En este artículo, exploraremos todos los aspectos de los ensayos triaxiales, incluyendo:

• Definir qué es el ensayo triaxial
• Resumir por qué debe realizar estos ensayos
• Explicar los diferentes tipos de ensayos triaxiales y métodos
• Repasar los procedimientos de ensayo típicos
• Explorar los detalles de los principales componentes necesarios
• Repasar las configuraciones típicas disponibles

¿Qué es un ensayo triaxial?

Un ensayo triaxial de corte es un método común para medir las propiedades mecánicas de muchos sólidos deformables, especialmente el suelo (por ejemplo, arena, arcilla) y la roca, y otros materiales granulares o polvos. ^{So Fuente urce}

Los ensayos triaxiales típicos consisten en confinar una muestra de suelo cilíndrica sellada, con una relación altura-diámetro de 2:1, en una célula presurizada para simular unas condiciones de tensión definidas. A continuación, la muestra se somete a un esfuerzo de corte hasta el fallo, lo que permite determinar sus propiedades de resistencia al corte. Por lo general, la muestra se satura primero, luego se consolida y finalmente se somete a carga, sobre todo en condiciones de compresión.

Sin embargo, también se pueden realizar otras pruebas con el equipo adecuado. Por ejemplo, la utilización de una tapa superior con un accesorio de vacío (necesario para crear una conexión rígida entre el marco de carga, la célula de carga y la probeta) permite realizar ensayos triaxiales en condiciones de extensión, trayectoria de tensión o ensayos K0. Los ensayos deben realizarse sobre muestras inalteradas, remoldeadas o compactadas que se someten a diferentes condiciones de tensión y drenaje (véase la figura 1 y 2, a continuación) con el fin de simular las tensiones in situ. Los tamaños de las muestras pueden oscilar entre 38 mm y 100 mm, aunque pueden utilizarse muestras considerablemente mayores, siempre que se emplee el equipo adecuado.

Figura 1 - Condición de tensión en un ensayo triaxial estándar.

Figura 2 - Tensión total/efectiva

σ1 or σV = Tensión axial / vertical
σ3 or σh = Presión de confinamiento / Tensión horizontal
u = Presión de poros (PWP)

¿Por qué utilizar el ensayo triaxial?

El ensayo triaxial es uno de los más versátiles, completos y ampliamente realizados en ingeniería geotécnica. La tabla 1, a continuación, enumera los problemas de ingeniería más comunes que los ensayos triaxiales pueden evaluar.

Ejemplo de diferentes condiciones de tensión inducidas por cimentaciones poco profundas.

Ejemplo de diferentes condiciones de tensión inducidas por una combinación de cimentaciones poco profundas y excavación.

Algunos otros ensayos son más fáciles de realizar, como el ensayo de corte directo estándar, pero estos ensayos no son tan completos ya que no permiten controlar el drenaje de la muestra ni tomar medidas de presión de poros. Además, un ensayo triaxial ayuda a calcular parámetros importantes del suelo, como la cohesión (c’), el ángulo de fricción interno (φ’) y la resistencia al corte que debe determinarse. El ensayo triaxial también puede utilizarse para determinar otras variables como la rigidez al corte G, y la permeabilidad k.

Tipos de ensayos triaxiales

Existen tres ensayos triaxiales fundamentales que pueden realizarse en el laboratorio, cada uno de los cuales permite observar la respuesta del suelo para diferentes aplicaciones de ingeniería:

• Ensayo no consolidado no drenado (UU), también llamado triaxial rápido
• Ensayo consolidado no drenado (CU)
• Ensayo de drenaje consolidado (CD)

Los ensayos triaxiales UU se denominan también ensayos de tensión total y los ensayos triaxiales CU/CD se denominan también ensayos de tensión efectiva. Es habitual que los ensayos triaxiales UU se utilicen para problemas de ingeniería a corto plazo y los triaxiales CU y CD para evaluar problemas de ingeniería a largo plazo.

Ensayo no consolidado no drenado (UU)

Con este método, la resistencia al corte se mide en términos de tensión total. No se permite que la muestra de suelo se consolide y debe mantener su estructura original y su contenido de agua, por lo que su resistencia a la compresión depende del nivel de tensión geoestática en el campo.

Los ensayos se suelen realizar con tres probetas obtenidas de la misma muestra, cada una de ellas sometida a una presión de confinamiento diferente. Siempre que el suelo esté totalmente saturado, la resistencia al corte será la misma para cada prueba y se conoce como "resistencia al corte no drenada". Con un sistema triaxial también se puede realizar un ensayo adicional llamado Resistencia a la compresión no confinada (UCS), simplemente fijando la presión de confinamiento en cero.

Consolidado no drenado (CU)

En este caso, la resistencia al corte se mide en términos de tensión efectiva. La muestra se satura y se deja consolidar ) a la presión de confinamiento requerida. Una vez consolidada, la muestra se somete a una aplicación controlada de la carga, durante la cual no se permite el drenaje para poder medir la presión de los poros.

Dado que la resistencia al corte se ve afectada por las tensiones efectivas, al ensayar un conjunto de tres probetas a diferentes presiones de confinamiento, es posible definir la envolvente de rotura según el modelo de Coulomb y definir los parámetros c’ and φ’, así como evaluar la resistencia al corte no drenada.

Drenado consolidado (CD)

Con este método, la resistencia al corte se mide en términos de tensión efectiva. La probeta se satura y se deja consolidar a la presión de confinamiento requerida. Una vez consolidada, la probeta se somete a una aplicación de carga controlada, durante la cual se permite que la humedad drene sin posibilidad de que se acumule presión de poros.

Dado que la resistencia al corte se ve afectada por las tensiones efectivas, al ensayar un conjunto de tres probetas a diferentes presiones de confinamiento, es posible definir la envolvente de rotura según el modelo de Coulomb y definir los parámetros c’ and φ’.

Los ensayos triaxiales UU son rápidos, ya que se realizan en menos de 30 minutos, y normalmente no pasan por una etapa de saturación o consolidación, ya que el ensayo sólo consiste en una etapa de corte. En cambio, los ensayos triaxiales CU y CD suelen comenzar durante la etapa de saturación, que luego da paso a una etapa de consolidación. Los ensayos triaxiales CU y CD también tardan mucho más en realizarse, a veces varios días, semanas o incluso meses antes de llegar a su fin. El ensayo triaxial CD suele ser el más largo, ya que durante la fase de corte no se permite que se acumule la presión de los poros, lo que da lugar a tasas de deformación muy bajas. Los ensayos triaxiales CU son más rápidos, ya que se permite que la presión del agua de los poros (PWP) aumente y el exceso de PWP se mide durante la etapa de corte.

Etapas típicas del ensayo

Antes del ensayo: preparación de la probeta y del sistema
La muestra de ensayo debe obtenerse de una muestra de suelo antes de colocarla en la célula triaxial. En el caso de los suelos cohesivos, esto puede implicar el recorte de las probetas inalteradas extraídas de los tubos de Shelby o cortadas de las muestras en bloque. Sin embargo, para los suelos granulares tendrá que preparar la muestra directamente en el pedestal utilizando un molde de sección dividida. A continuación se muestra un ejemplo de molde y moldeador:

Molde bipartido con accesorio de vacío para la preparación de muestras remoldeadas
Estos moldes se utilizan para la preparación de probetas no cohesivas por compactación o vibración, como se requiere para el ensayo triaxial. El molde debe colocarse directamente en el pedestal de la célula triaxial. Para que la membrana se adhiera a la pared interior del molde, se aplica un vacío para obtener el diámetro correcto de la probeta remoldeada.

Muestreador manual con cortador, plataforma móvil y receptor
Se utiliza para la preparación de probetas inalteradas de muestras cohesivas para ensayos triaxiales.

Molde bipartido
Se utiliza para recortar los extremos de las probetas inalteradas. Una vez terminada la preparación de las probetas, estamos listos para realizar el ensayo triaxial, que consta de tres etapas principales:

Etapa 1 - Saturación

El proceso de saturación garantiza que todos los huecos dentro de la probeta se llenen de agua y que el transductor de presión de poros y los conductos de drenaje estén correctamente desaireados. El método de saturación más común consiste en aplicar un aumento incremental de la presión de la celda y de la contrapresión en la probeta. Este proceso eleva gradualmente la presión de la celda y la contrapresión, lo que disuelve el aire que pueda estar presente en la muestra.

Durante este proceso, se calcula el coeficiente de presión de poros B para determinar el grado de saturación. Estos pasos se repiten hasta que la muestra está saturada. La mayoría de las normas establecen que un valor B superior a 0,95 indica que la muestra está suficientemente saturada. El valor B se calcula como una relación entre ∆u = Cambio en la presión de poros y ∆σ3 = Cambio en la presión de confinamiento; B= ∆u/∆σ3

Etapa 2 - Consolidación

Después de la saturación, la probeta se consolida normalmente hasta una condición de tensión representativa de su condición in situ. La consolidación es normalmente isotrópica - las tensiones aplicadas vertical y horizontalmente a la muestra son las mismas (σ3 = σ1). Sin embargo, la consolidación también puede ser anisotrópica cuando σ3 ≠ σ1. En este caso, los ensayos se suelen abreviar como CIU (Consolidated Isotropic Undrained) o CAU (Consolidated Anisotropic Undrained). La consolidación de la muestra se realiza normalmente aumentando la presión de la celda mientras se mantiene una contrapresión constante (a menudo igual a la presión de poros alcanzada durante la comprobación B de saturación final).

Una vez iniciado el proceso de consolidación , el exceso de presión de poros en la muestra comenzará a disiparse a medida que el proceso de consolidación drena el agua de la muestra, disminuyendo su volumen. Este proceso continúa hasta que el cambio de volumen ΔV de la muestra deja de ser significativo, y al menos el 95% del exceso de presión de poros se ha disipado. Al final de la etapa de consolidación, también se calcula una tasa de deformación adecuada para el corte de las muestras. Para más información, lea el artículo de nuestro blog dedicado a los ensayos de consolidación. .


 

Etapa 3 - Corte

También llamada etapa de rotura o de compresión, el ensayo de corte consiste en cortar la probeta aumentando gradualmente la fuerza axial (σ1) (con una tasa de deformación axial constante), manteniendo la presión de confinamiento (σ3), hasta que la muestra falle (el fallo suele producirse en el 20% de la deformación axial). Dependiendo de las cuestiones de ingeniería que deban simularse durante la etapa de corte, las condiciones de drenaje aplicadas a la muestra determinarán si se debe realizar un ensayo drenado o no drenado.

En un ensayo no drenado, no se permite que la probeta drene - su volumen no cambiará durante esta etapa pero sí su forma, lo que dará lugar a un desarrollo de la presión de poros que se medirá. Si se permite el drenaje, el agua saldrá de la probeta durante la fase de corte, lo que permitirá que el volumen y la forma de la muestra cambien mientras se evita que cambie la presión de poros.

Además de determinar la resistencia al corte, también pueden determinarse los valores de cohesión (c') y phi (φ') mediante los gráficos del círculo de Mohr y de la trayectoria del tensión. Al final del corte, será necesario desmontar el sistema y llevar a cabo las mediciones posteriores a la prueba del espécimen, como el contenido de humedad final.

Componentes principales de un sistema triaxial

Para realizar un ensayo triaxial, el sistema requiere una serie de componentes:

1.  Marco de carga : El marco de carga aplica la deformación axial a una muestra y puede compartirse con más de una célula triaxial. En esta configuración, las etapas de saturación y consolidación pueden realizarse al mismo tiempo y la etapa de corte puede ejecutarse una por vez bajo el marco de carga (por ejemplo, la configuración con un marco y tres celdas triaxiales). Cuando el número de marcos es igual al número de celdas triaxiales, los marcos de carga pueden considerarse como marcos de carga dedicados mediante los cuales se pueden realizar ensayos avanzados adicionales, como el Stress Path y el ensayo K0.

2.  Célula triaxial y accesorios para células triaxiales :  Las celdas triaxiales están disponibles para varios tamaños de muestra y rangos de presión. La célula alberga la muestra triaxial y está presurizada en todo momento durante todas las etapas del ensayo. La muestra se sella dentro de una membrana de goma y luego se rodea de agua para crear una presión que luego se utiliza para aplicar una tensión a la muestra (σ3).

Si es necesario, se puede añadir una contrapresión para saturar la muestra. Durante la etapa de corte, la fuerza axial sobre la muestra aumenta y es medida por la célula de carga, así como la deformación medida por el transductor de desplazamiento, y la presión de poros en la muestra puede ser medida, si se requiere. El cambio de volumen de la muestra se mide desde la línea de contrapresión utilizando una unidad de cambio de volumen o un controlador de presión/volumen.

3. Sistema de presión : Existen tres tipos de sistemas para aplicar la presión de la célula y la contrapresión dentro de un sistema triaxial: :

Interfaz aire/agua - que comprende:

• Un panel de distribución - diseñado para distribuir correctamente el agua desaireada a los distintos equipos que forman el sistema triaxial. Se suministra con un regulador de presión para cada una de las líneas de presión (normalmente dos), y también permite al técnico ajustar la presión procedente del compresor de aire mediante un manómetro.
• Cilindro de membrana: proporciona una interfaz entre el aire comprimido y el agua en el sistema triaxial. Está equipada con una vejiga de goma que transforma la presión del aire en la presión del agua utilizada en la célula y en la contrapresión necesaria para el ensayo triaxial.
• Compresor de aire: se utiliza para generar aire comprimido.

Volumen/regulador de presión:

Funciona aplicando presión a los cilindros de agua y generando la presión de la célula y la contrapresión necesarias sin necesidad de aire comprimido. Un motor paso a paso acciona la unidad permitiéndole medir el cambio de volumen a lo largo de todas las etapas del ensayo triaxial. Para facilitar la correcta distribución del agua a todo el equipo antes de iniciar el ensayo, se recomienda añadir un panel de distribución.

Interfaz aceite/agua:

Este aparato se utiliza normalmente para generar presión de confinamiento (presión de la celda) en un ensayo UU en el que no se requiere contrapresión ni medidas de cambio de volumen. Proporciona una presión de agua constante mediante el uso de un sistema de presión de peso muerto con resorte ajustable conectado en línea con una bomba y un recipiente de aceite/agua.

Dispositivos de medición analógicos  o  Dispositivos de medición electrónicos   Se puede utilizar una serie de sensores que controlan las diferentes variables que intervienen en las pruebas:

• Sensores de carga: miden la variación de la carga axial aplicada a la probeta durante la fase de corte. Puede ser un anillo de carga o una célula de carga externa o sumergible.
• Sensores de desplazamiento - miden el cambio de altura de la probeta (y por tanto la deformación axial εa). Puede ser un reloj de comparación mecánico, un reloj de comparación digital o transductores potenciométricos.
• Sensores de cambio de volumen: se utilizan en los ensayos de CU y CD para medir el volumen de agua que entra o sale de la probeta, así como el cambio de volumen de la probeta durante el ensayo. Puede tratarse de una bureta o de un dispositivo automático de cambio de volumen. Cuando se utiliza con un controlador de presión/volumen, el volumen también puede medirse con este tipo de sensor.
• Presión de poros: se utiliza en los ensayos de CU y CD para medir el cambio en la presión de poros dentro de la probeta. Puede ser un manómetro de presión o un transductor de presión de poros.

4. Adquisición de datos : Un sistema de adquisición de datos convierte las lecturas analógicas obtenidas de la célula de carga, la presión de poros y los transductores de desplazamiento axial en datos digitales que luego se almacenan. Puede estar integrado en el sistema triaxial estándar o suministrarse como unidad externa. Cuando se utiliza con un sistema automático, la adquisición de datos también puede gestionar y controlar todos los dispositivos necesarios para los ensayos triaxiales con un PC y un software dedicado.

5.  Sistema de desaireación: : Elimina el aire disuelto del agua, necesario para las pruebas de CU/CD.

6. Procesamiento de datos y elaboración de informes: Las principales normas internacionales exigen que se procesen los datos para elaborar informes de ensayo específicos.

Configuración de los ensayos triaxiales

Los sistemas triaxiales con mediciones analógicas son la solución básica ideal para realizar ensayos triaxiales estándar, como la tensión efectiva y total, para los laboratorios que no requieren mediciones digitales. Toda la adquisición de datos y la gestión de los ensayos se realiza en modo manual.

Los sistemas triaxiales con adquisición de datos automática incorporada son la solución compacta más sencilla para realizar ensayos triaxiales estándar (tensión efectiva y total). Pueden equiparse con un sistema de presión de interfaz aire/agua estándar o con controladores automáticos de presión/volumen. No se requiere una adquisición de datos externa y/o un PC.

Los sistemas triaxiales con adquisición automática de datos externos son una solución compacta ampliable para ensayos triaxiales estándar (tensión efectiva y total) y para muchos otros ensayos de suelos. Puede equiparse con un sistema de presión de interfaz aire/agua estándar o con controladores automáticos de presión/volumen. La adquisición de datos puede ser compartida con otros equipos de ensayos de suelos (como para la consolidación y el corte directo) adquisición y/o PC.

Sistema triaxial totalmente automático controlado por PC AUTOTRIAX EmS2: el avanzado sistema de ensayos triaxiales que puede ejecutar automática y simultáneamente hasta 6 ensayos independientes sin ninguna intervención humana.

All-in-one fully automatic Triaxial testing system – AUTOTRIAXQube : all-in-one automatic triaxial testing system integrating the many components of triaxial testing into one, single compact system.

Lea también nuestro artículo que desvela las 10 razones por las que debería realizar ensayos triaxiales en modo automático en nuestro blog. in our blog.