Clase 1 Ensayo Triaxial (Resistencia al corte) 2022-01.pdf

1
2022-1
RESISTENCIA AL CORTE
1. Cuando la masa de suelo falla por resistencia, los
esfuerzos cortantes actuantes en un determinado plano
superaron la resistencia al corte en dicho plano.
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES:
2. La resistencia al corte en un determinado plano está
directamente relacionada con: velocidad de carga, estado
tensional inicial (Normal.C o Sobre.C), magnitud los
esfuerzos normales efectivos actuantes en dicho plano.
3. Los esfuerzos efectivos cambian en la medida que se
permita la consolidación.
El estudio de la resistencia al corte de los suelos se requiere para
estimar su capacidad de carga.

2
Es uno de los métodos más confiables
disponibles para la determinación de los
parámetros de resistencia al corte. Ampliamente
utilizado en el estudio del comportamiento
esfuerzo-deformación del suelo.
Aplicaciones
El ensayo triaxial puede aplicarse en los siguientes
procesos constructivos:
En fundaciones de obra:
Para cimentaciones colocadas en terrenos arcillosos saturados, la condición
inmediatamente después de completar la construcción, es casi siempre la más
crítica. Esto es porque la carga completa es aplicada al terreno y éste no ha
tenido tiempo para ganar la resistencia adicional por consolidación. Por estas
condiciones, la resistencia al corte es determinada por pruebas al corte Triaxial.
En estabilidad de Taludes:
En cualquier caso de construcción de taludes, sean estos hechos por la mano
del hombre o formados naturalmente en faldas de montaña o bordes de río,
se tiene por resultado componentes gravitacionales del peso que tienden a
movilizar el suelo desde un nivel más alto hasta uno más bajo. La filtración
puede ser una causa muy importante para movilizar el suelo cuando el agua
está presente, estas fuerzas variantes producen esfuerzos cortantes en la masa
del suelo, y ocurrirá movimiento, a menos que la resistencia al corte sobre
cada posible superficie de falla a través de la masa sea mayor que el esfuerzo
actuante.

3
Aplicaciones
El ensayo triaxial puede aplicarse en los siguientes
procesos constructivos:
Empujes:
Al proyectarse estructuras de contención, debe asegurarse solamente que no
solo se produzca el colapso o falla. Desplazamientos de varios centímetros no
suelen tener importancia, siempre que se asegure que no se producirán
repentinamente desplazamientos más grandes. Por ello el método para el
proyecto de estructuras de retención suele consistir en estudiar las condiciones
que existirán en una condición de falla, introduciendo factores de seguridad
convenientes, para evitar el colapso.
Principios del Ensayo de Compresión
Triaxial Compresión (TC)
 El ensayo de compresión triaxial se usa para
medir la resistencia al corte de los suelos
bajo condiciones controladas de drenaje.
 Un espécimen cilíndrico de suelo (H/D=2/1)
se sujeta a presiones laterales de un líquido,
generalmente agua, del cual se protege con
una membrana impermeable y es cargada
axialmente hasta la falla mediante la
aplicación de un esfuerzo desviador.
D ≈ 2” a 3”

4
Esquema del equipo triaxial
Ingeniería Civil - Universidad de Sucre
Medida de la presión
de cámara.
Medida de la presión
de poros.
Membrana impermeable
Agua en la celda
Empaque circular
Sección redonda
(Arosello)
Piedras porosas
Cámara de confinamiento
Carga desviadora
Muestra
Entrada del agua.
Drenaje
Suelo
Montaje de la Muestra
Muestra

5
Montaje de la Muestra
Membrana y
Arosello
Piedras
porosas
Cámara
Agua Marco de
carga
Centro de
control
Presión de
cámara,
3
Dd=P/A
A
F
(1 - 3) = “Esfuerzo desviador”
P (Carga desviadora)
1 = Dd + 3
Dd= (1 - 3)
1ra Etapa
2da Etapa

6
RESISTENCIA AL
CORTE
Ensayos Triaxiales.
 Hay cuatro tipos de ensayos:
1. Consolidada-drenada (CD) [c’ y ’]
2. Consolidada-No drenada (CU) [c’ y ’]
3. No consolidada- No drenada (UU) [cu]
4. Compresión Inconfinada [cu]
S = c’+ ’ tan ’
n
S= cu
Resistencia efectiva.
Condición drenada
Resistencia en totales.
Condición no drenada

7
Estado tensional inicial
Drenaje
uo
1ra Etapa
Objetivo: Llevar la muestra a un estado tensional efectivo equivalente (representativo) al
que ella presenta en campo.
’o
o
Nivel freático
z1
... en campo...
z2
z3
Un esfuerzo vertical total v
presión de agua, u
esfuerzo vertical efectivo, ´v
Esfuerzo horizontal efectivo, ´H = K ´v
Esfuerzo horizontal totaL H = ´H +u
o= [v + 2H]/3
’o= [´v + 2 ´H]/3
1
2
3
2 = 3 = h
Media de los tres esfuerzos principales efectivos
Se aplica presión de cámara: Dc
Cambio en la presión de
poros= Duc
Drenaje
Drenaje
uo
c c
u B 
D  D
t= 0 sg u=uo+ Duc
1ra Etapa
Cambios en la presión del agua Du en un elemento de suelo debido a cambios en los
Esfuerzos totales (principal mayor y menor) en condiciones no drenadas
’o
o
o+Dc
uo
Duc
+

8
Parámetro de Skempton para presión de poros (B)
N, Sivakugan. Geotechnical Engineering.
JRoss Publishing. 2010.
Cambio de volumen
Consolidación
Drenaje
Drenaje
Final
t=  sg u=uo
1ra Etapa
o+Dc
uo
’>>
’o
o+Dc

9
Se aplica presión de cámara: Dc
poros= Duc
Drenaje
Drenaje
uo
c c
u B 
D  D
t= 0 sg u=uo+ Duc
1ra Etapa
’o
o
o+Dc
uo
Duc
+
Sin cambio de volumen
Sin Consolidación
Objetivo: Someter la muestra a corte mediante la aplicación de esfuerzo desviador
2da Etapa
Estado final etapa 1
Drenaje
u
c
Drenaje
u
c
Dd
Se aplica esfuerzo desviador: Dd
poros= Dud
d d
u A 
D  D
Dud
+

10
Parámetros de presión intersticial
D3
D3
Duc
Dd
Dud
Dud= Ẫ Dd
Presión de poros por
confinamiento
desviador
Duc= B D3
B= 1 Para suelos saturados
B= 0 Para suelos secos
Tipo de suelo Af
A. Alta sensiibilidad 0.75 – 1.5
Arcilla N.C 0.5 – 1.0
A. Ligeramente preconsolidada 0.0 – 0.5
A. fuertemente preconsolidada -0.5 – 0.0
N, Sivakugan. Geotechnical
Engineering. JRoss Publishing.
2010.
Ẫ = A B
D3
D1
Presión de poros en la falla
=
Du
D3
D3
Duc
+
Dd= D1 - D3
Dud
Dud= Ẫ Dd
confinamiento
desviador
Duc= B D3 Du = B D3 + Ẫ Dd
Ẫ = A B
2da Etapa
RESUMEN DOS ETAPAS
1. Consolidada-drenada (CD) [Du=0]
2. Consolidada-No drenada (CU) [Du= Dud]
3. No consolidada- No drenada (UU) [Du= Duc +Dud]

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Consolidado- drenado
 También llamado lento.
 Válvulas de drenaje abiertas durante la consolidación
y durante la fase de corte.
 La carga es aplicada a rata baja, , el reajuste de
las partículas no inducen en el espécimen ningún
exceso de presión de poros.
 Este ensayo simula la resistencia al corte de suelos
cohesivos a largo plazo.
Ensayo
Se utilizan esencialmente en suelos granulares (arenas); sin
embargo, se puede aplicar en suelos finos, pero los ensayos
requieren tiempos prolongados del orden de semanas.
Envolvente de falla – Ensayos Drenados (CD)
Se preparan 3 muestras y se realizan 3 ensayos CD
bajo distintas presiones confinantes
Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
u
Consolidación isótropa
200
200
w
30


12
Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
u
200
200
w
30

Carga desviadora
200
200
w
30

Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
200
200
w
30

Carga desviadora
200
448.9
w
30

418.9 448.9
Velocidad aplicación
carga desviadora
Suelo Velocidad
Arcilla 0.5 a 2 µm/min
Arena 5 mm/min

13
Muestra 1 Muestra 3
Muestra 2
200
200
w
30

400
400
w
30

600
600
w
30

Etapa de aplicación de presión confinante – Consolidación isótropa
200
448.9
w
30

400
911.6
w
30

600
1404.4
w
30

Etapa de aplicación de carga axial hasta la falla
Con los esfuerzos principales mayores y menores de falla para cada prueba, se pueden extraer los círculos de Mohr y
se puede conseguir la envolvente de falla.
’25
t
´ -u
170 418.9
Muestra 1
370 881.6
Muestra 2
570 1374.4
Muestra 3
Envolvente para arcillas Normalmente
Consolidadas en ensayos CD
Deformación ()

1
-

3
(kN/m
2
)
D = 511.6 kN/m2
 3 = 400 kN/m2
D = 804.4 kN/m2
 3 = 600 kN/m2
D = 248.9 kN/m2
 3 = 200 kN/m2
w
30

u
=
30
1 = 448.9 kN/m2

3
=
200
kN/m
2
w
30

u
=
30
1 = 911.6 kN/m2

3
=
400
kN/m
2
w
30

u
=
30
1 = 1404.4 kN/m2

3
=
600
kN/m
2

14
Envolvente para arcillas Sobre Consolidadas
en ensayos CD
’p Ingeniería Civil - Universidad de Sucre
 ’
n
t
 3
1,falla
Sf = c’+ ’ tan ’
n
Envolvente para arcillas Preconsolidadas en
ensayos CD

15
 ’
n
t
 3
1,falla
Sf= c’+ ’ tan ’
n
Envolvente para arcillas Preconsolidadas en
ensayos CD
Se utilizan esencialmente en suelos granulares (arenas), sin
embargo, se puede aplicar en suelos finos, pero los ensayos
requieren tiempos prolongados del orden de semanas
EJEMPLO 1
A continuación se muestran los resultados de una prueba triaxial drenada
(C.D) para una arcilla Normalmente Consolidada.
a. Encontrar los parámetros de resistencia al corte.
b. Determinar el ángulo  que el plano de falla forma con el plano principal
mayor.
c. Encuentre el esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo de corte sobre el plano
de falla.
d. Encuentre el esfuerzo normal efectivo sobre el plano de esfuerzo cortante
máximo.
3 = 60 kPa
d(f)=135 kPa
3 = 60 kPa
u0 = 0 kPa

16
a. Encontrar los parámetros de resistencia al corte.
EJEMPLO 1
t
´
’
3 = 60 kPa
d(f)=135 kPa
CD
127.5
90º
R=67.5
'
'
67.5
sen
127.5
31.97º




3 = 60 kPa
u0 = 0 kPa
En la falla:
'
3( f ) 3 f
u 60 kPa
 
 - 
'
1( f ) 1 f 1 3 d
'
1( f )
u ,
60 135 0 195kPa
    

 -  
  - 
60 195
La envolvente de falla es
Tangente al circulo
'
La línea radial ab
(90° línea de resistencia)
Representa el plano de falla
a
b
EJEMPLO 1
b. Determinar el ángulo  que el plano de falla forma con el plano principal
mayor.
t
´
'
60
CD
195
90º
127.5
'
'
2 90
 
 
'
45 60.99º
2

   
3 = 60 kPa
d(f)=135 kPa
3 = 60 kPa
u0 = 0 kPa
 La línea radial ad
(Rep. Plano principal mayor)
a d
Cuando los lados de ambos ángulos son
perpendiculares entre sí los ángulos son iguales.
'
Plano de
falla
45 + /2

17
c. Encuentre el esfuerzo normal efectivo y el esfuerzo de corte sobre el plano
de falla.
t
´
127.5
EJEMPLO 1
'
60
CD
195
'
' 127.5
sen
67.5


-

' 2
91.76 kN / m
 

t
'
cos
67.6
t
 
2
57.26 kN / m
t 
3 = 60 kPa
d(f)=135 kPa
3 = 60 kPa
u0 = 0 kPa
R=67.5

d. Encuentre el esfuerzo normal efectivo sobre el plano de esfuerzo cortante
máximo.
t
´
127.5
EJEMPLO 1
'
60
CD
195
tmax
3 = 60 kPa
d(f)=135 kPa
3 = 60 kPa
u0 = 0 kPa

18
Consolidado-No drenado
 Aplicar 3 y espere hasta que el suelo se consolide.
 Las válvulas de drenaje permanecen abiertas durante la fase de
consolidación pero se cierran durante la fase de corte.
(Drenaje y consolidación son permitidas durante la aplicación de la presión de
confinamiento 3)
 La aplicación de la carga no comienza hasta que la muestra deje
de drenar (o consolidar).
 Este ensayo puede simular las condiciones de resistencia a largo
plazo tan bien como las de corto plazo para suelos cohesivos, si
la presión de poros es medida durante la fase de corte.
 Con este ensayo podemos obtener;
 c’, ’ (Esfuerzo Efectivo)
 ccu, cu (Esfuerzos Totales)
Envolvente de falla – Ensayos Drenados (CU)
Se preparan 3 muestras y se realizan 3 ensayos CU
Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
u
200
200
w
30

carga desviadora
Suelo Velocidad
Arcilla 2 a 20 µm/min
Arena --------NO---------
La duración de la etapa de consolidación depende al tipo de suelo y al tamaño de
la probeta, en algunos casos esta etapa puede durar hasta 48 horas; mientras que
la etapa de compresión puede durar de 10 minutos hasta 2 horas.

19
Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
u
200
200
w
30

Carga desviadora
200
200
w
30

Muestra 1
71.3
71.3
w
30

Antes del Ensayo
, ’
c
’c
t
200
200
w
30

Carga desviadora
200
308.5
w
9
.
125

418.9 448.9 , ’
c
’c
t
182.6
308.5
(CD) (CU)
74.1

20
Envolvente de falla – Ensayos No Drenados (CU)
Muestra 1 Muestra 3
Muestra 2
200
200
w
30
 400
400
w
30
 600
600
w
30

Etapa de aplicación de presión confinante – Consolidación isótropa
200
308.5
125 9
w
.
 400
636.1
238 7
w
.

600
963.7
351 5
w
.

’ ≈25°
´ -u
t
74.1 182.6 366 612.2
248.5
125.9
238.7
351.5
t

200 308.5 636.1
600 963.7
Muestra CU 1
Muestra CU 2
Muestra CU 3
400
cu≈13°

21
CU Resultados
´
t
1
3
cu
ccu
´
c´
1
 
3

2. La ecuación de la envolvente de falla en condiciones drenadas para una
arcilla normalmente consolidada es . Una prueba triaxial
consolidada no drenada se realizó sobre un espécimen del mismo suelo
bajo una presión de confinamiento de 105 kpa.
EJEMPLO 2
 

f n
S tan 28º
3 = 105 kPa
d(f)=97 kPa
a. Determinar el ángulo consolidado no drenado cu.
b. Presión de agua en el momento de la falla.
EN LA FALLA

22
EJEMPLO 2
t
´, 
'
3 = 105 kPa
d(f)=97 kPa
CD
153.5
R=48.5
'
3
3 d ( f )
48.5
sen 28º
48.5
48.5
u 48.5





- 
3 = 105 kPa
u0 = 0 kPa
En la falla:
3( f ) 105kPa
 
1( f ) 105 97 202kPa
   
?? ??
ud 105 202
CU
cu
90º
R=48.5
d( f )
u 50.2kPa

El esfuerzo cortante actuante en
cualquier plano será el mismo en
Condiciones totales y efectivas
2 90 '
 
 
=18.5°
EJEMPLO 2
t
´, 
'
3 = 105 kPa
d(f)=97 kPa
CD
153.5
R=48.5
'
3
3 d ( f )
48.5
sen 28º
48.5
48.5
u 48.5





- 
3 = 105 kPa
u0 = 0 kPa
En la falla:
3( f ) 105kPa
 
1( f ) 105 97 202kPa
   
?? ??
ud 105 202
CU
cu
90º
R=48.5
d( f )
u 50.2kPa

El esfuerzo cortante actuante en
cualquier plano será el mismo en
Condiciones totales y efectivas
2 90 '
 
 
=18.5°

23
No consolidado-No drenado
 Este ensayo tambien es llamado rápido.
 3 and D son aplicados rápidamente y el suelo no
tiene tiempo de consolidarse bajo estas cargas.
 El ensayo es ejecutado con las válvulas del drenaje
cerradas durante las dos fases del ensayo.
(Al agua no se le permite drenar)
 El ensayo UU simula las condiciones de resistencia
al corte de suelos cohesivos a corto plazo.
 Para este ensayo, u  0
 s = cu = Su = (1-3)/2
Ensayos No Consolidados – No Drenados (UU)
Se tienen 3 muestras “inalteradas” idénticas y se realizan 3 ensayos UU
Muestra 1 Muestra 3
Muestra 2
600
582
w

200
226.4
182
w

400
426.4
382
w

626.4
200
200
w
7
.
158

400
400
w
7
.
358

600
600
w
7
.
558

Etapa de aplicación de presión confinante de cámara
Estado tensional inicial para las tres muestras
71.3
71.3
w
30


24
’
´ -u
t
74.1 161.3 182.6 248.5 612.2
397.4
125.9
238.7
351.5
182
382
582
t

200 308.5 400 600 963.7
Muestra CU 1
Muestra CU 2
Muestra CU 3
636.1
UU 1 UU 2 UU 3
226.4 426.4 626.4
13.2
44
carga desviadora
Suelo Velocidad
Arcilla 0.25 a 0.5
mm/min
Arena --------NO------
Ensayos No Consolidados – No Drenados (UU)
UU:La duración del ensayo es de 10 a 15 minutos

25
UU Resultados
Si la muestra de arcilla está saturada la presión de poros
toma el incremento en la presión de cámara sin
modificación en el esfuerzo efectivo de la muestra y,
por tanto, sin modificación en la resistencia al corte.
t

1
3
Cu

t
UU Resultados
En consecuencia, el desviador de esfuerzos necesario
para fallar la muestra es independiente de la presión
de cámara a la cual se realiza el ensayo.
t

1
3
1

3

'
tan
' 

t n
c 


D
2
Cu d



t

26
UU Resultados
Cuando los esfuerzos cambien y probablemente causen la
falla en condiciones no drenadas, el análisis de estabilidad
puede hacerse en términos del esfuerzo total
t

1
3
1

3

'
tan
' 

t n
c 


D
Cu

t
UU Resultados
Este análisis conduce a una rápida estimación de la estabilidad, ya que
la resistencia al corte no drenada en cualquier punto se define sólo por
la cohesión no drenada Cu. De igual manera, tales análisis podrían
realizarse en términos de esfuerzos efectivos, pero ello requiere la
determinación explicita del exceso de presión de poros (Arcilla N.C).
t

1
3
1

3

'
tan
' 

t n
c 


D
Cu

t

27
Se llevó a cabo un ensayo de compresión triaxial de tipo no consolidado no
drenado (UU) sobre una muestras inalteradas de arcillas saturadas, y se
obtuvo el siguiente resultado.
Determinar el valor del esfuerzo principal en el momento de la falla si se
realiza un ensayo UU con una presión de cámara de 200 kPa.
EJEMPLO 3
Ensayo N° 3(kN/m2) df (kN/m2)
1 100 188
t

Fu0
100
UU
288
R
1 100 188 288 kPa
   
d
R Cu
2

 
1 2 200 188 388 kPa
 -   
d=188 kPa
100 288
94
200 388
Durante la etapa de aplicación de la presión de cámara en cada muestra el estado tensional en condiciones efectivas será el
mismo inicial. En la etapa de aplicación del esfuerzo desviador, si bien los esfuerzos efectivos cambian, la resistencia
en todas las muestras serán las mismas dado que todas arrancaron con el mismo esfuerzo efectivo. D’×desv=cte.
Ensayo de Compresión Inconfinada
 Para suelos arcillosos.
 Especimen cilindrico.
 Sin esfuerzo de confinamiento
(3 = 0)
 Esfuerzo Axial, D = 1
 ASTM D-2166
3 = 0
1

28
3=0
1
Compresión
Uniaxial
Deformación ()
1 (kN/m2)
q(u)
carga desviadora
Suelo Velocidad
Arcilla 0.25 a 0.5
mm/min
Arena --------NO------
CI:La duración del ensayo es de 10 a 15 minutos

29
n
t
qu= Resistencia a la compresión simple
3 = 0 1, falla = qu
Cu
Cu= Resistencia al corte no drenada
’1, falla
x x x
Criterio de Falla
t
’
n
’1
Sf c’+ ’.tan 
n
x x
’2
x
















2
'
45
tan
'
c
2
2
'
45
tan2
'
2
'
falla
,
1





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