Prueba Triaxial – Suelos.

La figura 9.4  la idea básica de la prueba triaxial la prueba mas común y versátil para determinar las propiedades de esfuerzo deformación del suelo. Una Muestra cilíndrica de suelo se somete en primer lugar a una presión de confinamiento σ c en todas sus caras. A continuación se incrementa el esfuerzo axial Δ σ c hasta que se rompe la muestra. Como no existen esfuerzos tangenciales sobre las caras de la muestra cilíndrica, el esfuerzo axial σ c + Δ σ a  y la presión de confinamiento σ c son los esfuerzos principales mayor y menor, σ 1 y σ3, respectivamente. El incremento de esfuerzo axial, Δσ a = σ1-σ3 es el esfuerzo desviador.

La prueba triaxial constituye simplemente una versión especial .de la prueba de compresión cilíndrica utilizada para determinar las propiedades mecánicas de muchos materiales, como por ejemplo el concreto. En general no existe una presión de confinamiento durante una prueba realizada sobre concreto, aunque puede aplicarse ésta en algunas pruebas muy especiales. Sin embargo suele ser esencial una presión de confinamiento al realizar pruebas en suelos. El lector puede darse cuenta fácilmente de que una muestra de arena seca no se mantiene sin cierto confinamiento. En los capítulos siguientes veremos que la presión de confinamiento tiene una influencia importante sobre el comportamiento esfuerzo-deformación del suelo.

Tamaño de la muestra
La probeta de suelo suele tener unos 4 cm de diámetro y 8 a 10 cm de altura. También se encuentran frecuentemente muestras de unos 8 cm de diámetro y 15 a 20 cm de longitud. Para pruebas de suelos que contienen grava se emplean muestras mucho mayores.

Presión de confinamiento
La cámara de presión se compone generalmente de un cilindro de plástico transparente con tapas terminales metálicas. Disposiciones típicas se muestran en la Fig. 9.5. Para aplicar la presión de confinamiento se utiliza gas o un líquido a presión, aunque es preferible un líquido (generalmente agua desaireada). Para presiones superiores de 7 o 10 kg/cm2, deben colocarse en torno al cilindro de lucita bandas metálicas de refuerzo, o substituir el plástico por un cilindro de metal.

Fig. 9.2. Formas habituales de edómetros. a) De anillo rígido. b) De anillo flotante. (Según Lambe, 1951).

El suelo se introduce en una membrana flexible con tapas extremas. De esta forma el fluido de confinamiento no penetra en los poros del suelo.

Carga axial
En la forma más usual de la prueba triaxial (denominada prueba triaxial estándar o normal) el suelo se lleva a la falla aumentando el esfuerzo axial mientras que la presión de confinamiento lateral se mantiene constante.

De esta forma la trayectoria de esfuerzos en el proceso de carga. La fuerza axial se aplica al pistón de carga bien por medio de pesas (prueba de esfuerzo controlado) o por una prensa hidráulica o de accionamiento mecánico (prueba de deformación controlada). En pruebas con suelos secos la velocidad de carga viene limitada únicamente por el tiempo necesario para observar y registrar los datos.

En general transcurren de 5 a 30 minutos desde que se aplica por primera vez la carga axial hasta que se alcanza la resistencia máxima.

Control de la presión de poro o intersticial
Si una muestra de suelo seco se sella totalmente, y si el volumen del suelo varía durante el proceso de carga, existirá un cierto cambio en el volumen y la presión del aire que ocupa los poros del suelo. Generalmente se dispone un sistema de drenaje formado por una piedra porosa más un conducto al exterior de la cámara, de forma que el aire puede entrar o salir del suelo evitándose así el cambio de presión. El dispositivo de drenaje resultará de gran importancia en pruebas con suelos que contengan agua, como comentaremos en las partes IV y V.

El sistema de drenaje también se puede utilizar para realizar una forma especial de prueba triaxial: la prueba triaxial con vacío. Si el aire se extrae de los poros del suelo, se crea una presión de confinamiento por la diferencia entre la presión atmosférica que actúa sobre el exterior de  la muestra y la baja presión existente en los poros de la misma. Para esta forma de prueba no se necesita una cámara de presión pero, por supuesto, la presión de confinamiento no puede ser superior a 1 atm.

Fig. 9.3. Edómetro especial que permite medir presiones laterales. (Según Hendron, 1963).

Fig 9.4 Detalles principales de una cámara triaxial.

Fig.  9.5  Sección de una cámara triaxial típica.

Medida de los cambios de volumen
No es fácil realizar mediciones precisas de las variaciones de volumen en un suelo seco, tanto al aplicar la presión de confinamiento como el esfuerzo axial adicional. Si un suelo está saturado de agua, su variación de volumen durante la prueba triaxial puede determinarse midiendo el volumen de agua que escapa. o entra en la muestra. Afortunadamente, como veremos en la parte IV, el comportamiento esfuerzo-deformación de un suelo seco o saturado es similar, siempre que el fluido intersticial pueda circular libremente por los poros. Algunos de los resultados de pruebas presentados en los cap(tulos 9 a 12 se obtuvieron realmente con muestras saturadas.

Incluso en el caso de muestras saturadas es difícil realizar medidas muy precisas de las variaciones de volumen producidas en suelos de grano grueso. Esta es una de las razones por las que se suele utilizar la prueba edométrica para estudiar deformaciones volumétricas.

Formas de rotura o falla de las muestras
La Fig. 9.6 muestra algunas formas típicas de especímenes probados en la prueba triaxial. Distorsiones de este tipo dan lugar a ciertas dificultades en la interpretación de los resultados de prueba. La variación en la sección transversal de la muestra suele ser tan grande que no puede tenerse en cuenta para el cálculo del esfuerzo axial a partir de la fuerza axial medida. La distorsión respecto a la forma cilíndrica se debe principalmente a las restricciones impuestas por las placas de extremo y hace difícil determinar la variación de área, introduciendo además errores e inseguridad respecto a los datos esfuerzo-deformación medidos Se han propuesto varios métodos que permiten el desplazamiento lateral libre entre el suelo y las placas de extremo, reduciendo al máximo las distorsiones (Rowe y Barden, 1964).

Fig 9.6  Formas Típicas de probetas rotas en una prueba triaxial con bases rígidas.