Ensayo triaxial

El ensayo triaxial es uno de los ensayos de laboratorio de mecánica de suelos más caros. La contraprestación es que nos proporcional información muy interesante. El objetivo de esta entrada es sacarle el mayor partido posible.

Todo pasa por realizar las preguntas correctas para elegir el tipo de ensayo triaxial, asegurarnos de tomar los datos relevantes, mostrarlos de manera eficiente y saber interpretar correctamente. En esta entrada vamos a hacer una revisión desde el punto de vista práctico del ensayo triaxial. Si buscáis procedimientos y estándares, este no es lugar. Aquí somos muy pragmáticos y el objetivo es que le saquéis el máximo provecho a los ensayos triaxiales.

Como siempre, os dejo algunos enlaces que sería interesante leer para tener una base:

• Consolidación de suelos. Parámetros de laboratorio.
• Resistencia al corte sin drenaje en arcillas.
• SHANSEP. Método y resistencia al corte.

¿Qué es un ensayo triaxial? ¿En qué consiste? 

Es un ensayo que permite simular diferentes condiciones del suelo para medir y determinar parámetros de:

• Resistencia, tanto totales como efectivos: cohesión, ángulo de rozamiento y resistencia al corte.
• Rigidez: Módulo elástico o de Young, de rigidez y volumétrico.
• Consolidación.
• Permeabilidad.

En la siguiente figura se puede ver el aparato con la muestra y se puede apreciar los elementos que nos van a permitir configurar nuestro ensayo como deseemos.  

Consolidación y drenaje.

La muestra la vamos a poder someter a distintas condiciones de consolidación y drenaje.

Consolidado/no consolidado.

• La muestra se “descomprime” durante el proceso de extracción y preparación de la muestra. El objetivo de consolidar es llevar la muestra a sus condiciones de presión de contorno que tenía en el terreno in situ. En definitiva, el primer paso es que nuestra muestra se parezca lo más posible a la que tenemos en el terreno. Este paso normalmente se realiza.

• Establecer en la muestra las condiciones de presión de contorno que tendrá cuando se ejecute la estructura. Por ejemplo, si vamos a construir un terraplén o una presa, la presión de confinamiento a la que estará sometido el terreno será mayor de las que tenía antes de colocar la estructura. Lo interesante es conocer cómo se va comportar en esas nuevas condiciones.

Para ello, la muestra se envuelve en una membrana. La cámara se llena de líquido, que es el que ejerce una presión radial hasta llegar a la presión requerida.

Esta gráfica muestra un ensayo real en la que se sometió a un proceso de consolidación hasta 2000 kPa (con escalones intermedios a 500 y 1000kPa). En este caso, se deseaba replicar las condiciones que tendrá el terreno en las distintas fases de ejecución de la estructura.

La muestra es capaz de perder volumen porque se permite el drenaje. Se debe realizar a una velocidad baja para que no se generen presiones intersticiales. 

El proceso de consolidación permite que la muestra gane resistencia al corte. Por eso es importante preguntarse si la puesta en carga de la estructura permitirá el drenaje (recuerda, sin drenaje no hay consolidación) y para eso hay que tener en cuenta la velocidad de la construcción, la permeabilidad del suelo, la existencia de capas drenantes, etc. Es decir, la realidad de nuestro proyecto debe ser compatible con la consolidación. 

Drenado/no drenado.

Después del proceso de consolidación, podemos llevar la muestra hasta la rotura en condiciones drenadas o no drenadas.

La muestra cilíndrica se coloca entre dos superficies porosas que permiten que el agua alojada en los poros de la muestra pueda migrar. El aparato triaxial tiene una llave que si está abierta permite realizar el ensayo en condiciones drenadas y si está cerrada en condiciones no drenadas. Además, y esto es un punto importante, cuando la válvula de drenaje está cerrada podemos medir las presiones intersticiales.

Si queremos realizar un ensayo en condiciones drenadas, además de tener la válvula abierta, el ensayo se debe hacer a una velocidad suficientemente lenta que permita el drenaje. Si lo hacemos demasiado rápido, podemos estar falseando el resultado.  

Esta es una gráfica real de un ensayo no drenado (medimos la presión de poro) en la que enfrentamos el exceso de presión de poro vs la deformación axial (ԑ_a = ΔL/L, siendo L la altura original de la muestra) de tres probetas de un mismo suelo con distintas presiones de confinamiento (σ₃).

En sentido estricto, con la válvula cerrada y considerando que la muestra está saturada de agua, y el agua y las partículas del suelo son incomprensible, ԑ_a debería ser cero, pero siempre queda aire ocluido y hay un reajuste de las partículas que permiten el cambio volumétrico, que en cualquier caso, es bajo (<5%). Evidentemente, cuando se llega a la rotura, la deformación se dispara.

Otra observación que ya podemos hacer es que a mayor presión de confinamiento, mayor es la resistencia al corte de la muestra.

Etapa de rotura del ensayo triaxial

Es importante recordar que tanto en la fase de consolidación como de rotura, lo que ejercemos son presiones totales. La diferencia entre la presiones totales y las efectivas es que estas últimas son las que “efectivamente perciben” las partículas del suelo luego de restar las presiones de poro.

La siguiente figura es muy ilustrativa.

Las muestras se llevan hasta la rotura, pero durante todo el proceso de carga (Δq) podremos ir representando los círculos intermedios. Hoy no lo vamos a ver pero es la base de las trayectorias de esfuerzos o diagramas p-q.

Tanto los ensayos drenados como los no drenados nos van a dar los parámetros resistentes en condiciones efectivas, pero como veremos más adelante, siempre nos va a interesar más hacer los ensayos no drenados.

Tipos de ensayo triaxial

Considerando las dos principales opciones que tenemos de configurar el ensayo tendríamos tres tipos:

UU – No consolidado/No drenado

CU – Consolidado/Drenado

CU – Consolidado/No drenado

No consolidado/No drenado

La muestra no se consolida y se lleva a rotura en condiciones no drenadas, además se realiza a una velocidad elevada y sin medida de presiones intersticiales.

En primer lugar, la muestra saturada se somete a una presión de confinamiento sin permitir el drenaje, por lo que no podemos hablar de proceso de consolidación.

A partir de aquí se inicia la etapa de rotura. Como la probeta está saturada de agua, en ausencia de drenaje toda la tensión total isótropa de cámara se transmite al líquido intersticial, y por lo tanto las tensiones efectivas en el suelo no varían. Por ello aunque se lleven a cabo tres ensayos en tres muestras idénticas y se apliquen tres tensiones de cámara distintas, las tensiones efectivas iniciales son las mismas en las tres muestras.

En otras palabras, el círculo de tensiones efectivas será el mismo para las tres probetas aunque la presión de confinamiento sea distinta. ¿Y por qué no la dibujamos? Pues porque en este ensayo no se miden las presiones de poro, y además no tiene sentido físico. En el ensayo UU se trabaja con presiones totales y los resultados se deben analizar en este sentido. Para trabajar con presiones efectivas ya están los ensayos CD y CU.

El parámetro principal que se obtiene de este ensayo es la resistencia al corte sin drenaje (Su), que no es un parámetro intrínseco del terreno ya que depende del estado tensional de la muestra en el terreno. El valor de Su será más o menos fiable y representativo en la medida que la muestra no se haya alterado en el proceso. Como veíamos en este post, la resistencia al corte sin drenaje (Su) aumenta con σ₁ (σ₁= σ_v),que es lo mismo que decir que aumenta con la profundidad.

La utilidad de este ensayo radica en su rapidez y sencillez. Personalmente, no lo recomiendo. No es posible determinar los parámetros efectivos y el resultado no es 100%  representativo de las condiciones insitu del terreno. Es preferible tomar datos de resistencia al corte insitu con el ensayo de vane test (molinete) o de los SCPTu.

Su aplicación puede ser interesante en proyectos en los que asumamos que las cargas se producen lo suficientemente rápido como para que no de tiempo a que consolide ni se disipen la presión de poro inducida.

Consolidado/Drenado

La muestra se somete primero a consolidación permitiendo el drenaje. Cuando esta fase termina se inicia la fase rotura en la que también se permite el drenaje por lo que el esfuerzo desviador (q) se aplica de manera lenta. Durante todo el proceso se mide las deformaciones y la esfuerzos aplicados.

La siguiente figura ilustra el proceso.

Es el estado tensional de presiones efectivas es en el que nos movemos en este ensayo, ya vamos liberando la presión de poro durante todo el proceso (u=0).

La siguiente figura ilustra la representación de los círculos de Mohr luego de la consolidación.

Lo interesante de esta figura:

• Se representan los círculos intermedios hasta que rompe la probeta.
• La cohesión salvo que su origen sea por cementación del suelo, en condiciones drenadas será nula. La cohesión es una propiedad muy relacionada con la presión de poro por lo que debe ser tomada siempre con mucha precaución.
• La línea punteada de la gráfica es el ángulo que forma con la horizontal el plano de rotura de la muestra.
• La información principal que arroja este ensayo en el ángulo de rozamiento efectivo y por supuesto, la envolvente de Mohr que nos da todo el rango de tensiones en el que suelo falla.
• Asumiendo la cohesión nula, podríamos tener la envolvente con un solo ensayo, aunque lo recomendable es hacer al menos dos.
• Al permitir cambios volumétricos nos proporciona información interesante sobre parámetros de rigidez.

Consolidado/No Drenado

La primera etapa es igual al del CD.

En la fase de rotura se cierra la llave de drenaje y se mide la presión de poro intersticial que se genera durante todo el proceso. Al tener la llave de drenaje cerrada, en principio no se van a generar variación volumétrica aunque como comentábamos antes, algún pequeño ajuste se produce, sobre todo al principio del ensayo.

Veamos lo comentado ilustrado en esta figura:

Dilatancia

La gráfica ilustra que, cuando entramos en la fase de rotura el suelo puede comportarse de dos maneras en función de si aumenta o disminuye la presión de poro. A este fenómeno se le llama dilatancia y lo veremos en detalle en otra entrada del blog, pero quedaros con que los suelos pueden ser:

• Contractivos (Δu>0): Tienden a consolidar. Se da en suelos sueltos y arcillas normalmente consolidadas (NC).

• Dilatante (Δu<0): Tienden a dilatar (expandirse). Se da en suelos densos y arcillas sobreconsolidadas (OC).

La ventaja que da este ensayo en condiciones no drenadas es que, aunque de manera directa lo que obtenemos son los parámetros resistentes efectivos, la realidad es que de manera indirecta también tenemos los parámetros resistentes totales ya que medimos las presiones de poro. Lo vemos apoyándonos en esta figura.

El gráfico es bastante elocuente.

Si bien lo que leemos directamente del aparato son valores efectivos (círculo de línea continua) podemos construir el circulo de Mohr en condiciones de tensiones totales.

Por cierto, el gráfico es de un suelo contractivo (Δu<1), pero la construcción sería similar en caso un suelo dilatante (Δu>1).

Por último  mostraros lo que sería una gráfica en la que se enfrenta el esfuerzo desviador (q=σ₁-σ₃) frente a la deformación axial. El gráfico muestra tres probetas sometidas a presiones de confinamiento cada vez mayores. Se aprecia bien que, luego de alcanzar una resistencia pico y fallar, el suelo conserva una resistencia residual. Lo veremos en mayor detalle en el futuro en otro post.

Conclusiones del ensayo triaxial

Aquí lo vamos a dejar. Es sin duda de los artículos más densos y que más me ha costado escribir. Me gusta emplear un lenguaje práctico y fácil de entender, pero a veces esto no es sencillo porque no queda otra de utilizar términos muy técnicos.

Para terminar habría que alertar al lector que antes de encargar ensayos, hay pensar primero si son realmente necesarios y segundo, y más importante, tener claro las condiciones en las que se va a producir la carga del terreno: ¿son condiciones drenadas o no drenadas?, ¿nos interesa conocer las variaciones volumétricas?, ¿usamos resistencia pico o residuales?, etc.

Si habéis comprendido razonablemente lo que hemos explicado, os prometo que os será muy útil. Los ensayos triaxiales proporcionan mucha información y debemos ser capaces de sacarle el mayor provecho.

Nos quedan algunos temas pendientes que veremos en otras entradas:

• Trayectoria de esfuerzos y diagramas p-q
• Dilatancia de suelos.
• Tipos de resistencia al corte sin drenaje: pico, ablandada y residual.

Ya veréis que serán súper interesantes.

Espero sus comentarios que sin duda, enriquecerán el post.

Muchas gracias por vuestro tiempo.