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Ensayo de corte triaxial

Aparato triaxial con la muestra acoplada, listo para la prueba. En ciencia de materiales , un ensayo de corte triaxial es un método común para medir las propiedades mecánicas de...

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Aparato triaxial con la muestra acoplada, listo para la prueba.

En ciencia de materiales , un ensayo de corte triaxial es un método común para medir las propiedades mecánicas de muchos sólidos deformables , especialmente suelos (p. ej., arena , arcilla ) y rocas , y otros materiales granulares o polvos . Hay varias variaciones del ensayo. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] En un ensayo de corte triaxial, se aplica tensión a una muestra del material que se está probando de manera que las tensiones a lo largo de un eje sean diferentes de las tensiones en direcciones perpendiculares. Esto se logra típicamente colocando la muestra entre dos placas paralelas que aplican tensión en una dirección (generalmente vertical) y aplicando presión de fluido a la muestra para aplicar tensión en las direcciones perpendiculares.

La aplicación de diferentes esfuerzos de compresión en el aparato de ensayo provoca el desarrollo de esfuerzos cortantes en la muestra; las cargas se pueden aumentar y las deflexiones se pueden monitorear hasta la falla de la muestra. Durante el ensayo, el fluido circundante se presuriza y el esfuerzo en las placas se incrementa hasta que el material dentro del cilindro falla y forma regiones de deslizamiento en su interior, conocidas como bandas de corte . La geometría del corte en un ensayo triaxial generalmente provoca que la muestra se acorte mientras se abomba a lo largo de los lados. Luego, el esfuerzo en la placa se reduce y la presión del agua empuja los lados hacia adentro, lo que hace que la muestra vuelva a crecer en altura. Este ciclo generalmente se repite varias veces mientras se recopilan datos de esfuerzo y deformación sobre la muestra. Durante el ensayo, las presiones de poro de fluidos (por ejemplo, agua, aceite) o gases en la muestra se pueden medir utilizando el aparato de presión de poro de Bishop.

A partir de los datos de los ensayos triaxiales, es posible extraer parámetros fundamentales del material, como su ángulo de resistencia al corte, cohesión aparente y ángulo de dilatancia. Estos parámetros se utilizan posteriormente en modelos informáticos para predecir el comportamiento del material en aplicaciones de ingeniería a mayor escala. Un ejemplo sería predecir la estabilidad del suelo en una pendiente: si esta colapsará o si el suelo soportará las tensiones de corte y se mantendrá en su lugar. Los ensayos triaxiales se utilizan junto con otros ensayos para realizar este tipo de predicciones de ingeniería.

Durante el cizallamiento, un material granular suele experimentar una ganancia o pérdida neta de volumen. Si originalmente se encontraba en un estado denso, normalmente gana volumen, una característica conocida como dilatancia de Reynolds . Si originalmente se encontraba en un estado muy suelto, puede producirse una contracción antes de que comience el cizallamiento o simultáneamente con este.

En ocasiones, el ensayo de muestras cohesivas se realiza sin presión de confinamiento, mediante un ensayo de compresión simple. Esto requiere un equipo y una preparación de muestras mucho más sencillos y económicos, aunque su aplicabilidad se limita a muestras cuyos lados no se desmoronen al exponerse, y la menor tensión de confinamiento con respecto a la tensión in situ puede generar resultados excesivamente conservadores. El ensayo de compresión para determinar la resistencia del hormigón es esencialmente el mismo, pero con un equipo diseñado para muestras de mayor tamaño y cargas más elevadas, típicas de los ensayos de hormigón.

Ejecución de pruebas

Para las muestras de suelo, la muestra se coloca dentro de una funda cilíndrica de látex con una placa metálica plana y circular que cierra los extremos superior e inferior. Este cilindro se introduce en un baño de fluido hidráulico para ejercer presión a lo largo de sus paredes. La placa superior se puede accionar mecánicamente hacia arriba o hacia abajo a lo largo del eje del cilindro para comprimir el material. La distancia que recorre la placa superior se mide en función de la fuerza necesaria para moverla, ya que la presión del agua circundante se controla cuidadosamente. El cambio neto de volumen del material también se puede medir por la cantidad de agua que entra o sale del baño, pero normalmente se mide —cuando la muestra está saturada de agua— midiendo la cantidad de agua que fluye hacia dentro o hacia fuera de los poros de la muestra.

Roca

Para ensayar rocas de alta resistencia, la funda puede ser una lámina metálica delgada en lugar de látex. Los ensayos triaxiales en rocas resistentes se realizan con poca frecuencia, ya que las altas fuerzas y presiones necesarias para fracturar una muestra de roca requieren equipos de ensayo costosos y complejos.

Estrés efectivo

La tensión efectiva sobre la muestra se puede medir utilizando una superficie porosa en una de las placas y midiendo la presión del fluido (generalmente agua) durante la prueba, para luego calcular la tensión efectiva a partir de la tensión total y la presión de los poros .

Ensayo triaxial para determinar la resistencia al corte de una discontinuidad.

El ensayo triaxial se puede utilizar para determinar la resistencia al corte de una discontinuidad . Una muestra homogénea e isotrópica falla debido a las tensiones de corte en la misma. Si una muestra con una discontinuidad se orienta de manera que la discontinuidad sea aproximadamente paralela al plano en el que se desarrollará la tensión de corte máxima durante el ensayo, la muestra fallará debido al desplazamiento de corte a lo largo de la discontinuidad y, por lo tanto, se puede calcular la resistencia al corte de la discontinuidad. [ 5 ]

Tipos de ensayos triaxiales

Existen varias variantes del ensayo triaxial:

Drenaje consolidado (CD)

En un ensayo de consolidación drenada, la muestra se consolida y se somete a cizallamiento por compresión lentamente para permitir que se disipen las presiones de poro generadas por el cizallamiento. La velocidad de deformación axial se mantiene constante, es decir, se controla la deformación. El ensayo permite que la muestra y las presiones de poro se consoliden completamente (es decir, se ajusten ) a las tensiones circundantes. El ensayo puede tardar mucho tiempo en permitir que la muestra se ajuste; en particular, las muestras de baja permeabilidad requieren un tiempo prolongado para drenar y ajustar la deformación a los niveles de tensión.

Consolidado no drenado (CU)

En un ensayo de consolidación no drenada, no se permite el drenaje de la muestra. Las características de corte se miden en condiciones no drenadas, y se asume que la muestra está completamente saturada. La medición de las presiones de poro en la muestra (a veces denominadas CUpp) permite aproximar la resistencia consolidada-drenada. La velocidad de corte se calcula a menudo en función de la tasa de consolidación bajo una presión de confinamiento específica (en estado saturado). Las presiones de confinamiento pueden variar desde 1 psi hasta 100 psi o más, lo que a veces requiere celdas de carga especiales capaces de soportar presiones más altas.

No consolidado, no drenado

En un ensayo " no consolidado no drenado", las cargas se aplican rápidamente y no se permite que la muestra se consolide durante el ensayo. La muestra se comprime a una velocidad constante ( controlada por deformación ).

Prueba triaxial verdadera

Se han desarrollado sistemas de ensayo triaxial para permitir el control independiente de la tensión en tres direcciones perpendiculares. Esto posibilita la investigación de trayectorias de tensión que no se pueden generar en máquinas de ensayo triaxial axisimétricas, lo cual puede ser útil en estudios de arenas cementadas y suelos anisotrópicos.

La celda de ensayo es cúbica y cuenta con seis placas independientes que aplican presión a la muestra, cuyo movimiento es registrado por transductores LVDT. [ 6 ] La presión en la tercera dirección se puede aplicar mediante presión hidrostática en la cámara de ensayo, requiriendo únicamente cuatro conjuntos de aplicación de tensión. El aparato es significativamente más complejo que el utilizado para ensayos triaxiales axisimétricos y, por lo tanto, se emplea con menos frecuencia.

Condición de extremo libre en el ensayo triaxial

El triaxial danés en acción

Los ensayos triaxiales de construcción clásica han sido criticados por el campo de tensión y deformación no uniforme que imponen dentro de la muestra durante mayores amplitudes de deformación. [ 7 ] La discontinuidad altamente localizada dentro de una zona de corte es causada por la combinación de placas terminales rugosas y la altura de la muestra.

Para ensayar las muestras con mayor amplitud de deformación, se fabricaron versiones "nuevas" [ 8 ] y "mejoradas" [ 9 ] del aparato triaxial. Ambas versiones siguen el mismo principio: la altura de la muestra se reduce a un diámetro y se elimina la fricción con las placas de los extremos.

El aparato clásico utiliza placas terminales rugosas; toda la superficie del cabezal del pistón está compuesta por un filtro poroso y áspero. En los aparatos mejorados, las placas terminales se reemplazan por vidrio liso y pulido, con un pequeño filtro en el centro. Esta configuración permite que la muestra se deslice/expanda horizontalmente a lo largo del vidrio pulido. De este modo, la zona de contacto entre la muestra y las placas terminales no genera fricción de cizallamiento innecesaria, y se mantiene un campo de tensión lineal/isotrópico dentro de la muestra.

Debido a un campo de esfuerzos extremadamente uniforme y casi isotrópico, se produce la fluencia isotrópica . Durante la fluencia isotrópica, la deformación volumétrica (dilatacional) se distribuye isotópicamente dentro de la muestra, lo que mejora la medición de la respuesta volumétrica durante los ensayos CD y la presión del agua intersticial durante la carga CU. Además, la fluencia isotrópica provoca que la muestra se expanda radialmente de manera uniforme a medida que se comprime axialmente. Las paredes de una muestra cilíndrica permanecen rectas y verticales incluso con grandes amplitudes de deformación (Vardoulakis (1980) documentó una amplitud de deformación del 50% utilizando un ensayo triaxial "mejorado" en arena no saturada). Esto contrasta con la configuración clásica, donde la muestra forma una cornamusa en el centro, manteniendo un radio constante en el contacto con las placas de los extremos.

Ensayos posteriores a la licuefacción. La muestra de arena fina se licuó durante ciclos de consolidación no drenada (CU) y se recuperó mediante ciclos de consolidación drenada (CD) repetidos. Las arrugas se formaron debido al cambio de volumen provocado por la alternancia entre la licuefacción CU ​​y el drenaje. En estado licuado, la muestra se vuelve lo suficientemente blanda como para imprimir una fina capa de látex. Durante los ciclos CD, se vuelve lo suficientemente rígida como para preservar el patrón impreso.

El aparato "nuevo" ha sido actualizado al "triaxial danés" por LBIbsen. [ 10 ] El triaxial danés puede utilizarse para ensayar todo tipo de suelos. Proporciona mediciones mejoradas de la respuesta volumétrica, ya que durante la fluencia isotrópica, la deformación volumétrica se distribuye isotópicamente dentro de la muestra. El cambio de volumen isotrópico es especialmente importante para el ensayo CU, ya que la cavitación del agua de poro establece el límite de la resistencia de la arena no drenada. [ 11 ] La precisión de la medición se mejora al tomar mediciones cerca de la muestra. La celda de carga está sumergida y en contacto directo con la cabeza de presión elevada de la muestra. Los transductores de deformación también están conectados directamente a las cabezas de los pistones. El control del aparato está altamente automatizado, por lo que la carga cíclica puede aplicarse con gran eficiencia y precisión.

La combinación de alta automatización, mayor durabilidad de las muestras y compatibilidad con grandes deformaciones amplía el alcance de los ensayos triaxiales. El ensayo triaxial danés puede llevar a la plasticidad de muestras de arena CD y CU sin que se produzca una rotura por cizallamiento ni abultamiento. Una muestra puede someterse a múltiples ensayos de fluencia en una única secuencia de carga continua. Incluso se pueden licuar las muestras hasta una gran amplitud de deformación y luego triturarlas hasta la falla CU. Los ensayos CU pueden permitirse que transiten al estado CD y someterse a ensayos cíclicos en modo CD para observar la recuperación de rigidez y resistencia posterior a la licuefacción. [ 12 ] Esto permite controlar las muestras con un alto grado de precisión y observar patrones de respuesta de la arena que no son accesibles mediante los métodos clásicos de ensayos triaxiales.

Estándares de prueba

Esta lista no es exhaustiva; solo incluye las normas principales. Para obtener una lista más completa, consulte los sitios web de ASTM International (EE. UU.), British Standards (Reino Unido), la Organización Internacional de Normalización ( ISO ) o las organizaciones locales de normalización.

  • ASTM D7181-11: Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial consolidada drenada para suelos [ 13 ]
  • ASTM D4767-11 (2011): Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial consolidada no drenada para suelos cohesivos [ 14 ]
  • ASTM D2850-03a (2007): Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial no consolidado y no drenado en suelos cohesivos [ 15 ]
  • BS 1377-8:1990 Parte 8: Ensayos de resistencia al corte (esfuerzo efectivo) Ensayo de compresión triaxial [ 16 ]
  • ISO/TS 17892-8:2004 Investigación y ensayo geotécnicos—Ensayos de laboratorio de suelos—Parte 8: Ensayo triaxial no consolidado no drenado [ 17 ]
  • ISO/TS 17892-9:2004 Investigación y ensayo geotécnicos—Ensayos de laboratorio de suelos—Parte 9: Ensayos de compresión triaxial consolidada en suelos saturados de agua [ 18 ]

Referencias

  1. ↑ Bardet, J.-P. (1997). Mecánica experimental de suelos . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-374935-9.
  2. ↑ Head, KH (1998). Pruebas de estrés efectivas, Volumen 3, Manual de pruebas de laboratorio de suelos (2.ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-97795-7.
  3. ↑ Holtz, RD; Kovacs, WD (1981). Introducción a la ingeniería geotécnica . Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0.
  4. ↑ Price, DG (2009). De Freitas, MH (ed.). Geología de la ingeniería: principios y práctica . Springer . pág. 450. ISBN  978-3-540-29249-4.
  5. ↑ Goodman, RE (1989). Introducción a la mecánica de rocas . Wiley ; 2.ª edición. pág. 576. ISBN  978-0-471-81200-5.
  6. ↑ Reddy, KR; Saxena, SK; Budiman, JS (junio de 1992). "Desarrollo de un aparato de ensayo triaxial verdadero" (PDF) . Geotechnical Testing Journal . 15 (2). ASTM: 89–105 . doi : 10.1520/GTJ10231J .
  7. ↑ ROWE, PW, Barden, L, "IMPORTANCIA DE LOS EXTREMOS LIBRES EN LOS ENSAYOS TRIAXIALES" Journal of Soil Mechanics & Foundations, Volumen: 90
  8. ↑ "Nuevo edómetro y nuevo aparato triaxial para suelos firmes" Archivado el 7 de junio de 2017 en Wayback Machine
  9. ↑ Vardoulakis, I. (1979). "Análisis de bifurcación del ensayo triaxial en muestras de arena". Acta Mechanica . 32 ( 1–3 ): 35–54 . doi : 10.1007/BF01176132 . S2CID 124243347 . 
  10. ↑ Ibsen, LB (1994). "El estado estable en ensayos triaxiales cíclicos sobre arena". Soil Dynamics and Earthquake Engineering . 13 : 63–72 . doi : 10.1016/0267-7261(94)90042-6 .
  11. ↑ vbn.aau.dk
  12. ↑ onepetro.org
  13. ↑ ASTM D7181 (2011). Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial consolidada drenada para suelos) . ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  14. ↑ ASTM D4767-11 (2011). Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial consolidado no drenado para suelos cohesivos . ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003. doi : 10.1520/D4767-11 .{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  15. ↑ ASTM D2850 - 03a (2007). Método de ensayo estándar para el ensayo de compresión triaxial no consolidado y no drenado en suelos cohesivos . ASTM International , West Conshohocken, PA, 2003. doi : 10.1520/D2850-03AR07 .{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  16. ↑ BS 1377-1 (1990). Métodos de ensayo de suelos para fines de ingeniería civil. Requisitos generales y preparación de muestras . BSI . ISBN 0-580-17692-4.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  17. ↑ ISO/TS 17892-8:2004 (2007). Investigación y ensayo geotécnicos - Ensayos de laboratorio de suelos - Parte 8: Ensayo triaxial no consolidado no drenado . Organización Internacional de Normalización . pág. 24. {{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  18. ↑ ISO/TS 17892-9:2004 (2007). Investigación y ensayos geotécnicos - Ensayos de laboratorio de suelos - Parte 9: Ensayos de compresión triaxial consolidada en suelos saturados de agua . Organización Internacional de Normalización . pág. 30. {{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )

Véase también