Caracterización mecánica

Cilindro de suelo resultante. Elaboración propia.

Preparación de la muestra en laboratorio

Una vez se tiene la muestra de suelo, teniendo en cuenta que para este caso se conserva un réplica, se lleva al laboratorio.

Para la preparación, se extrae del tubo Shelby la muestra de suelo y es necesario realizar un proceso de pulido, con ayuda de un molde cilíndrico y una espátula de laboratorio, enrasando de buena manera la superficie y dejando a un lado el material sobrante que puede ser de utilidad para ensayos futuros.

Es importante destacar que la relación altura/diámetro, es decir, la esbeltez, cumple los parámetros requeridos puesto que su valor es de aproximadamente 2.35. Al cumplir que la relación de esbeltez sea superior a 2 e inferior a 2.5, se evita la falla por pandeo.

De manera general se ha encontrado en investigaciones pasadas que en probetas de esbeltez y geometría similar, la resistencia a la compresión simple varía con el volumen de la muestra; generalmente entre más volumen la resistencia disminuye considerablemente.

Las características como: volumen, altura, perímetro, masa húmeda y seca del cilindro de suelo obtenido fueron previamente enunciadas en el apartado Caracterización física (click para ir).

Espátula de laboratorio, imagen de referencia. (ABC laboratorios, 2022).

Molde cilíndrico, imagen de referencia. (Cotecno, 2022).

Extracción de la muestra del tubo Shelby. Elaboración propia.

Procedimiento

Para el proceso de caracterización mecánica, en un inicio, se lleva a cabo el ensayo de compresión simple con el cilindro de suelo preparado en laboratorio. Así, se obtienen los valores de carga y desplazamiento arrojados por el equipo HUMBOLDT hasta que se presente la falla.

En este tipo de ensayo no existe el confinamiento, por lo tanto Los esfuerzos horizontales son cero. Solamente existe un esfuerzo vertical generado por la carga que proporciona la máquina de ensayos. Además, para este tipo de ensayo por compresión simple, se supone un suelo puramente cohesivo, lo que significa que el ángulo de fricción interno del suelo (Φ) es igual a cero, esto implica que no existirá falla debido al deslizamiento de partículas sino que la falla se dará cuando la carga aplicada supere la fuerza eléctrica que mantiene unida a las partículas finas del suelo.

El tipo de falla para este suelo fue paralela al esfuerzo vertical ejercido, sin embargo, el plano no era netamente recto, era principalmente rugoso.

Ensayo de compresión simple. Elaboración propia.

Gráfica esfuerzo-deformación

Se tienen en cuenta los siguientes datos para hallar el esfuerzo a partir de la carga aplicada hasta llegar a la falla.

Datos cilindro de suelo. Elaboración propia.

Haciendo uso de los datos obtenidos en el ensayo de compresión simple no confinada, se procedió a obtener las deformaciones porcentuales con respecto a la altura promedio y los esfuerzo en kPa por medio del área transversal del cilindro, obteniendo así como resultado los siguientes valores.

A partir del ensayo realizado se construye la curva esfuerzo-deformación tomando los valores de esfuerzo en kPa y la deformación en porcentaje. Para hallar la siguiente curva.

Propiedades mecánicas

Usando la gráfica obtenida del ensayo, se procede a realizar el análisis de la curva, para así obtener las características mecánicas de la muestra.

Análisis.

Tras analizar los datos obtenidos de la gráfica se puede decir que la muestra de suelo extraída presenta poca plasticidad mecánica al ser comparada con su elasticidad, esto debido a que tras pasar el punto de esfuerzo de fluencia, el suelo tiende a fracturarse con rapidez, sin deformarse demasiado tras el final de la región elástica.

Lo que indica que al momento de elaborar alguna obra civil que disponga de mucha carga sobre el suelo en cuestión, se tiene que tener precaución de no exceder o estar cerca al esfuerzo máximo de rotura, pues un comportamiento plástico sin control causaría grandes fallas mecánicas en obras, como puede ser la falla del suelo subyacente a las cimentaciones de las edificaciones.

Módulo de elasticidad o módulo de Young (E)

Este módulo representa la pendiente que está afectando a la gráfica en la región elástica, la cuál va desde el 0% al 3% de deformación.

Tenacidad (T)

Esta es la energía de deformación total que puede acumular un material o un suelo en este caso, antes de fallar.

En este caso fue calculado a través del área bajo la curva usando una línea de tendecia generada por excel a través de los datos obtenidos, esta ecuación se integra usando como límite superior e inferior los datos máximos y mínimos de la deformación, es decir 0% y 3.629%.

Resiliencia(Ur)

Esta es la energía de deformación que puede ser recuperada al liberar los esfuerzos del material o en este caso del suelo.

En este caso fue calculado a través del área bajo la curva usando métodos geométricos, los cuales se basan en hallar la base y la altura de la zona de resiliencia, que puede ser representada aproximadamente a un triángulo rectángulo.

Circulo de Mohr

Este permite encontrar el cortante máximo (t), la cohesión (C) y el esfuerzo efectivo horizontal a través de los esfuerzos axiales.

Partiendo de los siguientes valores obtenidos anteriormente mediante la gráfica del ensayo y el supuesto de que el suelo es puramente cohesivo, se procede a realizar el esquema necesario para encontrar las propiedades mecánicas.

Tras el análsisi del esquema, se pueden obtener los siguientes datos a través del siguiente procedimiento.

Estos datos proveen información relevante acerca del comportamiento del suelo, debido a que de esta forma se conocen las cargas máximas a las que este puede ser sometido para no presentar fallas en condiciones no confinadas.

Cabe destacar que, el ensayo de compresión simple no recrea de manera óptima las condiciones de esfuerzo in situ a los cuales el suelo estaba sometido, puesto que no es consolidado. Por lo tanto, la cohesión (C) y el ángulo de fricción interno del suelo (Φ) son aproximaciones que se pueden realizar y ser útiles para construcciones civiles, teniendo en cuenta las limitaciones del ensayo.

Por lo tanto, es de importancia realizar ensayos triaxiales para simular de manera óptima los estados de consolidación y no drenado que presenta el suelo en condiciones naturales.

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