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• Luis Pocasangre

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LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS II I-2015

DATOS OBTENIDOS TIEMP O (Min)

CARGA (kN)

DEFORMACI ÓN (mm)

Esfuerzo de confinamiento σ3=___________________

PROBETAS DIÁMETROS (cm) Iniciales

Finales

ALTURAS (cm) Iniciales

Finales

Lectura de referencia: ___________________________________________________

ENSAYO I: COMPRESIÓN TRIAXIAL

LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS II I-2015

INVESTIGACIÓN PRUEBAS DE COMPRESIÓN TRIAXIAL La prueba de compresión triaxial es el ensayo de corte de uso más común; es adecuada para todos los tipos de suelo excepto arcillas muy sensitivas y permite aplicar diferentes procedimientos. Es uno de los métodos más confiables para determinar los parámetros de la resistencia cortante. Se usan tanto para investigaciones como para pruebas convencionales. La prueba se considera confiable por las siguientes razones:   

Proporciona información sobre el comportamiento esfuerzodeformación unitaria del suelo, cosa que no hace la prueba de corte directo. Proporciona condiciones más uniformes de esfuerzo que la prueba de corte directo con sus concentraciones de esfuerzos a lo largo de un plano de falla. Proporciona más flexibilidad en términos de trayectoria de carga.

En esta prueba se usa generalmente un espécimen de suelo de aproximadamente 36 mm de diámetro y 76 mm de longitud. El espécimen queda encerrado por una membrana de delgada de hule y se coloca dentro de una cámara cilíndrica de plástico que se llena usualmente con agua o glicerina. El espécimen queda sometido a una presión de confinamiento por compresión del fluido en la cámara. Para generar la falla cortante en el espécimen se aplica un esfuerzo axial a través de un embolo vertical de carga. Generalmente se llevan a cabo tres tipos estándar de pruebas triaxiales las cuales son las siguientes: 

Prueba consolidada drenada o drenada (Prueba CD): en esta prueba se permite el drenaje durante todo el ensayo. En la primera etapa del ensayo se le aplica una presión de confinamiento al suelo y se permite el drenaje para que la la presión de poros en el suelo se disipe por consolidación. Luego al consolidar completamente la muestra debido a la presión de confinamiento, se comienza la aplicación de cargas axiales, conocidas como esfuerzo desviador, permitiendo el drenaje. Estos esfuerzos se deben aplicar a una velocidad muy baja para permitir la total disipación de la presión de poros. Por el tiempo que requiere la prueba para ejecutarse se le conoce también como prueba lenta y económicamente solo es justificable para grandes proyectos.

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Mientras este ensayo permite conocer los parámetros verdaderos del suelo (ángulo de fricción interna y cohesión), los parámetros aparentes obtenidos de los ensayos drenado o CU son más reales para la mayoría de los proyectos, dependiendo de cuán rápido se produzca la carga en el sitio es decir, se aplica un relleno o una carga de cimiento. (ver figura 1 en ilustraciones) 



Prueba triaxial consolidada-no drenada (CU): también llamado ensayo consolidado rápido, siendo este el tipo más común de prueba triaxial. En esta prueba se somete la muestra de suelo en una primera etapa a un proceso de consolidación ocasionado por la presión de confinamiento, dejando la válvula de drenaje abierta para que la presión de poros pueda ser disipada. Cuando la consolidación se completa, se cierra la válvula de drenaje y se comienza a aplicar el esfuerzo desviador hasta que la muestra falla. Los resultados de este tipo de prueba brindan los parámetros de resistencia del suelo referidos a los esfuerzos efectivos pero también los brinda con respecto a los esfuerzos totales.(ver figura 2 en ilustraciones) Prueba triaxial no consolidada- no drenada (UU): este tipo de ensayo es denominado rápido, debido a que se realiza mucho más rápido en comparación con los otros dos tipos de ensayos anteriores. Durante toda la ejecución de este ensayo la válvula de drenaje se mantiene cerrada, lo que provoca que la presión de poros no se disipe al momento de aplicar la presión de confinamiento. Aun con la válvula de drenaje cerrada se comienza a aplicar el esfuerzo desviador de falla hasta que la muestra de suelo falla. Cuando se utiliza una muestra de suelo cohesivo saturado se obtiene como resultado un ángulo de fricción interna igual a cero y solo se obtiene un valor de cohesión. (ver figura 3 en ilustraciones)

TIPOS DE FALLA Es importante conocer el proceso por el cual debemos someter una muestra de suelo a pruebas triaxiales para que esta falle. Se conoce que la muestra de suelo está sometida a esfuerzos de compresión que actúan a lo largo de tres ejes, la aplicación de estos esfuerzos se puede considerar en etapas (ver figura 4 en ilustraciones). Estos ejes forman ángulos rectos entre sí. Primero utilizando la presión del agua, aplicamos un esfuerzo de confinamiento de tal manera que todos los esfuerzos sobre el espécimen sean iguales. Si no se drena en esta etapa, la presión de poros aumenta en µ0 y si se permite el drenaje el volumen cambiara en v0.

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Luego aumentamos la carga axial de tal manera que el esfuerzo vertical aumente, mientras que la presión de confinamiento es la misma en la cámara. Una vez que la probeta de suelo ha fallado, dependiendo del tipo de suelo en estudio, la carga afecta al espécimen de suelo acortándolo y aumentando su diámetro, los tipos de falla que pueden presentarse son: 

 

Falla frágil de deslizamiento: sucede en suelos densos o muy preconsolidados, el espécimen se cortara claramente a lo largo de una superficie de deslizamiento bien definida al alcanzar el esfuerzo máximo.(ver figura 5a) en ilustraciones) Falla parcial al corte: se da en suelos ligeramente preconsolidados y el corte será menos definido en general.(ver figura 5b) en ilustraciones) Falla de flexibilidad plástica: se presenta en suelos sueltos o normalmente consolidados, sin la formación de una superficie de deslizamiento, produciendo una forma abarrilada. (ver figura 5c) en ilustraciones)

CAMBIOS DE ÁREA Y VOLUMEN DURANTE LA PRUEBA TRIAXIAL El espécimen de suelo se ve afectado por las deformaciones que ocasiona el aumento de la carga vertical, estas deformaciones son un acortamiento de la longitud con un consecuente aumento del diámetro. Además cuando es permitido el drenaje, el volumen de la muestra se reduce. El indicador de valores de deformación (extensómetro o transductor, ver figura 6 en ilustraciones) proporciona el cambio de longitud del espécimen. Para registrar el cambio de volumen, se introduce una conexión de drenaje en la parte superior del espécimen. Después se coloca un disco cerámico poroso entre el suelo y el cabezal superior (perforado) y un tubo de plástico conectado entre el cabezal y la salida de drenaje en la base de la cámara (ver figura 6 en ilustraciones), el dispositivo de volumen puede ser una simple bureta con exactitud de 0.1 ml, o un medidor de volumen equipado con transductor, cuando se requiere de vigilancia por computadora. El volumen de agua recolectada representa el cambio de volumen de una muestra saturada. Cuando se intenta calcular el esfuerzo desviador a partir de la carga axial aplicada, el área modificada de la sección transversal puede obtenerse con la siguiente expresión:

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∆V V0 ∆L 1− L0

1− A=A0

Donde: A0: área original de la sección transversal del espécimen. V0: volumen original del espécimen. L0: longitud original del espécimen. ∆ V: cambio de volumen. ∆ L: cambio de longitud.

En el caso de una prueba sin drenaje,

∆ V se considera igual a cero, lo

que queda: A0 ∆L 1− L0

A=

O bien A0 A= 1−ε Donde ε:

Deformación unitaria axial.

ε=

∆L L0

FUENTES DE ERROR EN LAS PRUEBAS TRIAXIALES PRUEBAS SIN DRENADO:   

Perturbación durante el muestreo y la preparación. Burbujas de aire atrapadas entre el suelo y la membrana de hule o cabezales. La membrana de hule es demasiado gruesa o esta picada.

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  

Mal sello en los extremos; burbujas de agua en el tubo del agua de poros. Esfuerzo lateral desarrollado entre los cabezales. se deben engrasar estos para evitarlo. El suelo no está saturado, es decir, contiene aire, que es compresible.

PRUEBAS CON DRENADO:     

Demasiado rápida la velocidad de carga, que ocasiona que el exceso de presión de poro no se mantenga en cero. Mal sello en el sistema de cambio de volumen. Errores de calibración en el sistema de cambio de volumen. Pérdida de carga en el pistón de carga axial debido a mala lubricación. Insensibilidad de las mediciones a bajas deformaciones debida a la rigidez temprana del suelo, que se supera cuando se usa control de velocidad constante de esfuerzo en lugar de velocidad constante de deformación unitaria.

VALORES TÍPICOS DE ÁNGULOS DE FRICCIÓN Y COHESIÓN INTERNA DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS

TIPO DE SUELO

ESTADO

ANGULO DE FRICCIÓN (GRADOS)

COHESIÓN INTERNA (kg/cm2)

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Arenoso Arenoso Arenoso Fino Arenoso Fino Franco Arenoso Franco Arenoso Franco Franco Arcilloso Arcilloso

Compactado Suelto Compactado Suelto Fiable Plástico Fiable Plástico Fiable Plástico

38-40 32-35 25-30 18-22 24-28 24-28 22-26 15-19 17-19 10-14

0 0 0 0 0.20-0.25 0.10-0.15 0.25-0.30 0.15-0.20 0.4-0.6 0.25-0.30

TABLAS DE RESULTADOS Diámetr o Promed io (Da)

Altura promed io (H)

H/D

Área inicia l (cm2 )

Tiemp o T(min )

Def. Total ( mm )

Def. Total ( cm)

Facto r Kt

Área corregi da (Ac)

P (Kg)

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Tiempo (min)

Carga (kg)

Deformaci ón (mm)

Δσd

(kg /cm2)

Resultados de Circulo de Mohr Δσdmax (kg /cm2) σ3

(kg /cm2)

σ1 (kg /cm2) Cohesión (kg /cm2)

Radio

(kg /cm2)

ILUSTRACIONES

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FIGURA 1: Envolvente de falla por esfuerzo efectivo de pruebas drenadas en arena y arcilla normalmente consolidada, obtenido en pruebas consolidadas drenadas.

FIGURA 2: Envolvente de falla total y esfuerzo efectivo para pruebas triaxiales consolidadas no drenadas.

FIGURA 3: Círculos de Mohr del esfuerzo total y envolvente de falla ( φ=0 ), obtenidos en pruebas triaxiales no consolidadas -no drenadas.

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FIGURA 4: Deformaciones y esfuerzos en la prueba triaxial; a) deformaciones unitarias principales, b) presión en la cámara únicamente, c) esfuerzos principales en la falla por corte.

FIGURA 5: Tipos de fallas en las pruebas trixiales; a) Falla frágil de deslizamiento, b) Falla parcial al corte, c) Falla de flexibilidad plástica.

FIGURA 6: Sistema típico para la prueba triaxial ENSAYO I: COMPRESIÓN TRIAXIAL

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FIGURA 7: Círculo de Mohr típico para suelos cohesivos: posee valor de cohesión y el ángulo de fricción interna es cero.

FIGURA 8: Círculo de Mohr típico para suelo granular: la cohesión tiene valor de cero y posee ángulo de fricción interna.

FIGURA 9: Círculo de Mohr típico para suelo mixto (granular y cohesivo): posee ambos valores de resistencia cortante, cohesivo y ángulo de fricción interna.

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FIGURA 10: Infiltración de agua en el espécimen de suelo. Puede deberse a mal sellado de la misma o mala calidad de la membrana utilizada.

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FIGURA 11: Burbujas de aire dentro de la cámara triaxial. La formación de burbujas provoca una distribución no uniforme de los esfuerzos, pudiendo afectar el resultado del ensayo.

FIGURA 12: Espécimen después de la falla. Se puede observar la parte ensanchada que al estar dentro de la cámara era la parte inferior. No se observa el plano de falla.

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FIGURA 13: Burbujas de aire dentro de la cámara triaxial. La formación de burbujas provoca una distribución no uniforme de los esfuerzos, pudiendo afectar el resultado del ensayo.

PROCEDIMIENTO ILUSTRADO 1) Primeramente, tomamos el espécimen de suelo el cual debe estar bien moldeado en forma cilíndrica, a este espécimen tallado se le tomo medidas con el calibrador vernier, tanto al diámetro como a la altura. Estas mediciones consisten en ubicar el calibrador vernier en diferentes lugares del espécimen; por ejemplo para el diámetro se mide la parte superior, en medio y la parte inferior del espécimen. En cuanto a la altura; tomamos tres diferentes mediciones en distintos puntos del espécimen. Luego obtenemos un promedio del diámetro y la altura. El objetivo de estas mediciones es verificar si se satisface el requisito de cumplir con una relación de altura-diámetro (H/D) comprendida entre dos y tres, de no ser así la muestra podría fallar por otros casos. Por ejemplo una falla por pandeo.

2) Como segundo paso, preparamos el espécimen, cubriéndolo con una membrana plástica (en nuestro caso se utilizó un preservativo de material látex). Esta membrana tiene como función proteger el espécimen de filtraciones de agua dentro del mismo. Realizamos el montaje del espécimen en la cámara y se colocan piedras porosas en los extremos de la probeta.

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3) Luego colocamos el tubo de plástico transparente, que este fue asegurado con los tornillos para evitar movimientos y filtraciones de agua.

4) Conectamos una pequeña manguera a la cámara triaxial, esta conexión será por la parte inferior de la cámara para que esta se llene por debajo y así evitamos la formación de burbujas. En nuestro caso, la fuente de agua se encontraba a mayor elevación que la cámara triaxial.

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5) Abrimos la válvula de la manguera y esperamos a que se llene la cámara por completo, lo que ocasiona el agua son esfuerzo laterales conocidos como esfuerzo de confinamiento.

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6) El esfuerzo de registrado en hicimos uso y un cargas para milímetros Newton.

y

7) Como siguiente paso constante la presión de intervalos de un minuto espécimen de suelo falló,

confinamiento fue kilo pascales, de un deformimetro transductor de registrar las deformaciones en las cargas en kilo

aplicamos la carga vertical dejando confinamiento y tomamos lectura en de carga y deformación hasta que el luego de esto tomamos dos lecturas de ENSAYO I: COMPRESIÓN TRIAXIAL

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deformación más y verificamos que estas fueran constantes de esta manera nos aseguramos que la probeta falló.

8) Una vez que el espécimen haya fallado, observamos su falla en esta ocasión no se observó el ángulo de falla, debido a que este es un suelo cohesivo. Por último tomamos lectura de diámetros y alturas finales. Para estos el número de mediciones fueron tres respectivamente.

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OBSERVACIONES 1) En ensayos No Consolidados No Drenados, aplicando el principio de conservación del volumen podemos calcular el área final de la siguiente forma: V0= VF A0* H0= AF*HF H0= altura inicial promedio A0= área inicial AF=área final HF= altura final Tenemos que la altura final es igual a la altura menos el cambio en la altura (δ) HF=H0- δ Donde la deformación (ε): ε=

δ H0

Despejado para el cambio de altura tenemos: δ= ε H0 Al sustituir tendremos la siguiente expresión: A0*H0=AF*(H0- εH0)

Luego k=1- ε; lo que no se deformo, y despejamos para AF: AF=

A0 k

2) Se utilizó un preservativo para sustituir a la membrana de hule de la máquina de pruebas triaxiales. Esto debido a que no se contaba con las membranas de hule especiales para este ensayo, ya que son muy costosas.

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3) Se pudo observar infiltración de agua en la probeta debido a la mala calidad de la membrana, o al mal procedimiento de sellado de la misma. (ver ilustraciones figura 10) 4) El llenado de la cámara de confinamiento se realiza de abajo hacia arriba para evitar la acumulación de burbujas. La formación de burbujas provoca una distribución no uniforme de los esfuerzos. Se formaron burbujas de aire durante el llenado con agua de la cámara, debido al desnivel de la superficie donde está colocada. A pesar de que se eliminaron la mayor parte de las burbujas, en la parte superior de la cámara se pudo observar que había una burbuja grande. (ver ilustraciones figura 11) 5) Se observó al final de la prueba como la muestra tomo una forma más ancha en su parte inferior.(ver ilustraciones figura 12) 6) No se observó ángulo de falla debido a que la muestra contenida en la probeta era un suelo cohesivo, tendiendo a ensancharse en su parte inferior. No forma un plano de falla definido. (ver ilustraciones figura 12) 7) Al colocar la muestra en la cámara trixial, se observó que esta no quedo completamente vertical sino que tuvo cierta inclinación. Esto pudo ser un factor que influyó en la falla del espécimen.(ver ilustraciones figura 13) 8) El ensayo realizado es no consolidado-no drenado, esto debido al tiempo que se necesita para realizarlo, puesto que es más rápido a diferencia de otras pruebas triaxiales en las cuales tardaríamos días, se realiza esta con propósitos meramente académicos.

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Conclusiones 1. Considerando la prueba de compresión no confinada-no drenada y observando que la falla en la probeta fue de flexibilidad elástica, no nos fue posible obtener el ángulo real de falla, debido a que en este tipo de falla, la muestra tiende a abultarse en su parte inferior. (ver ilustraciones figura 12) 2. Debido a que el ensayo realizado es no consolidado-no drenado (UU) y sabiendo que el espécimen utilizado es un suelo cohesivo saturado, teóricamente el ángulo de fricción es cero. 3. Como no obtuvimos un ángulo de falla real, esto nos impide calcular el valor de la cohesión real del espécimen estudiado. 4. El valor obtenido del ensayo para la cohesión, según las condiciones del ensayo fue de kg/cm 2, y en comparación con los valores que se muestran en la investigación, podemos notar que este valor es muy superior a los rangos mostrados en la misma, por lo que se concluye que los datos no fueron tomados correctamente o se realizó de manera errónea la prueba. 5. De acuerdo a lo anterior podemos concluir que el suelo en estudio es altamente cohesivo, pero no podríamos ubicarlo dentro de un tipo específico de suelo ya que el resultado del cálculo de la cohesión nos arrojó valores por encima de los rangos investigados, además habiendo tantas fuentes de error en el ensayo, esto pudo haber provocado dicha situación.

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BIBLIOGRAFÍA 

Bowles, Joseph E. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil; Editorial McGraw-Hill Latinoamericana, Edición no especificada 1980; Bogotá Colombia Páginas: 141-143.

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Das, Braja M. Fundamentos de Ingeniería Geotecnia; Editorial Thomson Learning Inc. Primera Edición en Español 2001 México D.F., México. Páginas: 217-227

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Whitlow, Roy; Fundamentos de Mecánica de Suelos; Compañía Editorial Continental S.A. de C.V. Primera edición en español 1994,México D.F., México Páginas: 245-253

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