UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil INFORME DE GEOMECÁNICA Código Curso: CI4402 Informe Nº5 Ensayo Triaxial - CIU Alumno Profesor Auxiliar Ayudante de laboratorio Ignacio Farias Cesar Pasten Ignacio Cartes Felipe Reyes Fecha de realización 04 / 10 / 2013 Fecha de entrega 18 / 10 /2013
CONTENIDO Introducción... 3 Metodología del Ensayo... 6 Memoria de Cálculo... 9 Resultados del laboratorio... 12 Problema Práctico... 13 Conclusiones... 14 Referencias... 15
INTRODUCCIÓN Este ensayo consiste en cargar una muestra de suelo en tres ejes. Para esto se aplica una presión de confinamiento ( ) alrededor de la probeta mediante un fluido (generalmente agua) produciendo en ella una consolidación isotrópica. Adicionalmente se aplica un esfuerzo ( no se permite el drenaje de la muestra, y por lo tanto no existe volumétrico. Figura 1. Esquema del ensayo triaxial CID FIGURA 1. ESQUEMA DEL ENSAYO TRIAXIAL CIU. Como resultado de este ensayo se obtienen las curvas de corte máximo versus deformación axial y variación de la presión de poros versus deformación axial con los resultados esperados que se presentan en las figuras 3 y 4 respectivamente. 3
FIGURA 2. GRÁFICO ESFUERZO DE CORTE Q VS DEFORMACIÓN AXIAL. FIGURA 3. GRÁFICO PRESION DE POROS VS DEFORMACIÓN AXIAL. Finalmente, para cada variación de la presión de poros u [kpa], se calcula un esfuerzo principal p [kpa], y un esfuerzo desviatorio q [kpa], construyendo la trayectoria de tensiones totales y la línea de estado ultimo. Para un en la Figura 5. 4
FIGURA 4. GRÁFICO ESFUERZO DE CORTE VS ESFUERZO PRINCIPAL, CASO CONTRACTIVO. FIGURA 5. GRÁFICO ESFUERZO DE CORTE VS ESFUERZO PRINCIPAL, CASO DILATANTE. Para realizar este ensayo, se sigue el procedimiento descrito por la norma ASTM D7181. En este informe se presenta la metodología utilizada en el ensayo, la memoria de cálculo, los resultados obtenidos en laboratorio, un problema práctico utilizando los datos obtenidos y las conclusiones. 5
METODOLOGÍA DEL ENSAYO El ensayo Triaxial CIU sigue el siguiente procedimiento: Confección de la probeta Para la elaboración de la probeta se busca obtener una densidad homogénea de suelo, esto se logrará con 5 capas, obteniendo el peso de cada una con la densidad relativa DR [%] del suelo. En este paso se utilizan varias técnicas para lograr una probeta de alta calidad, por ejemplo se introduce una mica en el molde que permite que al estar lista la probeta esta no se adhiera al molde metálico. Además de forma de poder aislar a la probeta del agua de la cámara es que es envuelta en una membrana de látex (no permeable, en la misma línea para que los granos de material no contaminen el sistema de mangueras que mantiene saturada la muestra se agrega una membrana textil (permeable) por encima y la base de la probeta Aplicación de CO2 La norma ASTM D7181 exige que el parámetro B [-] sea mayor o igual a un 95%, para lograr esto, se debe introducir CO2 a la probeta con tal de reemplazar las burbujas de aire existentes. Saturación Se procede a saturar la muestra, se registra la presión de poros inicial. Consolidación Se aplica un esfuerzo de consolidación [kpa]. Se debe registrar el cambio de la presión de poros en función del tiempo hasta concretar esta etapa. Con estos datos es posible determinar el valor del parámetro B [-] (Ecuación 1). Aplicación de la carga Se aplica un esfuerzo vertical [kpa] registrando en cada incremento de desplazamiento vertical [m] y la presión de poros u [kpa]. El suelo que se dispone a ensayar corresponde a una arena fina con un 5% de humedad. Se confeccionan dos probetas, una de densidad relativa igual a 70%. 6
ILUSTRACIÓN 1: CONFECCION DE LA PROBETA ILUSTRACIÓN 2: PROCESO DE DESMONTADO DE LA PROBETA 7
ILUSTRACIÓN 3: PROBETA DESMONTADA ILUSTRACIÓN 4: PROBETA LISTA PARA SER ENSAYADA 8
MEMORIA DE CÁLCULO Las formulas necesarias para la determinación de los parámetros resistivos del suelo se ilustran a continuación. Parámetro de Presión de Poros (B) [ ], [ ], (1) El cambio volumétrico [ ] por consolidación, se debe obtener del siguiente modo: (2) [ ], [ ], En la etapa de consolidación, la altura y el diámetro cambian, por lo que es calcula una altura de consolidación [ ] y un diámetro de consolidación [ ], del siguiente modo: (3) (4) [ ], [ ], [ ] 9
[ ]. La deformación unitaria se calcula de la siguiente manera: [ ] [ ] Se debe corregir el área a lo largo del ensayo, como se muestra: [ ] El incremento de esfuerzo vertical se determinara como: P = Carga vertical aplicada [N] El confinamiento efectivo es la presión de cámara descontando la contrapresión. (7) (5) (6) (8) [ ] [ ] 10
Luego, en términos de esfuerzos principales efectivos, se consideran las siguientes expresiones: u = presión de poros durante el ensayo [kpa] [ ] (9) (10) (11) L [kp ] [kp ] b : (11) (12) 11
Delta u [kpa] q' [kpa] RESULTADOS DEL LABORATORIO Para el ensayo sobre la arena con una densidad relativa del 70%, se obtienen los siguientes gráficos: 600 Variación del esfuerzo de corte con la deformacion axial 500 400 300 200 2[kgf/cm^2] 4[kgf/cm^2] 1[kgf/cm^2] 100 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Deformacion axial GRÁFICO 1. (DR=70%). Variación de la presion de poros con la deformacion axial 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Deformacion axial 2[kgf/cm^2] 4[kgf/cm^2] 1[kgf/cm^2] GRÁFICO 2. (DR=70%). 12
q' [kpa] Trayectoria de esfuerzos efectivos 600 500 y = 0,6398x + 22,385 R² = 0,9661 400 300 200 100 2[kgf/cm^2] 4[kgf/cm^2] 1[kgf/cm^2] esfuerzos ultimos LEU 0 0 200 400 600 800 p' [kpa] GRÁFICO 3. TRAYECTORIA DE TENSIONES Y LÍNEA DE ESTADO ÚLTIMO (DR=70%). Se realiza una regresión lineal de las tensiones ultimas del suelo para así mediante el método de la regresión lineal encontrar la Línea de estado ultimo(leu) Así es como a partir del gráfico 3, se obtiene el ángulo de fricción interna del suelo, que se presenta en la Tabla 1. TABLA 1. PARÁMETROS DEL SUELO ENSAYADO. c φ [kg/cm²] [º] 22,385 32,611 13
CONCLUSIONES Primero se deben notar las complejidades del ensayo triaxial no-drenado (CIU) debido a la maquinaria utilizada y a los cuidados que se deben tener durante su utilización. Además se agregan las complejidades por la fragilidad de la probeta que se quiere ensayar, ósea también juega un papel importante la experiencia del laboratorista. Cumple también un rol importante la calibración de la maquina ya que esta variara los valores finales obtenidos por el ensayo pero este error, al estar aplicado a todos los datos, no es comprobable a simple vista. La gran ventaja del ensayo radica en la condición en que se ensaya la muestra, al ser triaxial, los resultados son los más precisos y por lo tanto reales. Esto se debe a que en la práctica, en terreno una muestra se encuentra solicitada en forma triaxial, misma situación que replica el ensayo. Se deben destacar las diferencias en los resultados producidas por este ensayo comparado con su contraparte no drenada ya que en el caso estudiado al no dejar drenar parte de la carga es tomada por el agua. Esto supone un cambio en los parámetros resistentes del suelo al modificar levemente la LEU. En la práctica, comparando los resultados CID y CIU para la arena normalizada al 5% de humedad y densidad relativa del 70% no se aprecia una tendencia que permita concluir como afecta que el agua soporte parte de la carga. Suponiendo cual podría ser el comportamiento, como el suelo soporta una menor carga se podría prever que los resultados para la resistencia del suelo están sub-estimados ya que el suelo no alcanzo su estado ultimo/peak real (aun cuando se está midiendo la variación de la presión de poros). En cuanto a las trayectorias de esfuerzos es claro notar que existe algún tipo de anomalía con la línea de estado ultimo (LEU), esto porque se está ensayando una arena pero al procesar los datos y utilizar el método de la regresión lineal se obtiene que el suelo tiene algún tipo de cohesión. Esto se puede explicar por la humedad que presenta el suelo que genera una cohesión aparente. En cuanto al valor obtenido, este ángulo al estar entre 20 y 40 está en el rango de los valores típicos para una arena normalizada por lo tanto se consideran correctos los resultados. Se debe notar que los resultados obtenidos están afectados por una transformación de unidades donde se consideró la gravedad con el valor 9,8[ ]. Sobre el comportamiento del suelo se observa una clara tendencia dilatante en todos los gráficos, más aun se sigue que conforme aumenta la presión de cámara el suelo presenta tendencia marcadamente dilatante, comportamiento típico de un suelo que se vuelve más denso conforme aumenta la presión a su alrededor. Como comentario aparte se puede decir que para valores de presión menores a 1[ contractivo (se encontrara en algún tipo de transición). ] el suelo presentara comportamiento tendiendo a 14
REFERENCIAS ASTM D4767-, S T M h C T C T C h S, ASTM I, www 3 3 NSAYO TRIAXIAL 3.3.2. Método con medición de presión de poros., <http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/triaxial.pdf> (Noviembre 11, 2013). 3 3 NSAYO TRIAXIAL - C á l c u l o s y g r á f i c o s, <http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/triaxial.pdf> (Noviembre 11, 2013). 15