COMPACTACION: Prueba o ensayo Proctor Modificado.

Debido al rápido desarrollo en los equipos de compactación de campo, la energía de compactación en la prueba Proctor estándar empezó a no lograr representar en forma adecuada las compactaciones mayores que podían lograrse con dicho nuevo equipo. Esto condujo a una modificación en la prueba, aumentando la energía de compactación, de modo que conservando el número de golpes por capa se elevo el número de capas de 3 a 5, aumentando al mismo tiempo el peso del pison y la altura de caída del mismo, siendo el molde es el mismo que el de la prueba estándar. Esta nueva versión revisada se la llama normalmente como la prueba Proctor modificado (ASTM D-1557 y AASHTO T-180). A continuación se describirán todas sus especificaciones y procedimiento de compactación.

La prueba Proctor modificado es la más utilizada para la compactación en laboratorio, teniendo tres variantes en el método, que varían en función del porcentaje de tamaño de partículas presentes en la muestra de suelo. Debido a esto es que se explicara en forma más detallada el procedimiento de compactación, además de todas sus especificaciones basándose en la ASTM D1557-00.

La prueba Proctor modificado al igual que la Proctor estándar se utiliza para determinar el peso específico seco máximo y el contenido de humedad óptimo. Este ensayo se aplica solamente a suelos con menos del 30 % en peso de partículas retenidas en el tamiz de 19 mm.

Para conducir la prueba Proctor modificado, se utiliza el mismo molde con un volumen  de 943.3 cm³ (1/30 pie³) como en el caso de la prueba Proctor estándar. Sin embargo, el suelo es compactado en cinco capas por un pisón que pesa 4.54 ± 0.01 kg, la caída del pisón es 457.2 ± 1.6 mm, la cara de golpe del pisón tiene un diámetro de 50.8 ± 0.25 mm. El pisón debe ser reemplazado cuando el diámetro de la cara de golpe es desgastado o expandido en 12 mm. El número de golpes del pisón para cada capa se conserva en 25 como en  el caso de la prueba Proctor estándar. El pisón debe estar equipado con un tubo que le permita desplazarse en la caída con facilidad, el tubo debe tener al menos cuatro agujeros en cada extremo espaciados 90º entre si, el diámetro mínimo de estos agujeros es de 9.5 mm Figura 7.8.

Figura 7.8. Equipo de compactación en laboratorio.

Debido a que aumenta la energía de compactación, los resultados de la prueba Proctor modificado aumentan en el peso específico seco máximo del suelo. El aumento en el peso específico seco máximo es acompañado por una disminución del contenido de humedad óptimo.

Las tres variantes en el método de compactación Proctor modificado, varían en algunas especificaciones que se resumen en la Tabla 7.1. El método de compactación se elige en función del porcentaje de tamaño de partículas presentes en la muestra de suelo. Para la selección del método de compactación el suelo debe ser tamizado a través de los tamices ¾ plg, 3/8 plg y Nº4.

Tabla 7.1. Especificaciones técnicas para la prueba de compactación Proctor según las especificaciones ASTM. 

Método A utiliza como material de compactación el suelo que pasa por el tamiz Nº 4. Es aplicado a suelos con un porcentaje menor al 20 % de material retenido en el tamiz Nº 4.

Método B utiliza como material de compactación el suelo que pasa por el tamiz 3/8 plg. Es aplicado a muestras de suelo con un valor mayor al 20 % de material retenido en el tamiz Nº 4 y con un valor menor al 20 % de material retenido en el tamiz 3/8 plg.

Método C utiliza como material de compactación el suelo que pasa por el tamiz 3/4 plg. Es aplicado a muestras de suelo con un valor mayor al 20 % de material retenido en el tamiz 3/8 plg y con un valor menor al 30 % del material retenido en el tamiz 3/4 plg.

Figura 5.9. Curvas de compactación para los ensayos Proctor estándar y modificado. (Holtz & Kovacs, 1981)

COMPACTACIÓN: Prueba Proctor Estándar.

Esta prueba de compactación Proctor estándar, esta elaborada en base a ASTM D-698 (ASTM, 1982) y AASHTO T-99 (AASHTO, 1982). 

En esta prueba el suelo es compactado en un molde que tenga un volumen de 943.3 cm³ (1/30 ft³). El diámetro del molde es de 101.6 mm (4 plg) y 116.43 mm (4.584 plg) de altura, provisto de una extensión desmontable de igual diámetro y 50 mm (2 in) de altura. 

 Figura 7.6. Equipo para la prueba Proctor estándar (a) molde, (b) pison, (Das, 1998).

Figura 7.7. Compactación de un suelo, usando el pisón Proctor estándar (Das, 1998).

Durante la prueba de laboratorio, el molde puede fijarse a una base metálica con tornillos de mariposa (Figura 7.6a). El suelo se mezcla con cantidades de agua que varían y después es compactado (Figura 7.7) en tres capas iguales por un pisón (Figura 7.6b) que aplica 25 golpes a cada capa. El pisón pesa 2.5 kg (5.5 lb) y tiene una caída de 304.8 mm (12 plg).

La curva de compactación para esta prueba se la halla de la misma manera a la explicada en el punto 7.2.1. Para esta prueba el volumen del molde, V, es de 943.3 cm³.

Compactación en Laboratorio.

Los ensayos de compactación en campo son generalmente demasiado lentos y costos como para poder repetirlos varias veces, cada vez que se desee estudiar cualquiera de sus detalles, debido a esto es que los ensayos de compactación se realizan principalmente en laboratorio. 

El propósito de la compactación en laboratorio es al igual que en la compactación en campo determinar el peso específico o densidad seca máxima para un contenido de humedad óptimo, esto se realiza mediante pruebas que consisten en hallar la curva de compactación del suelo.

Ensayo con el micromolinete.

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.

Figura 6.66. Micromolinete (ELE).

Ensayo con el Penetrómetro: Determinar el esfuerzo de compresión inconfinado qu .

La Figura 6.64 muestra un penetrómetro de bolsillo, que es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el esfuerzo de compresión inconfinado q_u 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 q_u, con el cual puede trazarse la envolvente de falla.

 

Figura 6.65. Penetrómetro de bolsillo (ELE).

Ensayo de la Veleta: Determinar el parámetro de resistencia al corte no drenado cu del Suelo.

La veleta es un instrumento de laboratorio utilizado para determinar el parámetro de resistencia al corte no drenado c_u de 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:

 

Donde:

c_u = 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).

(a) Dimensiones estándar. (b) Ensamblado.

Detalles para la Selección del Ensayo Triaxial Adecuado.

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.

Ensayo de Compresión Inconfinada.

El ensayo de compresión inconfinada es un método rápido y de amplio uso para determinar el parámetro de resistencia no drenado c_u del suelo saturado arcilloso.

 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 c_u, 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 q_u, 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 q_u. La Tabla 6.5 muestra que basándose en el valor de q_u puede estimarse la consistencia del suelo.

Tabla 6.5. Consistencia de la arcilla (Das, 1997).

Ensayo triaxial consolidado drenado (CD).

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 (σ_d)_f que puede ser el valor pico o crítico, se determina el esfuerzo principal mayor con la expresión:

(σ'₁)_f = (σ'₃)_f + (σ_d)_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.

Ensayo triaxial consolidado no drenado (CU): determinar los parámetros efectivos c' y Φ',

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 s_d 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 (σ_d)_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 s_d, 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.

Ensayo triaxial no consolidado no drenado (UU): Determinar el parámetro de resistencia no drenado cu

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 c_u 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 (c_u). Este parámetro de resistencia del suelo aparentemente es constante. Sin embargo, se deben notar dos condiciones importantes relacionadas con cualquier valor observado de c_u. 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 s_d, 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 (σ_d)_f que será el valor pico (σ_d)_p o el crítico (σ_d)_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.

Preparación de la Muestra y la Cámara triaxial.

La cámara o celda triaxial mostrada en la Figura 6.45 consiste principalmente de un cilindro plástico con una cubierta superior e inferior de metal (cabezales), donde en el interior de esta es colocada la muestra de suelo de forma cilíndrica a la que se llamará probeta, cuyas dimensiones están en función al tipo de suelo. Una piedra porosa es colocada por encima y por debajo de la probeta luego de ser envuelta en una vaina de látex para protegerla del agua, también existen tubos de entrada y salida instalados en la cámara los cuales están controlados por válvulas que permiten o cortan la circulación de agua o glicerina cuando se desee. Este fluido que llena la cámara mantiene una presión hidrostática de confinamiento (s₃) constante y simétrica a lo largo de toda la circunferencia de la probeta, asegura la hermeticidad de la cámara por medio de abrazaderas ajustadas a los cabezales.

 

Figura 6.45. Cámara o celda triaxial.

Ensayos Triaxiales de Suelos:determinar las características de tensión-deformación y los parámetros de resistencia.

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.

 

 Figura 6.44. Prensa de compresión

Ensayo del Corte Directo del Suelo: Anillo de Carga y Deformímetro y Etapa de Corte de la Muestra del Suelo.

El ensayo del corte directo ASTM D3080 es bastante popular y utilizado para determinar rápidamente los parámetros de resistencia al corte del suelo, el aparato de corte utilizado para realizar este ensayo se muestra en la Figura 6.34. En este ensayo se miden directamente los esfuerzos normal y de corte en el plano de falla que origina el aparato, donde se obtendrán parámetros drenados ya que se permite el drenaje durante el ensayo.

En la Figura 6.35 se muestra los accesorios del aparato de corte necesarios para realizar este ensayo, la caja de corte es un elemento metálico cuadrado de dimensiones 2 x 2” o 4 x 4” (Figura 6.35a), compuesto de dos piezas que se dividen en dos mitades horizontales donde es instalado el muestreador (Figura 6.35b), que es una pieza metálica que contiene la muestra de suelo, el extractor de muestra (Figura 6.35c) es un molde con las dimensiones del muestreador utilizado para extraer una forma rectangular de suelo, la placa de transferencia (Figura 6.35d) es una cubierta superior que se ubicada en la parte superior de la caja de corte y esta transmite un esfuerzo normal a la muestra de suelo, las piedras porosas (Figura 6.35e) que permiten la circulación del agua son ubicadas por encima y por debajo de la muestra de suelo para evitar que esta se disgregue al estar en contacto con el agua.


Para realizar el ensayo primero se corta un prisma rectangular de suelo de 60 x 60 x 20 mm (dependiendo a las dimensiones del muestreador) con el extractor de muestra, donde luego esta es colocado en el muestreador y este a su vez en la caja de corte con las piedras porosas colocadas por encima y por debajo, como se muestra en la Figura 6.38.

 

Figura 6.34. Aparato para el ensayo del corte directo.

 

Figura 6.35. Accesorios del aparato de corte (ELE).

(a) Caja de corte. (b) Muestreador. (c) Extractor de muestra. (d) Placa de transferencia de carga. (e) Piedras porosas.

Figura 6.36. Armado de la caja de corte.

Luego se coloca la placa de transferencia de carga en la parte superior de la caja de corte, esta placa a su vez es conectada por el orificio superior a un mecanismo que transmite una carga vertical constante a la muestra de suelo, la caja de corte es instalada en una caja externa de mayor tamaño que puede moverse horizontalmente (Figura 6.36) y esta es llenada con agua.

Anillo de Carga y Deformímetro.

La Figura 6.37 muestra el anillo de carga junto a un deformímetro instalado en su parte central, el primero es usado como un transductor donde la carga originada por el aparato de corte es transmitida a la muestra de suelo mediante éste y el segundo es un instrumento de precisión que mide el desplazamiento o la deformación. Cada anillo de carga ha sido calibrado en fábrica de tal manera que se puede conocer la relación fuerza-deformación mediante un factor CR; de esta manera a partir de la deformación del anillo medida con el deformímetro se puede determinar la fuerza que actúa sobre éste.

Figura 6.37. Anillo de carga y deformímetro.

La fuerza de corte S inducida por el aparato de corte mediante el anillo a la muestra será:

S = LD·C_R                                                                              [6.25]

Donde:

S = Fuerza de corte aplicada por el aparato a la muestra.

LD = Lectura del deformímetro instalado en el anillo de carga.

C_R = Coeficiente del anillo.


Etapa de Corte de la Muestra del Suelo.

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.

Figura 6.41. Envolvente de falla.