Una prueba de corte triaxial es un método común para medir las propiedades mecánicas de muchos sólidos deformables, especialmente suelo (p. ej., arena , arcilla ) y roca , y otros materiales granulares o polvos . Hay varias variaciones de la prueba. [1] [2] [3] [4]
En una prueba 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 generalmente se logra 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. (Los aparatos de prueba que permiten la aplicación de diferentes niveles de tensión en cada una de las tres direcciones ortogonales se analizan a continuación, en "Prueba triaxial verdadera".)
La aplicación de diferentes tensiones de compresión en el aparato de prueba provoca que se desarrolle una tensión de corte en la muestra; las cargas se pueden aumentar y las deflexiones se pueden controlar hasta que falle la muestra. Durante la prueba, el fluido circundante se presuriza y la tensión sobre las placas aumenta hasta que el material del cilindro falla y forma regiones deslizantes dentro de sí mismo, conocidas como bandas de corte . La geometría del corte en una prueba triaxial generalmente hace que la muestra se acorte mientras se abulta a lo largo de los lados. Luego se reduce la tensión sobre la platina y la presión del agua empuja los lados hacia adentro, lo que hace que la muestra vuelva a crecer. Este ciclo generalmente se repite varias veces mientras se recopilan datos de tensión y deformación sobre la muestra. Durante la prueba, las presiones de poro de los fluidos (por ejemplo, agua, petróleo) o gases en la muestra se pueden medir usando el aparato de presión de poro de Bishop.
A partir de los datos de la prueba triaxial, es posible extraer parámetros fundamentales del material sobre la muestra, incluido su ángulo de resistencia al corte, cohesión aparente y ángulo de dilatación. Estos parámetros luego se utilizan en modelos informáticos para predecir cómo se comportará el material en una aplicación de ingeniería a mayor escala. Un ejemplo sería predecir la estabilidad del suelo en una pendiente, si la pendiente colapsará o si el suelo soportará los esfuerzos cortantes de la pendiente y permanecerá en su lugar. Las pruebas triaxiales se utilizan junto con otras pruebas para realizar dichas predicciones de ingeniería.
Durante el corte, un material granular normalmente tendrá una ganancia o pérdida neta de volumen. Si originalmente había estado en un estado denso, normalmente gana volumen, una característica conocida como dilatancia de Reynolds . Si originalmente estaba en un estado muy flojo, entonces puede ocurrir una contracción antes de que comience el corte o junto con el corte.
A veces, la prueba de muestras cohesivas se realiza sin presión de confinamiento, en una prueba de compresión no confinada. Esto requiere aparatos y preparación de muestras mucho más simples y menos costosos, aunque la aplicabilidad se limita a muestras cuyos lados no se desmoronan cuando se exponen, y el hecho de que la tensión de confinamiento sea menor que la tensión in situ da resultados que pueden ser demasiado conservadores. La prueba de compresión realizada para pruebas de resistencia del concreto es esencialmente la misma prueba, en aparatos diseñados para muestras más grandes y cargas más altas típicas de las pruebas de concreto.
Para muestras de suelo, la muestra está contenida en una funda cilíndrica de látex con una placa o platina de metal circular y plana que cierra los extremos superior e inferior. Este cilindro se coloca en un baño de fluido hidráulico para proporcionar presión a lo largo de los lados del cilindro. Luego, la placa superior se puede mover mecánicamente hacia arriba o hacia abajo a lo largo del eje del cilindro para exprimir el material. La distancia que recorre el plato superior se mide en función de la fuerza necesaria para moverlo, ya que se controla cuidadosamente la presión del agua circundante. El cambio neto en el volumen del material también se puede medir por la cantidad de agua que entra o sale del baño circundante, pero normalmente se mide (cuando la muestra está saturada con agua) midiendo la cantidad de agua que fluye dentro o fuera del baño. los poros de la muestra.
Para ensayos de rocas de alta resistencia, la funda puede ser una lámina metálica delgada en lugar de látex. Las pruebas triaxiales en roca fuerte rara vez se realizan porque las altas fuerzas y presiones requeridas para romper una muestra de roca requieren equipos de prueba costosos y engorrosos.
La tensión efectiva sobre la muestra se puede medir usando una superficie porosa en un plato y midiendo la presión del fluido (generalmente agua) durante la prueba, luego calculando la tensión efectiva a partir de la tensión total y la presión de poro .
La prueba triaxial se puede utilizar para determinar la resistencia al corte de una discontinuidad . Una muestra homogénea e isotrópica falla debido a tensiones cortantes en la muestra. Si una muestra con una discontinuidad está orientada de manera que la discontinuidad sea aproximadamente paralela al plano en el que se desarrollará el esfuerzo cortante máximo durante la prueba, la muestra fallará debido al desplazamiento cortante a lo largo de la discontinuidad y, por lo tanto, la resistencia al corte de una se puede calcular la discontinuidad. [5]
Existen varias variaciones de la prueba triaxial:
En una prueba de " drenaje consolidado ", la muestra se consolida y se corta en compresión lentamente para permitir que se disipe la presión de los poros acumulada por el corte. La velocidad de deformación axial se mantiene constante, es decir, se controla la deformación. La idea es que la prueba permita que la muestra y las presiones de poro se consoliden completamente (es decir, se ajusten ) a las tensiones circundantes. La prueba puede llevar mucho tiempo para permitir que la muestra se ajuste; en particular, las muestras de baja permeabilidad necesitan mucho tiempo para drenar y ajustar la deformación a los niveles de tensión.
En una prueba 'consolidada no drenada' no se permite que la muestra se drene. Las características de corte se miden en condiciones sin drenaje y se supone que la muestra está completamente saturada. La medición de las presiones de poro en la muestra (a veces llamada CUpp) permite aproximar la resistencia consolidada-drenada. La velocidad de corte a menudo se calcula en función de la tasa de consolidación bajo una presión de confinamiento específica (mientras está saturado). Las presiones de confinamiento pueden variar desde 1 psi hasta 100 psi o más, y a veces requieren celdas de carga especiales capaces de manejar presiones más altas.
En una prueba " no consolidada y sin drenaje", las cargas se aplican rápidamente y no se permite que la muestra se consolide durante la prueba. La muestra se comprime a un ritmo constante ( controlado por deformación ).
Se han desarrollado sistemas de prueba triaxiales para permitir el control independiente de la tensión en tres direcciones perpendiculares. Esto permite la investigación de trayectorias de tensiones que no pueden generarse en máquinas de ensayo triaxiales axisimétricas, lo que puede ser útil en estudios de arenas cementadas y suelos anisotrópicos. La celda de prueba es cúbica y hay seis placas separadas que aplican presión a la muestra, con LVDT que leen el movimiento de cada placa. [6] La presión en la tercera dirección se puede aplicar utilizando presión hidrostática en la cámara de prueba, lo que requiere solo 4 conjuntos de aplicación de tensión. El aparato es significativamente más complejo que el de los ensayos triaxiales axisimétricos y, por tanto, se utiliza con menos frecuencia.
Los ensayos triaxiales de construcción clásica han sido criticados por su campo de tensión y deformación no uniforme impuesto dentro de la muestra durante amplitudes de deformación mayores. [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 probar las probetas durante una amplitud de deformación mayor, se fabricaron versiones "nuevas" [8] y "mejoradas" [9] del aparato triaxial. Tanto el triaxial "nuevo" como el "mejorado" siguen el mismo principio: la altura de la muestra se reduce a una altura de diámetro y se cancela la fricción con las placas terminales.
El aparato clásico utiliza placas terminales rugosas: toda la superficie de la cabeza del pistón está formada por un filtro rugoso y poroso. En los aparatos mejorados, las resistentes placas terminales se reemplazan por vidrio liso y pulido, con un pequeño filtro en el centro. Esta configuración permite que una muestra se deslice/expanda horizontalmente mientras se desliza a lo largo del vidrio pulido. Por lo tanto, la zona de contacto entre la muestra y las placas extremas no genera fricción de corte innecesaria y se mantiene un campo de tensión lineal/isotrópico dentro de la muestra.
Debido al campo de tensión extremadamente uniforme y casi isotrópico, se produce una fluencia isotrópica . Durante el rendimiento isotrópico, la tensión volumétrica (dilatación) se distribuye isotópicamente dentro de la muestra, lo que mejora la medición de la respuesta volumétrica durante las pruebas de CD y la presión del agua de los poros durante la carga de CU. Además, la fluencia isotrópica hace 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 durante grandes amplitudes de deformación (Vardoulakis (1980) documentó una amplitud de deformación del 50%, utilizando triaxial "mejorado", sobre arena no saturada). Esto contrasta con la configuración clásica, donde la muestra forma una corneta en el centro, manteniendo un radio constante en el contacto con las placas finales.
LBIbsen ha actualizado el "nuevo" aparato al "triaxial danés". [10] El triaxial danés se puede utilizar para probar todo tipo de suelo. Proporciona mediciones mejoradas de la respuesta volumétrica, ya que durante el rendimiento isotrópico, la tensión volumétrica se distribuye isotópicamente dentro de la muestra. El cambio de volumen isotrópico es especialmente importante para las pruebas de CU, ya que la cavitación del agua de los poros establece el límite de 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 se puede aplicar con gran eficiencia y precisión.
La combinación de alta automatización, durabilidad mejorada de la muestra y compatibilidad con grandes deformaciones amplía el alcance de las pruebas triaxiales. El triaxial danés puede producir muestras de arena CD y CU en plasticidad sin formar una ruptura por corte o abultamiento. Se puede analizar el rendimiento de una muestra varias veces en una secuencia de carga única y continua. Las muestras pueden incluso licuarse hasta alcanzar una gran amplitud de deformación y luego triturarse hasta que falle la CU. Se puede permitir que las pruebas CU pasen al estado CD y se realicen pruebas cíclicas en modo CD para observar la recuperación de rigidez y resistencia posterior a la licuefacción. [12] Esto permite controlar las muestras en un grado muy alto y observar patrones de respuesta de la arena que no son accesibles utilizando los métodos de ensayo triaxiales clásicos.
La lista no está completa; Sólo se incluyen los estándares principales. Para obtener una lista más extensa, consulte los sitios web de ASTM International (EE. UU.), British Standards (Reino Unido), la Organización Internacional de Normalización ( ISO ) u organizaciones locales para conocer las normas.
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