En la ciencia de los materiales , una prueba de corte triaxial 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 . Hay varias variaciones en 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 una manera que da como resultado 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 platinas paralelas que aplican tensión en una dirección (generalmente vertical) y aplicando presión de fluido a la muestra para aplicar tensión en las direcciones perpendiculares. (A continuación se analizan los aparatos de prueba que permiten la aplicación de diferentes niveles de tensión en cada una de las tres direcciones ortogonales).
La aplicación de diferentes tensiones de compresión en el aparato de prueba hace que se desarrolle una tensión de corte en la muestra; las cargas se pueden aumentar y las deflexiones se pueden controlar hasta que la muestra falle. Durante la prueba, el fluido circundante se presuriza y la tensión en las platinas se aumenta hasta que el material en el 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, la tensión en la platina se reduce y la presión del agua empuja los lados hacia adentro, lo que hace que la muestra crezca nuevamente. 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, aceite) o gases en la muestra se pueden medir utilizando el aparato de presión de poro de Bishop.
A partir de los datos de las pruebas triaxiales, es posible extraer parámetros fundamentales del material de la muestra, incluido su ángulo de resistencia al corte, su cohesión aparente y su ángulo de dilatación. Estos parámetros se utilizan luego 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 se derrumbará o si el suelo soportará las tensiones de corte de la pendiente y permanecerá en su lugar. Las pruebas triaxiales se utilizan junto con otras pruebas para realizar este tipo de predicciones de ingeniería.
Durante el cizallamiento, un material granular normalmente tendrá una ganancia o pérdida neta de volumen. Si originalmente estaba en un estado denso, entonces normalmente gana volumen, una característica conocida como dilatación de Reynolds . Si originalmente estaba en un estado muy suelto, entonces puede ocurrir una contracción antes de que comience el cizallamiento o junto con este.
En ocasiones, las pruebas de muestras cohesivas se realizan sin presión de confinamiento, en una prueba de compresión no confinada. Esto requiere un aparato y una preparación de muestras mucho más simples y menos costosos, aunque la aplicabilidad se limita a muestras cuyos lados no se desmoronan al exponerse, y el hecho de que la tensión de confinamiento sea menor que la tensión in situ da como resultado resultados que pueden ser demasiado conservadores. La prueba de compresión realizada para probar la resistencia del hormigón es esencialmente la misma prueba, en un aparato diseñado para muestras más grandes y cargas más altas típicas de las pruebas de hormigón.
En el caso de las muestras de suelo, la muestra se coloca en una funda cilíndrica de látex con una placa o platina metálica plana y circular 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 platina superior se puede impulsar mecánicamente hacia arriba o hacia abajo a lo largo del eje del cilindro para comprimir el material. La distancia que recorre la platina superior se mide en función de la fuerza necesaria para moverla, ya que la presión del agua circundante se controla cuidadosamente. 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 generalmente se mide, cuando la muestra está saturada de agua, midiendo la cantidad de agua que fluye hacia adentro o hacia afuera de los poros de la muestra.
Para probar rocas de alta resistencia, la funda puede ser una lámina fina de metal en lugar de látex. Las pruebas triaxiales en rocas fuertes se realizan con poca frecuencia porque las altas fuerzas y presiones necesarias para romper una muestra de roca requieren equipos de prueba costosos y engorrosos.
La tensión efectiva en la muestra se puede medir utilizando una superficie porosa en una placa 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 poro .
La prueba 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 muestra. 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 la prueba, 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 una discontinuidad. [5]
Existen varias variantes de la prueba triaxial:
En una prueba de " drenaje consolidado ", la muestra se consolida y se corta en compresión lentamente para permitir que las presiones de poro acumuladas por el corte se disipen. La tasa 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 tardar mucho tiempo en 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 sin drenar", no se permite que la muestra se escurra. Las características de corte se miden en condiciones sin drenar y se supone 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 y drenada. La velocidad de corte a menudo se calcula en función de la tasa de consolidación bajo una presión de confinamiento específica (mientras está saturada). 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 ni drenada", las cargas se aplican rápidamente y no se permite que la muestra se consolide durante la prueba. La muestra se comprime a una velocidad constante ( controlada por deformación ).
Se han desarrollado sistemas de prueba triaxial para permitir el control independiente de la tensión en tres direcciones perpendiculares. Esto permite la investigación de trayectorias de tensión que no pueden generarse en máquinas de prueba triaxial 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, requiriendo solo 4 conjuntos de aplicación de tensión. El aparato es significativamente más complejo que para pruebas triaxiales axisimétricas y, por lo tanto, se usa con menos frecuencia.
Las pruebas triaxiales de construcción clásica han sido criticadas 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 de extremo rugosas y la altura de la muestra.
Para probar las muestras durante una amplitud de deformación mayor, se fabricaron versiones "nuevas" [8] y "mejoradas" [9] del aparato triaxial. Tanto el "nuevo" como el "mejorado" triaxial siguen el mismo principio: la altura de la muestra se reduce a una altura de diámetro y se cancela la fricción con las placas de los extremos.
El aparato clásico utiliza placas de extremo rugosas: toda la superficie del cabezal del pistón está formada por un filtro rugoso y poroso. En los aparatos mejorados, las placas de extremo resistentes se reemplazan por vidrio pulido liso, 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. De este modo, la zona de contacto entre la muestra y las placas de extremo no acumula una fricción de corte innecesaria y se mantiene un campo de tensión lineal / isotrópico dentro de la muestra.
Debido a un campo de tensión extremadamente uniforme y casi isotrópico, se produce una 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 las pruebas de CD y la presión de agua intersticial durante la carga de CU. Además, la fluencia isotrópica hace que la muestra se expanda radialmente de manera uniforme, ya 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 un método triaxial "mejorado" sobre arena no saturada). Esto contrasta con la configuración clásica, donde la muestra forma una corneta en el centro, mientras mantiene un radio constante en el contacto con las placas de los extremos.
El "nuevo" aparato ha sido actualizado al "triaxial danés" por LBIbsen. [10] El triaxial danés se puede utilizar para probar 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 las pruebas de fluencia, ya que la cavitación del agua intersticial establece el límite de la resistencia de la arena no drenada. [11] La precisión de la medición se mejora al tomar medidas cerca de la muestra. La celda de carga está sumergida y en contacto directo con la carga de presión aumentada 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. La prueba triaxial danesa puede producir muestras de arena CD y CU en plasticidad sin formar una ruptura por cizallamiento o abultamiento. Una muestra puede probarse para determinar su fluencia varias veces en una sola secuencia de carga continua. Las muestras pueden incluso licuarse a una gran amplitud de deformación y luego triturarse hasta la falla de CU. Las pruebas de CU pueden pasar al estado CD y probarse cíclicamente en modo CD para observar la recuperación posterior a la licuefacción de la rigidez y la resistencia. [12] Esto permite controlar las muestras en un grado muy alto y observar patrones de respuesta de la arena a los que no se puede acceder utilizando métodos de prueba triaxiales clásicos.
La lista no está completa; solo se incluyen las normas principales. Para obtener una lista más amplia, consulte los sitios web de ASTM International (EE. UU.), British Standards (Reino Unido), la Organización Internacional de Normalización ( ISO ) u organizaciones locales de normas.
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