Ensayo triaxial
La prueba de ensayo triaxial es uno de los métodos más confiables para determinar los
parámetros de la resistencia al cortante.
En un ensayo triaxial, un espécimen cilíndrico de suelo es revestido con una membrana de
látex dentro de una cámara a presión. La parte superior e inferior de la muestra tiene discos
porosos, los cuales se conectan al sistema de drenaje para saturar o drenar el espécimen. En
estas pruebas se pueden variar las presiones actuantes en tres direcciones ortogonales sobre
el espécimen de suelo, efectuando mediciones sobre sus características mecánicas en forma
completa. Los especímenes usualmente están sujetos a presiones laterales de un líquido,
generalmente agua.
El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor
comunicado con ella. La carga axial se transmite al espécimen por medio de un vástago que
atraviesa la parte superior de la cámara
Existen tres tipos de pruebas triaxial que se pueden realizar de acuerdo al análisis que se
necesite:



Prueba consolidada-drenada (prueba CD)
Prueba consolidada-no drenada (prueba CU)
Prueba no consolidada-no drenada (prueba UU) Con la aplicación de la compresión
lateral y axial se obtiene el esfuerzo principal menor გ3
Se va aumentando la fuerza axial hasta obtener la falla de la muestra de suelo ygraficamos los
círculos de Mohr y la línea de falla utilizando los criterios estudiadosen el criterio de falla de
Mohr.
1. Prueba consolidada-drenada (prueba CD)._
Es la aplicación de la presión decámara que permite un drenaje total, de manera que la
presión de poro de aguadesarrollada es cero, se trabaja con esfuerzos principales mayor y
menor.
2. Prueba consolidada-no drenada (prueba CU)._
Es la aplicación de presión decámara que permite un drenaje total de manera que presión
desarrollada sea cerose trabaja con los esfuerzos principales totales y esfuerzos efectivos.
3. Prueba no consolidada-no drenada (prueba UU)._
Es la aplicación de presión de cámara que no permite drenaje de manera que presión de poro
de agua desarrollada al aplicar esfuerzo principal menor no sea cero, se trabaja con los
esfuerzos totales
Etapas típicas del ensayo
Antes del ensayo: preparación de la probeta y del sistema
La muestra de ensayo debe obtenerse de una muestra de suelo antes de colocarla en la célula
triaxial. En el caso de los suelos cohesivos, esto puede implicar el recorte de las probetas
inalteradas extraídas de los tubos de Shelby o cortadas de las muestras en bloque. Sin
embargo, para los suelos granulares tendrá que preparar la muestra directamente en el
pedestal utilizando un molde de sección dividida. A continuación se muestra un ejemplo de
molde y moldeador:
Molde bipartido con accesorio de vacío para la preparación de muestras remoldeadas
Estos moldes se utilizan para la preparación de probetas no cohesivas por compactación o
vibración, como se requiere para el ensayo triaxial. El molde debe colocarse directamente en
el pedestal de la célula triaxial. Para que la membrana se adhiera a la pared interior del molde,
se aplica un vacío para obtener el diámetro correcto de la probeta remoldeada.
Muestreador manual con cortador, plataforma móvil y receptor
Se utiliza para la preparación de probetas inalteradas de muestras cohesivas para ensayos
triaxiales.
Molde bipartido
Se utiliza para recortar los extremos de las probetas inalteradas. Una vez terminada la
preparación de las probetas, estamos listos para realizar el ensayo triaxial, que consta de tres
etapas principales:
Etapa 1 - Saturación
El proceso de saturación garantiza que todos los huecos dentro de la probeta se llenen de agua
y que el transductor de presión de poros y los conductos de drenaje estén correctamente
desaireados. El método de saturación más común consiste en aplicar un aumento incremental
de la presión de la celda y de la contrapresión en la probeta. Este proceso eleva gradualmente
la presión de la celda y la contrapresión, lo que disuelve el aire que pueda estar presente en la
muestra.
Durante este proceso, se calcula el coeficiente de presión de poros B para determinar el grado
de saturación. Estos pasos se repiten hasta que la muestra está saturada. La mayoría de las
normas establecen que un valor B superior a 0,95 indica que la muestra está suficientemente
saturada. El valor B se calcula como una relación entre ∆u = Cambio en la presión de poros y
∆σ3 = Cambio en la presión de confinamiento; B= ∆u/∆σ3
Etapa 2 - Consolidación
Después de la saturación, la probeta se consolida normalmente hasta una condición de tensión
representativa de su condición in situ. La consolidación es normalmente isotrópica - las
tensiones aplicadas vertical y horizontalmente a la muestra son las mismas (σ3 = σ1). Sin
embargo, la consolidación también puede ser anisotrópica cuando σ3 ≠ σ1. En este caso, los
ensayos se suelen abreviar como CIU (Consolidated Isotropic Undrained) o CAU (Consolidated
Anisotropic Undrained). La consolidación de la muestra se realiza normalmente aumentando la
presión de la celda mientras se mantiene una contrapresión constante (a menudo igual a la
presión de poros alcanzada durante la comprobación B de saturación final).
Etapa 3 - Corte
También llamada etapa de rotura o de compresión, el ensayo de corte consiste en cortar la
probeta aumentando gradualmente la fuerza axial (σ1) (con una tasa de deformación axial
constante), manteniendo la presión de confinamiento (σ3), hasta que la muestra falle (el fallo
suele producirse en el 20% de la deformación axial). Dependiendo de las cuestiones de
ingeniería que deban simularse durante la etapa de corte, las condiciones de drenaje aplicadas
a la muestra determinarán si se debe realizar un ensayo drenado o no drenado.
En un ensayo no drenado, no se permite que la probeta drene - su volumen no cambiará
durante esta etapa pero sí su forma, lo que dará lugar a un desarrollo de la presión de poros
que se medirá. Si se permite el drenaje, el agua saldrá de la probeta durante la fase de corte, lo
que permitirá que el volumen y la forma de la muestra cambien mientras se evita que cambie
la presión de poros.
RESISTENCIA AL CORTANTE DE SUELOS
La resistencia al corte del suelo no puede considerarse como un parámetro único y constante,
ya que depende de su naturaleza, estructura, enlaces, nivel de deformaciones, etc., así como,
muy especialmente, de su estado tensional y de la presión del fluido que rellena sus poros
(agua o agua y aire).
El criterio de rotura en suelos más difundido deriva del propuesto por Coulomb, que relaciona
tensiones efectivas normales y tensiones tangenciales actuando en cualquier plano del suelo.
Este criterio establece que, para un suelo saturado, la resistencia al corte viene dada por la
expresión:
Donde,
σu = tensión total normal actuando sobre el mismo plano
u = presión intersticial
c’= cohesión efectiva
ϕ = ángulo de rozamiento interno efectivo
Esta ecuación representa una recta en el espacio (σ’, ), que a menudo se denomina línea de
resistencia intrínseca o envolvente de rotura del suelo. El cual podemos observar en la
siguiente figura.
Criterio de rotura de suelos
Esta envolvente de rotura, proporciona, para cada valor de la tensión efectiva normal a un
plano que atraviesa un elemento de suelo, la máxima tensión tangencial movilizarle a favor de
dicho plano. Por lo que actúa como una superficie de estado separando estados posibles de
imposibles:
 El punto (1) de la figura representa un estado de rotura
 El punto (2) de la figura representa una combinación de (σ’, ) que tiene un cierto grado
de seguridad ya que, para una determinada tensión efectiva normal, la tensión
tangencial es inferior a la máxima
 El punto (3) de la figura 5.9 representa un estado imposible por encontrarse por
encima de la envolvente de rotura, lo cual quiere decir que se ha sobrepasado la
combinación máxima (σ’, ) del criterio de rotura, y por tanto no es compatible con la
resistencia del suelo.
Por otro lado, en el gráfico, la cohesión efectiva representa la ordenada en el origen de la
envolvente, por lo que representa la máxima resistencia tangencial movilizarle en un plano
cualquiera cuando la tensión efectiva normal en dicho plano es nula.
Se puede inferir a su vez de esta figura, que la máxima tensión tangencial movilizable en un
plano es mayor a medida que aumenta la tensión efectiva normal que actúa sobre dicho plano.
Es decir, el suelo es más resistente cuanto mayor sean sus tensiones efectivas.
En general, los suelos poseen al mismo tiempo cohesión y fricción interna, sin embrago existen
dos casos límite:
Las arenas lavadas y secas no poseen cohesión, en las que la carga de ruptura se produce para
un valor de tensión tangencial tal que:
Por lo que la envolvente de rotura pasa por el origen de coordenadas
Criterio de rotura de arenas lavadas y secas
Las arcillas blandas y secas, las cuales se comportan como si ϕ = 0, resultando la carga de
ruptura constante e igual a la cohesión del suelo:
Por lo que la envolvente de rotura es igual a qu o esfuerzo unitario de rotura a compresión no
confinada
Criterio de rotura de suelos arcillosos blandos secos
Si representamos la tensión tangencial frente al desplazamiento producido, observamos que
en algunos materiales a medida que la deformación continúa, la resistencia se reduce hasta
que alcanza un valor mínimo constante que se denomina resistencia residual (figura 5.12).
Por lo tanto, la resistencia residual, es un valor más bajo que la resistencia de pico, y se
manifiesta una vez que la rotura se ha producido.
Curvas tensión tangencial-desplazamiento para
diversos suelos.
Comportamiento de los suelos sometidos a corte
 Suelos Granulares
En los suelos granulares, el ángulo de rozamiento interno (de pico) depende directamente de
la densidad inicial del suelo. La relación entre la densidad y la compacidad inicial de un
determinado suelo granular y su resistencia es muy acusada. Tanto es así, que en la práctica
habitual se dispone de correlaciones aproximadas entre dicha compacidad, determinada a
través de ensayos in situ como el SPT (que se describirá en el siguiente módulo), y el ángulo de
rozamiento interno tal y como se muestra en el siguiente cuadro.
Correlación ente el SPT y el ángulo de rozamiento interno de suelos granulares.
Aunque la compacidad es indiscutiblemente el factor principal, la mayor o menor resistencia
de un suelo granular depende a su vez de algunos otros factores entre los que cabe destacar la
forma de las partículas, la distribución granulométrica y el tamaño de los granos.
En lo que respecta a la forma, resulta evidente que será más sencillo hacer deslizar o rodar
entre sí partículas redondeadas que granos angulosos e irregulares, de manera que un suelo
constituido por estos últimos mostrará mayor resistencia al corte.
Con relación a la granulometría, en un suelo uniforme la mayoría de las partículas son de
tamaño similar, de forma que el tamaño del hueco máximo entre partículas depende
directamente del tamaño de estas. Un suelo bien graduado, sin embargo, posee partículas de
muchos tamaños distintos, con lo que los granos medianos pueden ocupar los poros de las
partículas más gruesas, las partículas más finas los huecos entre las medianas, y así
sucesivamente. Lógicamente esta mejor posibilidad de estibación da lugar a que en un suelo
bien graduado se pueda alcanzar una estructura más densa y más resistente que un suelo
uniforme.
Finalmente, resultará más difícil hacer deslizar y rodar entre sí partículas de gran tamaño que
partículas pequeñas.
Valores del ángulo de rozamiento interno en suelos granulares no plásticos en función de la
granulometría y la compacidad (los valores más bajos corresponderían a suelos redondeados y
con partículas más débiles, los más altos a suelos con partículas angulosas y resistentes).
 Suelos Cohesivos
Los suelos cohesivos o arcillosos, suponiendo que estos se encuentran sometidos a corte en
condiciones drenadas, para idealizar un estado de formación de un depósito arcilloso sin
efectos de ganancia de resistencia por envejecimiento, cementación, etc., se comportan según
las siguientes pautas en función de nivel de plasticidad:
 Arcillas de bajo índice de plasticidad:
Las arcillas normalmente consolidadas de baja plasticidad alcanzan su resistencia (de pico) con
pequeños niveles de deformación. Al aumentar las deformaciones de corte se puede producir
una pequeña reducción de la tensión tangencial
En ausencia de fenómenos de envejecimiento o cementación, la envolvente de rotura se
caracteriza por mostrar una cohesión efectiva nula y un determinado ángulo de rozamiento
interno (ϕ’normalmente consolidado).
En general tienden a reducir su volumen frente a las deformaciones de corte (se contraen).
Las arcillas sobre consolidadas de baja plasticidad muestran una resistencia (de pico) superior
a la de las arcillas normalmente consolidadas, alcanzando dicha resistencia con niveles de
deformación pequeños.
Al aumentar el nivel de deformaciones la tensión tangencial movilizada decrece, tendiendo la
máxima resistencia del estado normalmente consolidado (c’=0, ϕ’nc).
La envolvente de rotura muestra una cierta cohesión Con grados de sobreconsolidación ligeros
pueden contraer, pero a medida que aumenta la sobreconsolidación muestran un aumento
neto de volumen (se dilatan).
Obtención de la resistencia al corte de los suelos
Las componentes del esfuerzo de corte de un suelo, es decir, la cohesión del mismo y su
ángulo de fricción interna, pueden obtenerse de diferentes formas. Existen aparatos muy
sencillos para medir en el campo, sobre testigos de sondeo o las paredes de una excavación la
resistencia al corte de suelos cohesivos, como por ejemplo el penetrómetro de bolsillo.
En el interior de sondeos puede utilizarse el ensayo de penetración estática y el molinete,
fundamentalmente en situaciones sin drenaje.
Sin embargo, lo más habitual es la obtención de los parámetros de corte (cohesión y ángulo de
rozamiento interno) a través de ensayos en laboratorio sobre muestras de suelo. En
laboratorio existen numerosos aparatos aplicables a este mismo fin. Entre ellos, los más
utilizados son el corte directo y el triaxial, además en el caso de arcillas también puede
determinarse por medio del ensayo de compresión uniaxial no confinada o compresión simple
ESFUERZOS TOTALES Y EFECTIVOS EN SUELOS PARA LA ESTABILIDAD DE TALUDES