Ensayo triaxial: metodología y procedimientos

Introducción ensayo triaxial

El ensayo de compresión triaxial tiene como finalidad determinar el máximo esfuerzo cortante que sufre una masa de suelo al ser sometida a cargas axiales.

Permite reproducir las condiciones del terreno, aplicando sobre las muestras presiones de compresión y de confinamiento. También es posible calcular la presión de los poros. Por estas razones, este tipo de prueba es muy importante para la ingeniería, indicando la resistencia que tiene el suelo frente a una carga. Este ensayo está regido por las normas UNE-EN ISO 17892-8:2019 y UNE-EN ISO 17892-9:2019 o 17ASTM D-4767 y ASTM D-2850.

Es muy empleado para el cálculo de todo tipo de contenciones del terreno y cimentaciones ya sean superficiales o profundas.

El aparato de compresión triaxial intenta copiar las tensiones originales ejercidas sobre el suelo. Para esto, se utiliza la presión hidrostática por medio del agua con que se rellena la cámara donde se encuentra la muestra. A esta presión se la denomina presión externa (σ₃). También se aplica una presión vertical (σ₁) por medio de un pistón ajustado de forma cuidadosa. Ambas presiones se las denomina presiones totales. Estas pruebas son realizadas en varias probetas aplicando distintas cargas.

El valor que se obtiene de la diferencia de las dos presiones se la denomina tensión desviadora y corresponde al diámetro del círculo de Mohr. En un gráfico tensión tangencial versus tensión normal se ubican σ₁ y σ₃ de cada prueba en las abscisas y, a partir de esto, se pueden diagramar los respectivos círculos de Mohr. Estos van a tener una recta tangente en común conocida como recta de Coulomb o envolvente de Mohr que responde a la fórmula:

τ= c +σtanφ

Dónde:

τ es la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo,

c es la cohesión del material,

σ es la tensión normal al plano de rotura,

φ es el ángulo de rozamiento interno.

A su vez, al restarle la presión intersticial a las presiones totales obtenemos las presiones efectivas σ₁’ y σ₃’. Cuando utilizamos estos nuevos valores para realizar los cálculos se obtienen la cohesión efectiva (c’) y el ángulo de rozamiento efectivo (φ’).

En el gráfico anterior puede verse la tensión tangencial (τ) versus tensión normal (σ) donde se aprecian varios círculos de Mohr generados por las diferentes presiones totales. También se puede identificar la recta tangencial en común que tienen estos círculos. 

Metodología ensayo triaxial

Instrumentos y materiales

El principal aparato que es necesario para efectuar este ensayo es el equipo triaxial, el cual se compone de los siguientes elementos:

• Sistema de presión: sirve para que la presión que se aplica sea estable y permanente a la célula axial.
• Frasco de agua desaireada: este tipo de agua es no comprensible y sin aire disuelto.
• Prensa de ensayo: debe poder mantener constante la velocidad de deformación, tener un mecanismo que nos indique el desplazamiento de la probeta respecto al sistema de carga y un aparato que nos permita saber las presiones intersticiales de la probeta.

Preparación de la muestra

Probetas inalteradas: a los efectos de que los resultados obtenidos sean representativos, las muestras deben tener las siguientes características:

• Diámetro de 38 mm.
• Altura de 76 mm.
• Se deben poder sacar cuatro probetas.
• La muestra puede ser cúbica de 30 x 30 x 30 cm o un testigo de sondeo de 85 cm de diámetro.
• El proceso de tallado se debe realizar en una cámara con humedad relativa entre 90 y 95%.
• Se deben registrar diámetro, altura y peso del cilindro.
• Las muestras se enfundan en membranas de látex y se las sella con discos de PVC para evitar pérdidas de humedad.

Procedimiento ensayo triaxial

La máquina ensayo triaxial es uno de los más confiables para determinar los parámetros de la resistencia al corte, pero también es uno de los más complejos, por lo que se resumirá el procedimiento para su realización.

Como se mencionó previamente, la muestra es una probeta cilíndrica revestida con una membrana de látex y con discos porosos en la parte superior e inferior. Estos discos tienen conexión con el sistema de drenaje para drenar o saturar la muestra.

Básicamente, este ensayo consiste en aplicar una carga vertical creciente a una probeta que se encuentra confinada en un medio con agua, la cual ejerce una presión hidráulica constante. La carga vertical debe crecer a una velocidad constante hasta producir la rotura de la probeta.

A lo largo del proceso se miden las deformaciones que se generaron en la probeta, registrándose los valores de las cargas correspondientes, y así se obtienen los datos necesarios para la realización del gráfico tensiones versus deformaciones. Además, se dibuja un esquema de la forma de rotura de la probeta.

Debido a la versatilidad del ensayo, se pueden realizar distintas variaciones del mismo dependiendo del parámetro que se quiera analizar. Según la forma de llevarlo a cabo hay diversos tipos de pruebas. Las más importantes son:

• No consolidado – no drenado: consiste en un ensayo rápido, donde no se permite el drenaje del espécimen ni su consolidación durante todo el desarrollo del mismo.

Inicialmente la muestra es sometida a una presión hidrostática y, de forma inmediata, se aplica una presión axial tal que se produce el fallamiento el suelo. No se pueden conocer de forma fehaciente los esfuerzos efectivos.

Esta prueba suele utilizarse para conocer la resistencia en suelos cohesivos saturados, obteniendo como resultado los esfuerzos totales.

• Consolidado – no drenado: se deja consolidar la muestra totalmente, sin permitir el drenaje.

La consolidación de la muestra se lleva a cabo bajo presión hidrostática para que el esfuerzo que actúe sobre la fase sólida del suelo sea el efectivo. El incremento de la carga axial es rápido y la muestra es llevada a la falla, sin generar cambio de volumen ni consolidación adicional durante este período.

Esta prueba es efectuada de forma neutra o con medición de la presión de los poros, con la finalidad de determinar la cohesión y el ángulo de rozamiento interno para esfuerzos efectivos y totales.

• Consolidado – drenado: Es una prueba lenta donde se permite el drenaje libre durante todo el transcurso del ensayo, logrando la consolidación completa del suelo bajo los distintos estados de carga a que se le somete. Se utiliza principalmente en suelos granulares.

En primer lugar, se aplica al suelo una presión hidrostática hasta que se complete la consolidación. Al restablecerse el equilibrio estático interno, las fuerzas exteriores van a ser esfuerzos efectivos que estarán actuando sobre la fase sólida del suelo, siempre que los esfuerzos neutrales del agua correspondan a la condición hidrostática.

Luego, se aplica la carga axial en pequeños incrementos que llevan a la muestra a la falla. Cada carga axial se debe mantener el tiempo necesario para que la presión en el agua sea cero.