama falla frágil o de deslizamiento por cortante puro. En un suelo ligeramente sobreconsolidado en general el corte será menos definido como muestra la Figura 6.52b y en suelos sueltos o normalmente consolidados se presentará flexibilidad plástica sin el desarrollo de una superficie de deslizamiento, produciendo una forma abarrilada como se muestra en la Figura 6.52c. En el último de los casos puede no discernirse un valor definido último del esfuerzo desviador por lo que puede ser difícil identificar el momento de la falla; por lo tanto se puede tomar un valor arbitrario de falla que corresponda a una deformación unitaria axial de 20% donde generalmente se produce la falla.
La cámara triaxial es colocada en la plataforma de un sistema de compresión (prensa), mostrado en la Figura 6.44, donde el esfuerzo axial de compresión aplicado a la probeta es transmitido mediante un vástago añadido a la cámara. El vástago se adhiere a un anillo de carga, este anillo esta ajustado a dos soportes metálicos de tal manera que la plataforma del sistema de compresión puede subir o bajar según la conveniencia.
Se verifica que la probeta quede bien ubicada y en forma vertical, para asegurar un correcto funcionamientodel vástago de carga, de esa manera los esfuerzos inducidos por el vástago sean los que actúen en los planos principales de la probeta y no se generen esfuerzos de corte en sus caras. Se conecta la línea de presión A de la cámara al tanque regulador con su válvula de salida cerrada (Figura 6.43). Entonces se ajusta la presión de confinamiento al valor que se quiere tener en la cámara abriendo la válvula del tanque regulador.
La etapa de compresión comienza cuando es aplicado un esfuerzo desviador sd a una velocidad constante, la Figura 6.45 muestra que durante la compresión la carga que actúa en la probeta puede ser obtenida de la lectura de un deformímetro ubicado en el anillo de carga, mientras que la deformación de la probeta es medida con otro deformímetro ubicado sobre la cubierta metálica superior.
Dependiendo al tipo del ensayo triaxial puede permitirse o restringir el drenaje del agua de la probeta durante la compresión mediante la válvula B. Las conexiones para el drenaje de la probeta pueden ser instaladas a una bureta o un instrumento que mida la presión de poros. También debe medirse el cambio de volumen de la probeta durante la compresión, con los datos obtenidos del registro del nivel inicial del agua en la bureta y los niveles correspondientes a cada lectura de los deformímetros de carga y de deformación, la Figura 6.50 muestra la conFiguración del banco triaxial para medir el cambio de volumen y la presión de poros.
Figura 6.50. ConFiguración del banco triaxial para medir el cambio de volumen.
La Figura 6.51 muestra la variación de la presión de poros en la probeta durante la etapa de compresión.
Figura 6.51. 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 valor de u0 representa la presión de poros que se origina cuando el espécimen esta siendo sometido a una presión de confinamiento donde el agua no puede drenar, mientras que uf es la presión de poros de la probeta en el instante de la falla.
El fluido (aire y agua) que llena los poros del suelo es capaz de trasmitir tensiones normales pero no tangenciales o de corte, por lo que la presión de poros no proporciona resistencia al corte (por esto es llamada también presión neutra). La presión que controla la deformación debido a los cambios de volumen así como la resistencia al corte del suelo es la presión efectiva, puesto que el esfuerzo normal y tangencial se trasmiten a través del contacto intergranular (por esto es llamada también presión intergranular).
La aplicación de la presión isotrópica y el esfuerzo desviante (Figura 6.51a) constituyen dos etapas diferentes del ensayo. La posibilidad de variar las características de estas etapas y sus condiciones de drenaje permiten desarrollar distintos tipos de ensayos triaxiales. Si una muestra de arcilla está saturada, al realizar el ensayo triaxial impidiendo el drenaje cualquier aumento en la presión de confinamiento en la cámara resulta en un aumento igual en la presión de poros (Figura 6.51b), mientras que la presión efectiva permanece invariable.
Por consiguiente, si se ensayan varias probetas idénticas con diferentes presiones de confinamiento, todas ellas fallarán bajo el mismo esfuerzo desviador. Sin embargo, en el momento de la falla todas estas tendrán un valor distinto de la presión de poros.
Dependiendo el tipo de ensayo triaxial la probeta saturada de agua es consolidada antes de inicializar la compresión. Sin embargo, antes de iniciar la consolidación es necesario generar un incremento de presión de poros a través del incremento de la presión de celda Ds3, para lograr esto se debe cerrar la válvula B y con la válvula A y C abiertas se incrementa la presión de la celda a un valor predefinido. Este incremento es diferente para cada celda pudiendo utilizarse incrementos de 100, 200 y 400 kPa. Durante todo el proceso, la válvula B se mantendrá cerrada evitando la salida del agua presente en la probeta, como resultado la presión de poros se incrementará.
Para consolidar la probeta (disipar el exceso de presión de poros) se abre la válvula B por lo que el agua fluirá debido al exceso de presión de poros, entonces se registra el volumen de agua expulsada a intervalos de tiempo de 0.10, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60,…, 840 y 1440 minutos o hasta que el exceso de presión de poros añadido últimamente se disipe por completo.
Al final de la consolidación el exceso de presión de poros en la probeta será Du = 0, pero se mantendrá la presión de poros final de la etapa de saturación. Sin embargo, la presión en la cámara se mantendrá constante en el valor recientemente incrementado.
Las probetas utilizadas en el ensayo triaxial deben estar completamente saturadas. Para esto, lo primero que se hace es llenar la cámara completamente de agua (manteniendo el orificio de ventilación abierto) la cual someterá a la probeta a un esfuerzo simétrico de confinamiento σ3, entonces de acuerdo al diagrama de la Figura 6.49 se conecta la línea de base A al extremo inferior de la bureta graduada y el otro extremo de la bureta se conecta al tanque regulador de presión de aire. Con las válvulas A, C abiertas y B cerrada, se aplica aire al circuito de la bureta de esa forma se introduce presión a la cámara (e.g. Δσ3 = 20 kPa), luego se abre la válvula B para introducir una contrapresión a la probeta que permite el ingreso de agua.
Figura 6.49. ConFiguración del banco triaxial para las etapas 1 y 2.
Se repite el procedimiento añadiendo una cantidad de presión Ds3 a la cámara y también una contrapresión a la probeta por etapas hasta saturar completamente la probeta, ambas presiones por lo general difieren en 10 kPa. La presión de poros en la probeta es registrada en cada escalón con un transductor de presión, manómetro o bureta conectada a la válvula C. Cuando aumenta la presión de poros el nivel de mercurio del indicador de volumen nulo pierde el equilibrio, para reestablecerlo es necesario aumentar o disminuir la presión mediante la bomba manual y de ésta manera el valor en la presión de poros queda registrado en el instrumento utilizado. Se considerará la probeta completamente saturada, cuando el valor determinado del coeficiente B para cada incremento de la contrapresión se repita más de dos veces o sea muy cercano a la unidad (e.g. 0.98).
Estos coeficientes fueron propuestos por Skempton (1954), discutidos por Henkel (1960) y Wade (1966). Con estos coeficientes se examina la variación de la presión de poros debido a la presión de confinamiento (σ3) y debido a la compresión (σ1) en la probeta.
Para el análisis es conveniente considerar la variación de la presión de poros total (Δu1) como si estuviera constituido por dos componentes: un esfuerzo isotrópico (Etapa 2) y un esfuerzo uniaxial (Etapa 3), como se muestra en el elemento de suelo de la Figura 6.46.
σ1 = σd + σ3
Por lo que el esfuerzo desviador puede escribirse como:
σd = σ1 – σ3 = Δσ1 – Δσ3[6.28]
Skempton (1954), propuso que la variación de la presión de poros a lo largo de todo el ensayo sería:
Los coeficientes A y B pueden analizarse teóricamente en las etapas 1, 2 y 3.
Etapa 1 y 2: El coeficiente B se define como la relación que existe entre el aumento de presión de poros Δu3y el aumento del esfuerzo isotrópico de confinamiento Δs3, que será:
Donde Δu3 es la variación de la presión de poros debido a la presión de confinamiento.
Al aplicar Δσ3, el esfuerzo efectivo comunicado a la estructura del suelo Δσ'3 será:
Si Cerepresenta la compresibilidad de la estructura de suelo, es decir la deformación volumétrica unitaria por unidad de presión actuante, entonces el cambio de volumen de la estructura de suelo puede expresarse como:
Donde Vmes el volumen de la muestra de suelo.
Por otra parte, si Cfes la compresibilidad del fluido aire-agua y n es la porosidad del suelo, el cambio de volumen del suelo será:
Tanto la masa de suelo como el fluido que ocupa los vacíos entre partículas del suelo se comprimen simultáneamente, entonces puede igualarse miembro a miembro el cambio de volumen del suelo y del fluido agua-aire (ΔVm = ΔVm), por lo que se tendrá que:
Por lo cual se escribe:
En un suelo totalmente saturado Cfes mucho menor que Ce debido a que el agua es prácticamente incompresible, por lo que B debe resultar igual a 1. En un suelo completamente seco Cfes mucho mayor que Ce pues el aire es mucho más compresible que la estructura del suelo, por lo que B debe resultar muy cercano a cero.
Etapa 3: En esta etapa el incremento de los esfuerzos efectivos debido al esfuerzo uniaxial en la etapa de compresión será:
El valor de A en el momento de la falla al corte se lo denomina Af. Para un suelo dado, el coeficiente A varía principalmente con la historia de las presiones actuantes en el suelo (suelos sobreconsolidados o normalmente consolidados) y con el porcentaje de presión aplicada respecto a la falla.
En la Figura 6.47 se observa la variación del coeficiente A en función a la deformación unitaria para el caso de las arcillas normalmente consolidadas en la parte derecha y las arcillas sobreconsolidadas en la parte de la izquierda. El valor de Afdepende principalmente del índice de sobreconsolidación (OCR). Una arcilla normalmente consolidada es contractiva y adquiriere un valor positivo de Af, mientras que una arcilla sobreconsolidada es contractiva y luego dilatante adoptando un valor negativo de Af. Bishop (1960) encontró para una arcilla determinada una curva que puede relacionar este valorcon el índice de sobreconsolidación, que se muestra en la Figura 6.48.
Figura 6.47. Influencia de la historia del suelo en la presión de poros (Bishop, 1960).
Figura 6.48. Variación de Af según OCR (Bishop, 1960).
La Tabla 6.3 muestra intervalos del valor de Af para distintos suelos.
Tabla 6.3.Valores de coeficiente Af. (Skempton, 1964)
Cuanto más suelto sea el suelo o mayor sea el índice de vacíos el valor de Af será elevado, en cambio cuanto más denso o menor sea el índice de vacíos el valor de Aff será pequeño debido a la dilatancia.
Los ensayos triaxiales son los más confiables y utilizados para determinar las características de tensión-deformación y los parámetros de resistencia al corte del suelo. Estos son ensayos donde se pueden variar las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales (triaxial) sobre una muestra de suelo y así crear condiciones que se asemejen a las reales en campo.
Figura 6.42. Fotografía del sistema triaxial completo
Figura 6.43. Esquema del banco triaxial completo.
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. La Figura 6.42 muestra una fotografía del sistema triaxial y en la Figura 6.43 se muestra un esquema del banco triaxial.
La etapa de compresión se lleva a cabo en una prensa mostrada en la Figura 6.44 que aplica 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.
Mediante un mecanismo compuesto de un suspensor estático de pesas y una palanca se aplica la fuerza vertical F, luego se extraen los tornillos que mantienen unidas las dos mitades de la caja de corte, entonces la muestra de suelo es sometida al corte mediante la acción de una fuerza horizontal S aplicada a una velocidad constante, como se muestra en la Figura 6.38.
En el sistema están instalados tres deformímetros, dos de estos miden el desplazamiento horizontal y vertical de la muestra de suelo y el tercero mide la deformación del anillo de carga durante el ensayo.
Figura 6.38. Caja de corte (Das, 1997).
El esfuerzo normal efectivo σ ' que actúa y el esfuerzo cortante que actúa en el plano de falla desarrollado en la muestra de suelo será:
y
Donde:
s' = Esfuerzo normal efectivo.
F = Fuerza vertical aplicada por el sistema de pesas sobre la muestra.
A = Área del muestreador.
t = Esfuerzo cortante que actúa en el plano de falla.
S = Fuerza de corte aplicada por el aparato a la muestra.
La Figura 6.39 muestra la variación del esfuerzo de corte respecto al desplazamiento horizontal, mientras que en la Figura 6.40 se muestra la variación del desplazamiento vertical respecto al desplazamiento horizontal durante el ensayo.
Dependiendo del tipo de suelo se presentará un valor del esfuerzo de corte pico y crítico, donde cualquiera de estos valores puede considerarse como el instante de falla del suelo. Se obtienen tres o más valores del esfuerzo de corte haciendo variar en cada ensayo la fuerza vertical F, entonces puede graficarse la envolvente de falla correspondiente en el sistema t-σ que se muestra en la Figura 6.41.
El tener un plano fijo de corte puede ser una ventaja para determinar la resistencia al corte a lo largo de planos débiles reconocidos en un perfil de suelo o planos originados por la interfase entre suelos. En este ensayo es posible mantener un esfuerzo normal constante en todo momento lo cual hace más fácil ensayar en suelos compuestos de grava y arena. La ventaja del ensayo del corte directo es la rapidez del ensayo y la facilidad que tiene este de medir el cambio de volumen a lo largo del ensayo.
Figura 6.39. Variación del esfuerzo de corte respecto al desplazamiento horizontal.
Figura 6.40. Variación del desplazamiento vertical de corte respecto al horizontal.
