Componentes Generales de Equipo Para Ejecución de Ensayo de Compresión Triaxial

Triaxial Convencional

El equipo para realizar ensayos de compresión triaxial cuenta con una serie de dispositivos e instrumentos que permiten llevar a cabo las distintas etapas y mediciones necesarias para obtener los resultados útiles en el análisis de la resistencia cortante de un suelo. A continuación, se describe las principales componentes de este equipo y sus funciones durante los ensayos en cuestión.

2.4.6.1. Marco de Carga, Cámara Triaxial e Instrumentos Para Mediciones de Carga y Deformación

En el marco de carga, específicamente en la plataforma de carga, se instala una cámara triaxial con la probeta de suelo en su interior, la cual es cilíndrica y de dimensiones variables según lo permita el tamaño del marco y cámara esencialmente. Existe una serie de condiciones para sus

39 dimensiones, las cuales serán explicadas posteriormente en el ítem 2.4.8.1. No obstante, equipos para probetas de diámetros superiores a 100 [mm] no son convencionales y no están disponibles en laboratorios de ensayos rutinarios, siendo preferentemente construidos para proyectos especiales en universidades y centros de investigación.

Mayor información sobre la confección y montaje de la probeta será entregada en los ítems 2.4.8.1 y 2.4.8.2. Por ahora, basta saber que la probeta es montada sobre la base de la cámara triaxial y envuelta con una membrana impermeable para aislarla del fluido utilizado para otorgar confinamiento isotrópico. Como ya se dijo, este fluido es preferentemente agua, ya que si se utilizara aire se debería recurrir a membranas de mayor espesor para impermeabilizar la probeta. Membranas de este tipo influirían en demasía sobre las características de resistencia de la probeta, producto de la elevada rigidez que le sería conferida.

El funcionamiento del marco de carga estará restringido por la forma en que se desee realizar el ensayo de compresión triaxial convencional. En parte esta restricción dice relación con la forma en que es aplicada la carga axial, ya sea controlada por esfuerzo o controlada por deformación, la cual se traduce en un incremento del esfuerzo axial y desviatorio.

En ensayos controlados por esfuerzo los incrementos de carga son conocidos y para aplicarlos se utiliza un sistema hidráulico, neumático o pesos muertos.

En ensayos controlados por deformación, el marco de carga puede tener dos tipos de funcionamiento, uno en que la parte superior del marco desciende a una velocidad constante, u otro en que la plataforma de carga asciende a una velocidad constante también. En cualquier caso, esta velocidad no debe desviarse en ± 1 [%] del valor seleccionado, según las normas ASTM D4767-11 y ASTM D7181-11, y en ± 5 [%], según la norma ASTM D2850-03a.

Con respecto a la cámara triaxial (figura 2-20), ésta es desmontable, con su sección superior de paredes de un acrílico transparente y muy resistente, y una tapa rígida que la atraviesa un tubo o pistón de carga axial en el centro. Este pistón se encarga de transmitir la carga axial a la probeta y a la celda o anillo de carga ubicado en la parte superior del marco de carga. El roce entre este tubo y la tapa de la cámara debe ser reducido a un mínimo de modo que no afecte tanto a la carga axial, no debiendo superar el 0,1 [%] de la carga axial en la falla, según las normas ASTM D4767-11, ASTM D7181-11 y ASTM D2850-03a. Igualmente debe considerarse una corrección a la carga axial por la acción de una fuerza inicial resultante entre el roce, empuje del agua y peso del pistón, la cual simplemente se va restando al valor de carga medido en cada instante.

La cámara también posee válvulas, conexiones, y mangueras, algunas de ellas que van directamente al cabezal superior e inferior de la probeta respectivamente. Por una de estas mangueras se mete contrapresión durante la saturación, por donde también se permite el drenaje durante la consolidación y corte, según corresponda. Otras de estas mangueras van al manómetro o transductor que mide la presión de poros, y las restantes son de flujo libre, por lo que sus válvulas deben mantenerse cerradas durante el ensayo. Entre otras conexiones de suma importancia, está aquella que permite el ingreso de la presión de cámara y también el despiche superior que se utiliza para evacuar el aire durante el llenado de la cámara con agua.

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Figura 2-20: Cámara triaxial típica (Ríos, 2015).

La celda de carga más típica es un dispositivo en cuyo interior se encuentran unos sensores de deformación llamados “strain gages” que detectan los valores de deformación que la celda está resistiendo. Esta deformación es transformada a voltaje mediante un circuito “Wheatstone” proporcional, para seguidamente enviar la señal análoga al dispositivo que está conectado con la celda. En este dispositivo la señal es convertida a digital, y desde allí es enviada al software disponible en un computador, donde finalmente se transforma en carga según la calibración disponible.

En los anillos de carga, la deformación a la que se ven sometidos también es transformada a un valor de carga proporcional. En ellos, la deformación es medida preferentemente con un dial ubicado en su interior, para luego ser transformada a carga mediante la ecuación de calibración del dispositivo. De este modo, su funcionamiento en la mayoría de los casos es manual, por lo que su uso se ha visto disminuido con el paso del tiempo y con el evidente auge de equipos automáticos.

En el caso hipotético de que la celda o anillo de carga estuviera ubicado en el interior de la cámara, y tal cual como lo señalan las normas correspondientes, no sería necesario corregir la carga por la acción del roce, empuje y peso del pistón. Además, según las normas ASTM D4767-11, ASTM D7181-11 y ASTM D2850-03a, independiente del dispositivo que se utilice para medir la carga axial, este debe ser capaz de medirla con una precisión dentro del 1 [%] de la carga axial en la falla.

La deformación axial puede ser medida manualmente utilizando diales de deformación o automáticamente con dispositivos electrónicos denominados LVDT (Linear Variable Differential

41 Transformer) o LSCT (Linear Strain Conversion Transducer) que van finalmente traspasando datos al software computacional del equipo. Esta deformación debe ser medida con una precisión de al menos un 0,25 [%] de la altura inicial de la probeta y el dispositivo utilizado debe tener un rango de al menos 20 [%] de esta altura. En la figura 2-21, el desplazamiento vertical de la probeta corresponde al ascenso de la plataforma de carga y cámara en cuyo interior se encuentra la probeta, relativo al movimiento del pistón que reacciona sobre el cabezal superior de la probeta.

2.4.6.2. Aparato Para Medición de Cambio Volumétrico

Es deseable y necesario medir el cambio volumétrico que experimenta la probeta durante las distintas etapas de un ensayo de triaxial, ya sea durante la saturación, consolidación y/o corte. Una vez que se encuentra saturada la probeta, el cambio volumétrico que experimenta puede ser medido con bastante exactitud a través del agua que entra o sale de ésta. En probetas parcialmente saturadas no es tan así, ya que puede ocurrir un cambio de volumen por compresión del aire en los poros, sin que ocurra drenaje.

La medición del cambio volumétrico puede ser realizada utilizando una bureta graduada y conectada a la misma línea que lleva la contrapresión a la probeta. Las mediciones se realizan visualmente, lo cual puede inducir errores de lectura.

Otro dispositivo para medir el cambio de volumen en cuestión, es el que se puede apreciar en la figura 2-21. Este consiste en un cilindro que posee dos cámaras en su interior, cada una de un volumen conocido. Cuando una cámara se está llenando, la otra se está vaciando y viceversa. Este proceso acciona y posibilita el movimiento de un pistón interior, el cual a su vez es seguido por el desplazamiento de un brazo palanca sobre el cual está montado un LVDT o LSCT. Según sea la ecuación de calibración de este transductor, el movimiento del pistón es transformado a cambio volumétrico. Este sistema automático es de tipo caja negra, ya que no es posible visualizar o medir directamente el volumen de agua que entra o sale de la probeta. Sin embargo, al utilizar un transductor, el sistema es fácilmente incorporable a un software computacional para el registro automático de datos.

Existen otros aparatos para la medición automática de cambios de volumen que son un poco más sofisticados, permitiendo medir directamente la cantidad de agua que entra o sale de la probeta, sin tener que recurrir a transformaciones intermedias. Claro es su mayor costo y la imposibilidad de adaptarse a cualquier equipo de ensayos triaxiales. Independiente del aparato que se utilice para medir el cambio de volumen, éste debe ser medido con una precisión dentro de ± 0,05 [%] del volumen total de la probeta, debe ser capaz de soportar la máxima contrapresión y debe tener una capacidad suficiente.

2.4.6.3. Controlador de Presión y Panel de Distribución

Antiguamente, para otorgar una presión de cámara o una contrapresión, se aplicaba aire a presión con un compresor sobre la superficie del agua contenida en un reservorio cilíndrico sellado. De este modo, el agua salía del cilindro con una determinada presión, la cual era medida con algún manómetro de forma manual. Para controlar la presión de agua al valor que se desease, se utilizaban

42 válvulas reductoras para disminuir la presión de aire de entrada dado por el compresor. Este proceso tenía varios inconvenientes, entre los cuales destacaban la solubilidad del aire en el agua, pudiendo dicho aire disuelto llegar a traspasar la membrana que envolvía la probeta (Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 2010), y variaciones de presión debidas a cambios de temperatura después de sellado el reservorio. Esas fluctuaciones de presión, aunque sea pequeñas, eran indeseables y podían llegar a influenciar los resultados del ensayo. Es por ello que se requería de un monitoreo medianamente continuo para ir corroborando que los valores de presión otorgados se mantuvieran muy cercanos o iguales al valor deseado, con lo que se debía ir realizando ajustes manuales con las válvulas reductoras antes mencionadas.

Evidentemente, un constante ajuste manual para mantener las presiones dentro de los valores deseados es un tanto impracticable y tedioso. Hoy en día, se utiliza un controlador de presión, el cual se encarga de ir regulando la presión de entrada para mantener la de salida en el valor deseado. Este sistema automático de regulación de presión, cuando está asociado a un software computacional, permite aplicar automáticamente y de forma incremental la contrapresión durante la saturación, procedimiento más que deseable para evitar pre-estresar la probeta durante este proceso.

Por otro lado, con el paso del tiempo también se ha implementado la utilización de un panel de distribución. Este es el que recibe las conexiones de aire y agua desde el compresor y red de agua potable respectivamente, para posteriormente distribuirlas a los distintos dispositivos para la ejecución de los ensayos correspondientes. A él también llega una conexión desde una bomba de vacío, la cual se utiliza para aplicar un vacío por las líneas que van hacia la probeta, o para desairear el agua de un estanque, agua empleada durante la saturación de la probeta (percolación de agua desaireada).

Para otorgar presiones y contrapresiones, en muchas máquinas para realizar ensayos triaxiales aún se utiliza el método de aplicar aire a presión sobre una superficie de agua, pero con la variante de que el aire es recibido por el panel, luego derivado al controlador de presión, el cual se encarga de regularlo, para finalmente comprimir la superficie de agua y generar la presión de agua en cuestión. No obstante, otras máquinas han establecido el uso de “bladders” para mantener aislada la interfaz agua – aire. El “bladder” es un globo de látex que se encuentra inmerso dentro de un cilindro lleno con agua, inflándose cuando recibe el aire a presión regulado por el controlador, con lo que desplaza agua a presión hacia la cámara o probeta, según corresponda.

Ambos métodos cumplen esencialmente la misma función y de forma bastante satisfactoria. Lo que si se debe destacar, es que los equipos triaxiales convencionales más simples sólo entregan de forma aproximada el agua a presión, según se necesite. Lo que ocurre en estos casos, es que el controlador de presión sólo regula la presión de entrada en base a transductores que posee en sí mismo, y no en base a transductores ubicados dentro de la cámara triaxial y en la línea que lleva el agua a presión hacia el interior de la probeta (contrapresión), que es como idealmente debería ser.

Según las normas ASTM D4767-11, ASTM D7181-11 y ASTM D2850-03a, el controlador de presión debe ser capaz de aplicar y controlar presiones dentro de ± 2 [kPa] para esfuerzos efectivos de consolidación menores que 200 [kPa] y dentro de ± 1 [%] para esfuerzos efectivos de consolidación superiores a 200 [kPa]. Además, debe ser capaz de mantener el esfuerzo efectivo de consolidación dentro de un ± 2 [%] del valor deseado.

43 En la figura 2-21, se presenta un esquema de un equipo triaxial convencional típico con la gran mayoría de sus componentes, destacando: marco de carga, cámara triaxial, panel de distribución, controlador de presión y aparato para medición de cambio volumétrico, entre otros.

Figura 2-21: Esquema de equipo triaxial convencional (Ríos, 2015).