EQUIPO TRIAXIAL MONOTONO Y CICLICO DE ALTAS PRESIONES

EQUIPO TRIAXIAL MONOTONO Y CICLICO DE
ALTAS PRESIONES
David Solans R.
Magister Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile
dsolans@ing.uchile.cl
Ramón Verdugo A.
Profesor Adjunto, Depto. Ingeniería Civil, Universidad de Chile
rverdugo@cmgi.cl
RESUMEN
En el presente articulo se presentan los detalles del diseño y construcción de un equipo
triaxial para cargas monótonas y cíclicas que puede operar en un amplio rango de presiones
confinantes (0 a 6,0 MPa) para muestras de tamaño 5 x 10 cm y 10 x 20 cm (diámetro –
altura). Por sus características, el equipo logra gran versatilidad y utilidad en la obtención de
los parámetros de suelos sometidos a altas presiones.
Palabras claves: equipo triaxial, altas presiones, arenas de relaves
1.- INTRODUCCIÓN
La minería en Chile se encuentra liderando los proyectos de estructuras de tierra más grande
del mundo. En tranques de relaves los diseños superan los 250 m de altura y en botaderos
las alturas se acercan a los 1000 m. En este contexto, el nivel de tensiones confinantes de
los materiales ubicados en las zonas basales supera largamente los 1,0 MPa que permiten
los equipos convencionales de corte directo y triaxial. Consecuentemente, se decidió diseñar
y construir un equipo triaxial para cargas monótonas y cíclicas que permitiera un
confinamiento de hasta 6,0 MPa, de forma de establecer las propiedades geomecánicas de
suelos arenosos y gravosos en un amplio rango de presiones.
Tanto el diseño como la construcción se llevo a cabo en el laboratorio de sólidos y medios
particulados de la FCFM de la Universidad de Chile por los autores de artículo. Los
transductores fueron importados desde EE.UU.
2.- DISEÑO EQUIPO TRIAXIAL
2.1.- Datos Generales
En la Tabla 1, se presentan las principales características del equipo triaxial de carga
monótona y cíclica desarrollado:
Tabla 1.- Características equipo triaxial monótono y cíclico
Tamaño de probetas
5 x 10 cm
10 x 20 cm
Tamaño máximo de
partículas Dmáx
Hasta 17 mm
Tipos de Ensayos
Modo de Carga
CID compresión y extensión
CIU compresión y extensión
Triaxial Cíclico drenado y no drenado
Deformación controlada (estático)
Carga controlada (cíclico)
Rango de presiones
de confinamiento, σ’0
Carga axial máxima
0 a 6,0 MPa
200 kN
A continuación se presenta el esquema general del equipo desarrollado con sus respectivas
líneas de saturación y cambio volumétrico. Además, se describen las principales
componentes del equipo, entre las que destacan: cámara triaxial, marco de carga, sistema
de carga, aplicación de contrapresión y cambio volumétrico, aplicación de presión de
cámara, panel de control y sistema de adquisición de datos. (Fig. 1 y Fig. 2)
REGULADOR
VÁLVULA
DPT
TRANSDUCTOR
PRESIÓN
DIFERENCIAL
TP
TRANSDUCTOR
PRESIÓN
ESTANQUE
AGUA
ACONDICIONADOR
DE SEÑALES
LÍNEA DE
PRESIÓN
LÍNEA
ELÉCTRICA
BOMBA
DE AGUA
COMPRESOR
DE AIRE
CILINDRO
AMORTIGUADOR
TP
TP
DPT
Fig. 1.- Esquema general equipo Triaxial de Altas Presiones
Sistema de Carga
Marco de Carga
Panel de Control
Cámara Triaxial
Fig. 2.- Disposición general equipo Triaxial de Altas Presiones
2.2.- Cámara Triaxial
La cámara triaxial se compone básicamente de un cilindro metálico, barras de soporte, base
de cámara triaxial, tapa superior, y pistón de carga. La cámara triaxial se diseñó para trabajar
hasta presiones solicitantes de 6,0 MPa y transmitir una carga axial de 200 kN, para probetas
de tamaño 10 x 20 cm y 50 kN para probetas de 5 x 10 cm. (Fig. 3. A)
2.3.- Marco de Carga
Consiste en un marco de reacción compuesto por dos planchas rígidas unidas por cuatro
barras cilíndricas de acero. Este marco se apoya sobre una estructura metálica compuesta
por perfiles rectangulares de acero. El marco de carga se diseñó para soportar una carga
axial admisible de 400 kN. (Fig. 3. B)
2.4.- Sistema de Carga
Se basa en la aplicación de una carga axial a través de un tornillo de potencia, donde el
mecanismo de carga consiste en la aplicación de una solicitación a través de una sistema de
cadenas y engranajes, pasando a través de un reductor sin – fin corona, el que convierte el
movimiento angular en una carga axial que es transmitida por el tornillo de potencia al pistón
de carga y éste a su vez a la probeta a ensayar. El sistema de carga se diseñó para
transmitir una solicitación axial de hasta 200 kN. (Fig. 3. C)
2.5.- Aplicación de Contrapresión y Cambio Volumétrico
La contrapresión se aplica a través de un regulador que conecta la línea presurizada por un
compresor de aire. La presión del regulador pasa a una interfaz aire – agua, de modo que la
probeta a ensayar recibe presión de agua. El rango de presiones en que se ejerce esta
presión va desde 0 a 0,7 MPa (Fig. 3. D)
Dependiendo del tipo de ensayo (CID o CIU), la medición del cambio volumétrico se realiza
de dos alternativas: para ensayos del tipo drenado (CID), durante la etapa de consolidación
se utiliza una bureta graduada y en la etapa de ejecución de ensayo se utiliza un transductor
de presión diferencial (DPT), que mide una diferencia de columna de agua de forma digital.
(Fig. 3. E). Para ensayos del tipo no drenado (CIU), solo se requiere medir el cambio
volumétrico durante la etapa de consolidación mediante una bureta graduada.
2.6.- Aplicación de Presión de Cámara
Para presiones de 0 a 0,7 MPa, la aplicación de presión de cámara se realiza con el mismo
sistema de contrapresión mencionado anteriormente. Para presiones de 0,7 a 6,0 MPa, la
aplicación de presión de cámara se realiza a través de una bomba de agua de tres pistones y
un cilindro amortiguador de 60 litros de volumen, que permite mantener una presión
constante en la celda triaxial.
2.7.- Panel de Control
Para facilitar el manejo y operación de los sistemas de aplicación de contrapresión, medición
de cambio volumétrico y aplicación de presión de cámara, se implementó un panel de control
para el equipo triaxial. (Fig. 3. E)

A)
B)













Fig. 3.- A) Cámara triaxial. B) Marco de Carga.
C)



E)

















REGULADOR
DE AGUA
D)
REGULADOR
VÁLVULA
DPT


BOMBA
DE AGUA
TRANSDUCTOR
PRESIÓN
DIFERENCIAL
ENTRADA
MANGUERA
MANÓMETRO
CILINDRO
AMORTIGUADOR
DPT
LÍNEA DE
PRESIÓN


ESTANQUE
AGUA
REGULADOR
DE AIRE
Fig. 4.- Cont. C) Sistema de Carga. D) Aplicación presión de cámara y E) Panel de Control.
2.8.- Sistema de Adquisición de Datos
Para la adquisición de datos se utilizó un moderno sistema de transductores, acondicionador
de señal, tarjeta de conversión análogo – digital y programa de adquisición de datos, los que
permiten obtener un preciso registro de datos en computador. Los componentes del sistema
de adquisición de datos se detallan a continuación:
2.8.1.- Transductores
-
Transductor de desplazamiento (LVDT): Se utilizó un transductor de desplazamiento que
se ubica solidariamente al pistón de carga, para así medir la deformación de la muestra a
ensayar. El transductor utilizado tiene un rango de desplazamiento de ± 50,8 mm y una
precisión de ± 1% del máximo desplazamiento. (Fig. 5.A)
-
Transductor de Presión (TP): Se utilizan dos transductores de presión, uno para medición
de presión de cámara y otro para presión de poros. Dependiendo del rango de presiones
a medir durante la ejecución de ensayos, se utilizaron transductores de presiones que
alcanzan 1,45 y 10 MPa (Fig. 5.B)
-
Celda de Carga (LC): A fin de evitar el efecto del roce del pistón de carga, se implementa
el uso de celdas de cargas sumergibles que son capaces de medir en compresión como
extensión. Las celdas sumergibles miden cargas de hasta los 12 kN.
Complementariamente, se tiene una celda de carga externa que alcanza una carga
máxima de 120 kN, la cual se utiliza para cargas elevadas, donde el roce de pistón pasa
a ser despreciable. (Fig. 5.C y Fig. 5.D)
-
Transductor de Presión Diferencial (DPT): Tiene como propósito medir de modo digital
las variaciones volumétricas. El transductor de presión diferencial permite registrar
cambios volumétricos con una precisión de 0,01 cc para presiones que van desde 50 kPa
a 30,5 MPa (Fig. 5.E)
A)
B)
D)
C)
E)
Fig. 5.- A) Transductor de desplazamiento. B) Transductor de Presión. C) Celda de Carga
Sumergible. D) Celda de Carga Externa y E) Transductor de Presión Diferencial.
2.8.2.- Acondicionador de Señal, Tarjeta de Conversión Análoga Digital y Programa de
Adquisición de Datos
-
Acondicionador de señal: Se utiliza una unidad visualizadora y acondicionador de señal
que opera con cuatro canales: uno para celda de carga, dos para transductores de
presión y uno para transductor de deformación. El acondicionador de señal permite
seleccionar las frecuencias de respuesta y tasas de adquisición de datos del sistema de
transductores.
-
Tarjeta de conversión análoga digital: Para poder obtener un registro de datos en forma
digital, se utiliza una tarjeta de conversión análoga digital de 16 bits con una tasa de
muestreo de 200 kS/s.
-
Programa de adquisición de datos: Mediante el software LabView, se elaboró una rutina
de ensayos del tipo estático con una frecuencia de muestreo de 1 muestra por segundo.
Para los ensayos cíclicos, se implementó una rutina que permite definir una sinusoide de
carga en amplitud y frecuencia, la cual se sigue solidariamente para efectuar los ciclos de
carga y descarga. La frecuencia de muestreo en este caso correspondió a 10 muestras
por segundo.
3.- CALIBRACIÓN DE SENSORES EQUIPO TRIAXIAL
Para validar el equipo triaxial de altas presiones se realizó una calibración de los
transductores y dispositivos electrónicos.
La calibración corresponde a la relación directa entre la medición física y el voltaje de salida
del transductor. En este caso, se comparó un patrón físico con la lectura de unidad
visualizadora de transductores en voltaje escalado.
-
Calibración Transductor de Desplazamiento (LVDT): La calibración del transductor de
desplazamiento (LVDT) se realizó utilizando un dial y un transductor de deformación ya
calibrados como unidades patrón. Éstos se adosaron solidariamente al transductor de
desplazamiento a utilizar.
-
Calibración Transductores de Presión (TP): Esta calibración se llevó a cabo a diversos
rangos de presiones utilizando como unidades patrón los paneles de presión del
Laboratorio de Sólidos (MECESUP) del Depto. de Ing. Civil de U. de Chile (0 a 0,7 MPa)
y los paneles de la sección Geotecnia de IDIEM (0 a 3,0 MPa).
-
Calibración Celdas de Carga (LC): Se calibró la celda externa utilizando un anillo de
carga (unidad patrón IDIEM) para compresión y extensión en un rango de carga de 0 a
80 kN. La calibración de la celda de carga sumergible se realizó para tres presiones de
confinamiento (0, 2,0 y 3,5 MPa) utilizando como unidad patrón la celda de carga externa
previamente calibrada. La calibración de la celda sumergible realizada a 0 MPa fue
corroborada con la medición de un anillo de carga de hasta 20 kN.
-
Calibración Transductor Diferencial de Presión (DPT): La calibración del transductor de
presión diferencial se realizó igualando las buretas del panel de control, para luego hacer
variar la altura de la bureta interior graduada para obtener el registro de datos digitales.
4.- ENSAYOS DE VALIDACIÓN
4.1.- Ensayos realizados
Para validar el equipo triaxial se llevó a cabo una serie de ensayos triaxiales estáticos del
tipo CIU y ensayos cíclicos no drenado sobre muestras remoldeadas de tamaño 5 x 10 cm
para distintas presiones de confinamiento.
4.2.- Suelo Ensayado
El suelo ensayado corresponde a la arena de relaves del muro del tranque “El Torito” (Ref.
5). En la Fig.5 se presenta la curva granulométrica de esta arena. Esta arena posee un
contenido de finos de 15% (finos no plásticos), tamaño medio D50 = 0.16 mm, coeficiente de
uniformidad Cu = 3,3 y coeficiente de curvatura Cc = 1,2. La arena de relaves clasifica como
Arena Limosa (SM) de acuerdo a clasificación USCS. Este material presenta una gravedad
especifica GS = 2.75. Los índices de vacíos máximos y mínimos son emáx = 1.212 y
emín = 0.551, respectivamente. Los ensayos se realizaron a una densidad relativa de
DR = 60%.
Fig. 6.- Distribución Granulométrica Arena de Relaves Tranque El Torito
La preparación de muestras se realizó a través del método de Compactación Húmeda o Wet
Tamping (Ref. 13) con cinco capas compactadas con un 5% de humedad.
4.3.- Ensayos de Compresión Triaxial
Se llevó a cabo una serie de ensayos triaxiales del tipo CIU para presiones de confinamiento
de 0,5, 1,0 y 2,0 MPa. Los resultados se presentan en la Fig. 7.
Fig. 7.- A) Respuesta curvas tensión – deformación. B) Trayectoria de tensiones efectivas.
Ensayos triaxiales CIU.
En la Fig. 7.B se observa que se alcanza el estado último con un ángulo de fricción Ф = 40° y
cohesión nula. Para esta densidad de preparación de muestra se tiene un comportamiento
dilatante en términos de presiones de poros para una presión de 0,5 MPa y a medida que
aumenta la presión de confinamiento el comportamiento se hace contractivo, tal como indica
la teoría.
4.4.- Ensayos Cíclicos
La verificación de la respuesta cíclica se realizó a través de ensayos triaxiales cíclicos no
drenados para una presión de confinamiento de 2,0 MPa y razón de tensiones cíclicas, Rc,
de 0,21. Los resultados de desviador de tensiones cíclicas, presión de poros y deformación
unitaria en función del tiempo se presentan en la Fig. 8.A) y trayectoria de tensiones
efectivas y respuesta tensión – deformación en Fig. 8.B).
Se observa claramente el comportamiento cíclico en la trayectoria de tensiones efectivas y
en la curva tensión – deformación, tal como lo indica la teoría y la experiencia mundial en
este tipo de ensayo.
Fig. 8- A) Desviador de tensiones cíclicas, presión de poros y deformación unitaria en función
del tiempo. B) Trayectoria de tensiones efectivas y respuesta tensión - deformación.
5.- CONCLUSIONES
Teniendo en consideración la existencia en Chile de proyectos donde el nivel de tensiones
en masas de suelo supera ampliamente los 1,0 MPa, típicos de los equipos convencionales,
se decidió diseñar y construir un equipo triaxial monótono y cíclico con capacidad de aplicar
presiones de confinamiento de hasta 6,0 MPa.
A excepción de los transductores y unidad de adquisición de datos, el resto del equipamiento
del triaxial fue construido en Chile.
Los ensayos realizados permiten comprobar que el equipo funciona adecuadamente y por
tanto se está en condiciones de realizar investigaciones a propiedades y parámetros de
suelos finos, arenas y gravas de tamaño máximo 17 mm sometidas a altas presiones.
6.- AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al programa de Magister en Ingeniería Geotécnica de la Universidad
de Chile, al personal del Laboratorio de Solidos MECESUP, en especial al Sr. Omar
González. También se agradece el aporte del Laboratorio de Geotecnia de IDIEM, en
especial Sr. Mario Vásquez y Sr. Ariel Villagra.
7.- REFERENCIAS
1- ASTM D-3999-91: “Standard Test Methods for the Determination of the Modulus and
Damping Properties of Soils Using the Cyclic Triaxial Apparatus”.
2- ASTM D-5311-92: “Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of
Soil”.
3- Baldi, G., Hight, D. Q. & Thomas, G. E. (1986): “A reevaluation of conventional triaxial test
methods”, Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP 977, pp. 219 – 263.
4- Bishop, A. W. & Henkel, D. J. (1962): “The Measurement of Soil Properties in the Triaxial
Test”. Edward Arnold Publishers. 227 p.
5- Corral, G. (2008): “Efecto del esfuerzo de corte estático inicial en la resistencia cíclica en
arenas”. Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería mención
Ingeniería Geotécnica. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
6- Hoque, E. & Tatsuoka, F. (2004): “Triaxial Testing System for Measuring Loading-Rate
Effects During Cyclic Tests of Sand”. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 27,
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7- Lacasse, S. & Berre, T. (1988): “Triaxial testing methods for soils”. Advanced Triaxial
Testing of Soil and Rock, ASTM STP- 977, 1988, 264-289.
8- Lade, P. V. (1988): “Automatic Volume Change and Pressure Measurement Devices for
Triaxial Testing of Soils”, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 11, Nº4, 263-268.
9- Menzies, B. & Hooker, P (2002): “GDS software-based dynamic and seismic laboratory
soil testing systems”. GDS publication. GDS Instruments Ltd.
10- Silver, M. L. (1979): “Automated Data Acquisition, Transducers and Dynamic Recording
for the Geotechnical Testing Laboratory”. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 2,
Nº, 185-189.
11- Solans, D. (2010): “Equipo Triaxial Monótono y Cíclico de Altas Presiones y su Aplicación
en Arenas de Relaves”. Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la
Ingeniería mención Ingeniería Geotécnica y Memoria para optar al titulo de Ingeniero
Civil. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
12- Tatsuoka, F. (1988): “Some Recent Developments in Triaxial Testing System for
Cohesionless Soils”. Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP- 977, 1988,
7-67.
13- Verdugo, R. (1992): “Characterization of sandy soil behavior under large deformation”.
Thesis presented in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of
Engineering. University of Tokyo. Department of Civil Engineering.