Esta es la última etapa de un ensayo triaxial, y en el caso de uno de compresión triaxial convencional, se lleva a falla la probeta a través del aumento de su esfuerzo axial por sobre el isotrópico definido durante la consolidación y que se mantiene constante como esfuerzo total radial o lateral. De este modo, y mediante la aplicación controlada de una carga con el pistón de carga axial, la probeta se va sometiendo a distintos estados tensionales, alcanzando la falla y de preferencia posteriormente el estado crítico.
Esta es la única etapa común en todos los ensayos de compresión triaxial convencionales, variando solamente en las condiciones bajo las cuales es aplicado el esfuerzo desviatorio y que determinan la velocidad de deformación a utilizar. Así, el esfuerzo desviatorio puede ser aplicado en condiciones drenadas, donde se mide paralelamente el cambio volumétrico durante el corte, o en condiciones no drenadas, donde se puede medir o no la presión de poros según sea el ensayo que se quiera llevar a cabo.
2.4.11.1.Velocidad de Carga
Tal como se informó en el ítem 2.4.4, en los ensayos de compresión triaxial convencionales la carga axial es aplicada a una velocidad constante, velocidad que depende netamente del tipo de ensayo que se realice.
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Ensayo de Compresión Triaxial No Consolidado y No Drenado (UU)
En este ensayo no drenado el esfuerzo desviatorio es aplicado rápidamente, ya que no se contempla de forma paralela la medición de presión de poros. Por lo tanto, la velocidad de deformación queda principalmente determinada por la capacidad del laboratorista de registrar manualmente datos de carga, esto en el caso que la máquina triaxial no tenga un funcionamiento del tipo automático. Además, en la norma ASTM D2850-03a se establece una diferenciación entre la velocidad propuesta para cortar materiales de comportamiento frágil y plástico. Para materiales frágiles la velocidad propuesta es menor, ya que en ellos la falla se produce claramente acompañada de un peak en su curva de resistencia, necesitándose por ende más tiempo para poder realizar más lecturas en la cercanía de este punto. Así, la norma en cuestión establece, casi recomendativamente, las siguientes velocidades de deformación para materiales que fallan tentativamente entre un 3 y 6 [%] de deformación axial unitaria:
En materiales plásticos: 𝜖̇ = 1,0 [ %
𝑚𝑖𝑛] (2-29)
En materiales frágiles: 𝜖̇ = 0,3 [ %
𝑚𝑖𝑛] (2-30)
Ensayo de Compresión Triaxial Consolidado Isotrópicamente y No Drenado (CIU)
Este ensayo no drenado si contempla la medición paralela de la presión de poros en cada instante, teniendo que por tanto utilizarse una velocidad de deformación suficientemente lenta que permita la continua estabilización de la presión de poros a través de toda la probeta. La norma ASTM D4767-11 propone las siguientes expresiones para calcular la velocidad límite o máxima que podría utilizarse para cortar la probeta bajo estas condiciones:
Si 𝜖𝑎𝑓 ≥ 4 [%]: 𝜖̇ = 4 [%] 10𝑡50 (2-31) Si 𝜖𝑎𝑓 < 4 [%]: 𝜖̇ = 𝜖𝑎𝑓 10𝑡50 (2-32) Donde:
𝜖𝑎𝑓: Deformación axial unitaria tentativa en la falla, [%].
𝑡50: Tiempo necesario para alcanzar el 50 [%] de la consolidación primaria, ítem 2.2.3.3.
Ensayo de Compresión Triaxial Consolidado Isotrópicamente y Drenado (CID)
Este ensayo constituye ser el caso más desfavorable, donde la carga debe aplicarse lentamente posibilitando la completa y continua disipación del exceso de presión de poros a través del drenaje y en cada instante. Por lo tanto, los esfuerzos medidos y calculados son directamente
54 efectivos. La norma ASTM D7181-11 propone las siguientes expresiones para calcular la velocidad límite o máxima que podría utilizarse para cortar la probeta bajo estas condiciones:
Con tiras o jaula de papel filtro:
Si 𝜖𝑎𝑓 ≥ 4 [%]: 𝜖̇ = 4 [%] 16𝑡90 (2-33) Si 𝜖𝑎𝑓 < 4 [%]: 𝜖̇ = 𝜖𝑎𝑓 16𝑡90 (2-34)
Sin tiras o jaula de papel filtro:
Si 𝜖𝑎𝑓 ≥ 4 [%]: 𝜖̇ = 4 [%] 10𝑡90 (2-35) Si 𝜖𝑎𝑓 < 4 [%]: 𝜖̇ = 𝜖𝑎𝑓 10𝑡90 (2-36) Donde:
𝑡90: Tiempo necesario para alcanzar el 90 [%] de la consolidación primaria, ítem 2.2.3.3.
La velocidad de carga en ensayos de compresión triaxial CID es aproximadamente diez veces más lenta que en ensayos de compresión triaxial CIU.
2.4.11.2.Consideraciones Sobre Cálculos
Información más detallada en relación a las fórmulas a ser utilizadas para calcular las distintas variables involucradas en ensayos de compresión triaxial convencionales, específicamente los de compresión triaxial CIU y CID, es presentada en el ítem 3.5.4 de esta memoria. Por ahora sólo se explicará algunas consideraciones que realizan las normas respectivas y que influyen directamente sobre las fórmulas que allí se presentan.
Altura, Área y Volumen de la Probeta al Comienzo de la Etapa de Corte
Es fundamental para un correcto cálculo e interpretación de los datos y resultados de ensayos de compresión triaxial convencionales, obtener confiablemente la altura, área y volumen de la probeta al comienzo de la etapa de corte.
En el ensayo de compresión triaxial UU, al no considerar las etapas de saturación y consolidación, se supone que la altura, área y volumen de la probeta al comienzo del corte, son datos de confección y que cualquier alteración que pudiera experimentar la probeta antes cortarla es mínima y despreciable o así debería serlo en pos de ejecutar el ensayo correctamente.
Con respecto a los ensayos de compresión triaxial CIU y CID, estos si consideran las etapas de saturación y consolidación, donde evidentemente la probeta sufrirá modificaciones a su altura, área
55 y volumen iniciales. Es importante por tanto determinar estas variaciones para así poder corregir los valores iniciales de confección y obtener valores representativos promedio al comienzo de la etapa de corte. La variación de altura se calcula como el descenso/ascenso del pistón de carga axial por sobre el cabezal superior de la probeta. La variación de volumen cuenta con dos componentes, una durante la saturación y otra durante la consolidación. La variación de volumen durante la saturación, en la mayoría de los casos, no es posible determinarla de forma directa. Es por ello que usualmente se utiliza una expresión (ecuación (3-4)) que contiene parámetros iniciales de la probeta y la variación de altura que ésta experimenta durante la saturación. La otra componente de cambio volumétrico se obtiene directamente de la diferencia de valores que marque la bureta o aparato de medición de cambio volumétrico respectivo.
Área de la Probeta Durante la Etapa de Corte
A medida que es aplicado el esfuerzo desviatorio, la probeta va sufriendo deformaciones y cambios de volumen que van modificando en cada instante el área promedio que esta posee. Las normas ASTM D2850-03a, ASTM D4767-11 y ASTM D7181-11 proponen fórmulas para ir calculando el área corregida para cada nivel de deformación, todo esto suponiendo que la probeta se deforma como un cilindro recto, lo cual claramente no es del todo cierto dada la fricción que se presenta en los extremos de la probeta. A continuación se presenta esta deducción:
Se sabe que 𝐴𝑐, 𝐻𝑐 y 𝑉𝑐 denotan el área, altura y volumen de la probeta al comienzo de la etapa
de corte. Entonces, si 𝐴 es el área promedio después de un cambio ∆𝐻𝜖 de altura y ∆𝑉𝜖 de
volumen, se sigue que:
𝐴(𝐻𝑐+ ∆𝐻𝜖) = 𝑉𝑐+ ∆𝑉𝜖 (2-37)
𝐴 = 𝑉𝑐+ ∆𝑉𝜖 𝐻𝑐+ ∆𝐻𝜖
(2-38)
La ecuación (2-38) es la presentada en la norma ASTM D7181-11 para el ensayo de compresión
triaxial CID, donde ∆𝑉𝜖 es positivo si la probeta ha aumentado de volumen durante el corte y
negativo en caso contrario. Con respecto a ∆𝐻𝜖, este es siempre negativo, ya que la probeta
siempre disminuye su altura en esta etapa en los ensayos de compresión. Por ello suele realizarse el siguiente arreglo:
𝐴 = 𝑉𝑐+ ∆𝑉𝜖 𝐻𝑐− |∆𝐻𝜖|
(2-39)
Considerando que la deformación axial unitaria 𝜖1 =
|∆𝐻𝜖|
𝐻𝑐 y que 𝐴𝑐 =
𝑉𝑐
𝐻𝑐, la ecuación (2-39)
56 𝐴 = 1 +∆𝑉𝜖 𝑉𝑐 1 −|∆𝐻𝜖| 𝐻𝑐 ∗ 𝑉𝑐 𝐻𝑐