UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERA CIVILDEPARTAMENTO ACADMICO DE INGENIERA GEOTCNICACICLO 2015-IMECANICA DE SUELOS IIESFUERZO TRIAXIAL 1. Introduccin

El esfuerzo cortante en los suelos es el aspecto ms importante de la ingeniera geotcnica. La capacidad de soporte de cimentaciones superficiales como profundas, la estabilidad de los taludes y el diseo de muros o paredes de retencin, llevan implcito el valor de la resistencia al esfuerzo cortante.Desde otro punto de vista, el diseo de los pavimentos, se ve influenciado de una forma indirecta por la resistencia al cortante de los suelos, ya sea en el anlisis de la estabilidad de un talud o en el diseo de los muros de retencin y de forma directa, a travs del diseo de las fundaciones que soportan el pavimento, especficamente, en la subrasante.Por consecuencia, tanto las estructuras como los taludes deben ser estables y seguros frente a un colapso total, cuando stos sean sometidos a una mxima aplicacin de cargas. El esfuerzo cortante de un suelo se ha definido como la ltima o mxima resistencia que el suelo puede soportar.Especficamente, se ha expresado como la resistencia interna que ofrece la masa de suelo por rea unitaria para resistir la falla al deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de l.El esfuerzo cortante puede ser determinado de muchas maneras, algunos de los ensayos ms comunes inclinadas son la veleta (ASTM D 4648), ensayos de penetracin estndar - SPT (ASTM D 1586), as como algunos otros tipos de penetrmetros, los cuales en su mayora no evitan los problemas asociados con la alteracin de la muestra debido a su extraccin en el campo, sin dejar de lado que ofrecen informacin sumamente importante. Sin embargo, muchos de esos mtodos determinan la resistencia al cortante indirectamente a travs de correlaciones. Por otra parte, en el laboratorio existe una serie de ensayos que usualmente se realizan dentro del mbito de la ingeniera para evaluar las propiedades de resistencia de cada material que conforma el subsuelo. Entre estos se pueden citar la resistencia a la compresin uniaxial (ASTM D 2166), corte directo (ASTM D 3080 y ASTM D 6528) y los ensayos de compresin triaxial(ASTM D 4767 y ASTM D 2850).

2. ObjetivoDeterminar el ngulo de Rozamiento Interno y la Cohesin del suelo, que permitan establecer su Resistencia al Corte, aplicando a las probetas esfuerzos verticales y laterales que tratan de reproducir los esfuerzos a los que est sometido el suelo en condiciones naturales.

3. Breve fundamento terico de los ensayos UU, CU y CD

Prueba rpida - Prueba sin consolidacin y sin drenaje (UU)En este tipo de prueba no se permite en ninguna etapa la consolidacin de la muestra. La vlvula de comunicacin entre el espcimen y la bureta permanece siempre cerrada impidiendo el drenaje. En primer lugar, se aplica al espcimen una presin hidrosttica y de inmediato, se falla el suelo con la aplicacin rpida de la carga axial. Los esfuerzos efectivos en esta prueba no se conocen bien.El ensayo UU es usualmente llevado a cabo sobre especmenes de arcilla, enmarcando la realizacin del ensayo dentro del concepto de resistencia para suelos cohesivos saturados, en donde se expresan los resultados en trminos de esfuerzos totales. La envolvente de falla para los criterios de Mohr del esfuerzo total se convierte en una lnea horizontal, con una condicin de = 0 (ngulo de friccin) y Tf = Cu, siendo Cu la resistencia al cortante no drenada, la cual es igual al radio de los crculos de Mohr

Prueba rpida Prueba con consolidacin y sin drenaje (CU)En este tipo de prueba, el espcimen se consolida primeramente bajo la presin hidrosttica; as el esfuerzo llega a ser efectivo, actuando sobre la fase slida del suelo.En seguida, la muestra se lleva a la falla por un rpido incremento de la carga axial, de manera que no se permita cambio de volumen. El hecho esencial de este tipo de prueba es el no permitir ninguna consolidacin adicional durante el periodo de falla, de aplicacin de la carga axial.Esto se logra fcilmente en una cmara de compresin triaxial cerrando la vlvula de salida de las piedras porosas a la bureta.En la segunda etapa de una prueba rpida consolidada podra pensarse que todo el esfuerzo desviador fuera tomado por el agua de los vacos del suelo en forma de presin neutral, ello no ocurre as y se sabe que parte de esa presin axial es tomada por la fase slida del suelo, sin que hasta la fecha, se hayan dilucidado por completo ni la distribucin de esfuerzos, ni las razones que lo gobiernan.De hecho no hay ninguna razn en principio para que el esfuerzo desviador sea ntegramente tomado por el agua en forma de presin neutral, si la muestra estuviese lateralmente confinada, como el caso de una prueba de consolidacin.El ensayo CU (consolidado-no drenado) se realiza generalmente con medicin de la presin de poros o neutra con el fin de determinar los parmetros de C y en trminos de esfuerzos totales y esfuerzos efectivos.

Prueba lenta - Prueba con consolidacin y con drenaje (CD)La caracterstica fundamental de la prueba es que los esfuerzos aplicados al espcimen son efectivos.Primeramente se aplica al suelo una presin hidrosttica, manteniendo abierta la vlvula de comunicacin con la bureta y dejando transcurrir el tiempo necesario para que haya consolidacin completa bajo la presin actuante.Cuando el equilibrio esttico interno se haya restablecido, todas las fuerzas exteriores estarn actuando sobre la fase slida del suelo, es decir, producen esfuerzos efectivos, en tanto que los esfuerzos neutrales en el agua corresponden a la condicin hidrosttica. La muestra se lleva a la falla a continuacin aplicando la carga axial en pequeos incrementos, cada uno de los cuales se mantiene el tiempo necesario para que la presin en el agua, en exceso de la hidrosttica, se reduzca a cero.Los ensayos consolidados drenados se utilizan esencialmente en suelos granulares (arenas), sin embargo, se puede aplicar en suelos finos, pero los ensayos requieren tiempos prolongados del orden de semanas.

4. Descripcin del equipoEl ensayo de compresin triaxial es el ms usado para determinar las caractersticas de esfuerzo-deformacin y de resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. El ensayo consiste en aplicar esfuerzos laterales y verticales diferentes, a probetas cilndricas de suelo y estudiar su comportamiento. El ensayo se realiza en una cmara de pared transparente (cmara triaxial) llena de lquido, en la que se coloca la probeta cilndrica de suelo que, salvo que se adopten precauciones especiales, tiene una altura igual a dos veces su dimetro, forrada con una membrana de caucho. Esta membrana va sujeta a un pedestal y a un cabezal sobre los que se apoyan los extremos de la probeta.

5. Describa la forma de instalacin de una muestra en la celda triaxialEl suelo a utilizarse se prefiere que sea inalterado, en cuyo caso se debe tallar por lo menos tres especmenes cilndricos, teniendo muy en cuenta su estratificacin y evitando destruir la estructura original del suelo.Si la muestra es alterada, se procede a preparar los especmenes compactndose la muestra con una determinada energa, de acuerdo con las condiciones tcnicas impartidas.Las dimensiones de los especmenes dependen del tamao de la mquina triaxial a emplearse; debiendo tomar en cuenta que la altura de la muestra debe ser el doble del dimetro, (Se toman las medidas de los especmenes preparados). El momento de preparar los especmenes se debe tomar muestra para determinar el contenido de humedad. Pesamos el primer espcimen y lo colocamos en la base de la cmara triaxial, utilizando una piedra porosa entre la muestra y dicha base. Colocamos la membrana de caucho en el espcimen, utilizando un aparato especial para ello. Colocamos la cabeza de plstico usando una piedra porosa entre la cabeza y el espcimen. Aseguramos la membrana con ligas tanto en la parte superior como en la inferior. En el caso de realizar en ensayo triaxial en un triaxial Soiltest, conectamos la cabeza de plstico en el tubo espiral que sale de la base y que se utiliza para el drenaje de la muestra. Colocamos la cmara con su tapa, asegurndonos que estn bien colocados los empaques y seguidamente apretamos los tornillos que sujetan la cmara uniformemente. Introducimos el pistn en el hueco de la cabeza de plstico. Centramos el brazo de carga con el pistn y colocamos el dial de las deformaciones en cero.

6. Explique cules son las diferencias en el procedimiento en un ensayo tipo UU con el tipo CU y CD No consolidados-no drenados (UU) Se impide el drenaje durante las dos etapas del ensayo. Consolidados-no drenados (CU) Se permite el drenaje durante la primera etapa solamente. Consolidados-drenados (CD) Se permite el drenaje durante todo el ensayo, y no se dejan generar presiones neutras aplicando los incrementos de carga en forma pausada durante le segunda etapa y esperando que el suelo se consolide con cada incremento.

7. En qu tipo de ensayo se usa el proceso de saturacin y consolidacin Por qu es necesaria la saturacin?

En el tipo de ensayo triaxial consolidado drenado (CD) se usa la saturacin y consolidacin.La saturacin es necesaria para llenar los vacios de los poros de la muestra, la fuerza aplacada debe de ser la menor posible que no genere presin de poros en la muestra el ensayo consolidado drenado es de larga duracin.

8. Cmo se evala si una muestra est saturada? Describa el procedimiento que se sigue en el laboratorio

Una vez saturada la probeta de suelo se proceder a consolidar. Se recomienda aplicar la presin de confinamiento en pequeos intervalos con el fin de no perturbar la muestra. Incrementar la presin, hasta alcanzar la presin de confinamiento deseada para cada caso. Alcanzada la presin de confinamiento total, se dejara consolidar la muestra el tiempo que sea necesario.Al trmino de la consolidacin deber determinarse la variacin de volumen sufrida por la probeta por efecto de consolidacin, debido a la presin confinante ejercida sobre la probeta. Este dato es acumulativo y se le adiciona a las deformaciones.

9. Cul es el procedimiento que se sigue para consolidar una muestra?

Procedimiento para la prueba Rpida.En pruebas de esfuerzo controlado se aplican incrementos de carga a intervalos regulares o despues de que baje la deformacin bajo el incremento anterior. Los incrementos debern aplicarse a un 10% de la resistencia estimada para la muestra. Para deformacin controlada debemos tener una velocidad de 1mm x minuto. Esto es importante para estudios de suelos cohesivos saturados, ya que en estos afecta su resistencia de forma apreciable.

Si la muestra falla o su deformacin axial pasa el 25% o 30%, entonces cesa el proceso de incrementar la carga, se quita la presin de la cmara, se retiran las pesas de la mnsula y se quita el extensmetro.

Procedimiento de la prueba Rpida-Consolidada.

Etapas de consolidacin. Las lecturas iniciales durante esta primera etapa necesitan dos operarios; uno para leer el extensmetro y registrar los datos y el otro para leer las variaciones de nivel en la bureta. Por lo dems, las manipulaciones debern ajustarse a lo que sigue: En un cierto tiempo registrado, se abre la vlvula de la bureta por completo. Se toman lecturas simultneas del extensmetro y la bureta, en tiempos de 15 seg, 30 seg, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4h, etc., despus de haberse iniciado el proceso de consolidacin, por abrirse la vlvula A. Trcese grficas semilogartmicas de lecturas del extensmetro y de la bureta contra los tiempos transcurridos (escala logartmica), simultneamente al proceso de consolidacin. Al llegar al 100% de consolidacin primaria, lo cual se nota por definirse tramos rectos en las curvas de consolidacin, pero en ningn caso antes de 24 h, se cierra la vlvula A. Etapa de Carga axial y falla.

Se seguir el mismo procedimiento descrito para la prueba rpida.

Procedimiento de la prueba lenta.

Etapa de consolidacin. El procedimiento es el mismo de la prueba rpida consolidada. Etapa de carga axial y falla. La carga axial se aplica en incrementos, permitiendo completo drenaje de la muestra en todo momento. La velocidad de aplicacin de las cargas y la magnitud de los incrementos aplicados varan a lo largo de la prueba, sin que pueda establecerse una secuela definida. Los incrementos de carga iniciales pueden ser grandes, posiblemente de un cuarto de la carga de falla prevista, dejando aplicado cada uno hasta obtener, por lo menos, un 75% de consolidacin primaria. Despus los incrementos deben ser de mucha menor magnitud y debe dejarse que cada uno obre durante 24 h por lo menos. Al principio no se requiere obtener curvas de consolidacin ms que para verificar el haber alcanzado la consolidacin primaria deseada, a menos que exista una razn especial para trazarlas. No obstante, al final de la prueba s es preciso disponer de frecuentes lecturas del extensmetro y la bureta, para poder calcular el rea corregida de la seccin transversal de la muestra. Deben tenerse registros frecuentes de la presin imperante en la cmara y de la temperatura del cuarto.

10. Con los datos proporcionados dibujar las siguientes curvas:

Deformacin vs Esfuerzo de CompresinDeformacin(%)Esfuerzo desviador

Q=1kg/cm2Q=2kg/cm2Q=4kg/cm2

0.00000

0.050.370.350.75

0.100.550.511.01

0.200.730.861.52

0.351.031.232.09

0.501.31.522.46

0.751.611.982.99

1.001.872.383.37

1.252.052.683.72

1.502.222.863.96

1.752.332.994.11

2.002.383.14.25

2.502.423.214.44

3.002.463.234.62

3.502.463.264.73

4.002.493.284.8

4.502.493.284.84

5.002.513.284.88

6.002.493.284.93

7.002.513.264.93

8.002.513.264.91

9.002.533.234.93

10.002.553.234.88

11.002.573.214.86

12.002.553.214.84

Deformacin vs Presin de porosDeformacinPresin de Poros

(%)Q=1kg/cm2Q=2kg/cm2Q=4kg/cm2

0.00000

0.050.010.010.01

0.100.020.020.02

0.200.040.060.05

0.350.080.10.09

0.500.110.140.13

0.750.150.210.21

1.000.180.280.3

1.250.20.340.39

1.500.220.380.47

1.750.230.420.54

2.000.220.460.62

2.500.210.520.75

3.000.20.541.09

3.500.170.571.13

4.000.160.581.14

4.500.130.61.26

5.000.120.611.35

6.000.090.621.48

7.000.080.621.59

8.000.070.621.66

9.000.060.611.71

10.000.040.61.75

11.000.030.61.78

12.000.020.591.8

Envolvente de falla y hallar los valores del ngulo de friccin y la cohesin, tanto en condiciones drenadas (esfuerzos efectivos) como saturadas (esfuerzos totales). Trayectoria de esfuerzos en el plano p-q

11. En qu tipos de suelos se debe usar un ensayo tipo CU? Este ensayo se usa para determinar el parmetro de resistencia no drenado cu y es adecuado para arcillas saturadas. En condiciones no drenadas, los suelos saturados presentan un esfuerzo de corte crtico que tiende a mantenerse constante para cualquier valor del esfuerzo normal. Un aumento en el esfuerzo axial ocasiona un aumento semejante en la presin de poros, por lo tanto el esfuerzo efectivo normal permanece constante.Qu influencia tiene el contenido de humedad en los valores que se obtienen? En una serie de ensayos no drenados efectuados bajo esfuerzos desviadores diferentes en probetas saturadas con el mismo suelo, los crculos de esfuerzos de Mohr para la combinacin de esfuerzos de falla describirn la envolvente de falla no drenada como se muestra en la Figura La interseccin de la envolvente con el eje de corte define el valor de la cohesin no drenada del suelo (cu). Este parmetro 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 slo para una masa de suelo sin drenado y segundo que el valor solo corresponde para un determinado contenido de humedad y volumen especfico, por lo que se obtendr un valor distinto para un diferente contenido de humedad y volumen especfico.

En la figura se muestra la forma tpica de la envolvente de falla.Para poder dibujar el crculo de Mohr de esfuerzos es indispensable determinar los esfuerzos principales s1 y s3. Durante el ensayo triaxial (UU), se recolectan peridicamente valores de los deformmetros que controlan el anillo de carga y la deformacin de la probeta (DL). La deformacin vertical e, es calculada con la siguiente expresin:

Donde:e = Deformacin vertical del espcimen de suelo.L = Deformacin del espcimen registrado por el deformmetro.L0 = Longitud inicial del espcimen de suelo.

12. En qu tipos de suelos se debe usar un ensayo tipo CU? Qu influencia tiene el contenido de humedad en los valores que se obtienen? Cules son las formas tpicas de las envolventes de falla?

-En los casos en que las muestras son de caractersticas arcillosas y se encuentran saturadas, al aplicar la tensin de confinamiento toda sta presin la toma el agua de la muestra ya que la misma no tiene la posibilidad de drenar agua de su interior ni de cambiar de volumen. -Por lo tanto la estructura slida no modifica su estado tensional al nivel de las presiones efectivas y los parmetros de corte en rotura son los mismos que los de una compresin simple.

En resumen, en estos casos, los parmetros de corte no aumentan con los distintos valores de 3 que le damos a la cmara triaxial y el valor de (13) se mantiene constante con lo que los dimetros de los crculos son todos iguales y por lo tanto u = 0

En los suelos con humedad elevada, pero que no alcanzan el 100% de saturacin. Por efecto de la presin de confinamiento, la probeta se achica a costa de la compresin de las burbujas de aire y para un cierto valor de 3 se llega al 100 % de la saturacin, con lo cul el ngulo de friccin interna se reduce a u = 0 para valores elevados de 3.

13. En qu tipos de suelos se debe usar un ensayo tipo CD? Qu influencia tiene el contenido de humedad en los valores que se obtienen? Cules son las formas tpicas de las envolventes de falla?

Luego de haber ensayado tres o ms probetas en las mismas condiciones cada una con una tensin confinante distinta podremos representar los crculos mximos de Mohr en trminos de presiones efectivas y obtener as los parmetros de corte c y efectivos.

14. Cul es el riesgo de usar ensayos tipo UU en arcillas sobreconsolidadas? Explique el por qu. Existen algunas excepciones a esta regla y que son las arcillas pre consolidadas fisuradas y los suelos de grano grueso fuertemente dilatantes. En el caso de las arcillas preconsolidadas fisuradas, cuando son extradas sufren una descompresin que hacen que sus grietas se abran e ingrese aire a las mismas. Cuando en la primera etapa del ensayo aplicamos la tensin confinante 3 las burbujas de aire se comprimen y permiten que se produzca un incremento de la tensin efectiva en la probeta.

Analizando el fenmeno de la dilatancia en los suelos granulares, se ha observado que las arenas densas, bajo una solicitacin de corte aumentan de volumen mientras que las arenas sueltas disminuyen de volumen, o lo mantienen constante.

15. Conclusiones y/o recomendaciones.La investigacin de suelos es la base para un buen diseo de una obra civil. Cuando se envan muestras de un suelo a un laboratorio para ser ensayadas, dichos resultados son a su vez la base para el anlisis y toma de decisiones. Sin embargo, dichos resultados de laboratorio son tiles y contribuyen a decisiones acertadas slo si reflejan las condiciones que representan adecuadamente la superficie de suelo que se requiere intervenir. Ahora, por su parte los resultados emitidos por un laboratorio tienen que arrojar resultados confiables, producto de la ejecucin de ensayos debidamente normados y con los equipos adecuados. Antes de la realizacin de los ensayos triaxiales, es importante tener en consideracin algunos aspectos importantes como paso fundamental, tener las tuberas que conducen el agua a cada uno de los diferentes componentes (equipos de cambio de volumen, blader de presin y contrapresin, etc.) debidamente purgados, es decir, que se hayan evacuado todas las burbujas de aire, dentro del sistema, para que no se generen vacos que afecten tanto la muestra como que se generen lecturas de los instrumentos errneas. Incluso para algunos instrumentos es conveniente la aplicacin de presiones iniciales para as ayudar a eliminar la presencia de burbujas. Es necesario asegurarse que los instrumentos de medicin se encuentren debidamente ubicados en el respectivo Datalog, as como en su respectivo canal. Verificar que las unidades de medicin sean las correctas y que la ecuacin de ajuste sea la correspondiente. Si la prueba lo amerita, se requerir como etapa inicial, la verificacin de la saturacin del espcimen. Es importante entonces tener presente las presiones aplicadas, tanto la presin como la contrapresin, parmetros que se ven reflejados directamente en la presin de poros de la muestra, esto para no incurrir en errores en el clculo del parmetro B de Skempton. Es conveniente considerar y valorar la opcin de la saturacin de los especmenes en pruebas como las no consolidadas no drenadas, especialmente si se est al frente de suelos tropicales

Referencias

1. American Society for Testing and Materials, ASTM D - 1586 -08a, Standard Test Method for Standard Penetration Test (SPT) and Split-Barrel Sampling of Soils, EEUU. 2. American Society for Testing and Materials, ASTM D - 2166 -06, Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soils, EEUU. 3. American Society for Testing and Materials, ASTM D - 2850 -03a(2007), Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils, EEUU. 4. American Society for Testing and Materials, ASTM D 3080- 04, Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions, EEUU.