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Ensayo suelos 2
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7/17/2019 Ensayo de Corte Triaxial
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Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil Ambiental
ENSAYO DE CORTE
TRIAXIAL
INTEGRANTES:
Faya Castro , Wilper
Gallardo Esquén, VirgilioGuzmán Barrantes, Andrés
Perez Sanchez, Yeny
Ramos Gonzales, Hailer
Sanchez Olivos, Erlita
Vega Acuña, José
Villalobos Granadilno, Percy
II. DOCENTE:
Ing. Ángel Al ber t o Lorren Pal omi no
III. CURSO:
Mecánica de Suelos II
CHICLAYO 21 DE MAYO DEL 2015
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INTRODUCCIÓN
La prueba de ensayo triaxial es uno de los métodos más confiables
para determinar los parámetros de la resistencia al cortante.
En un ensayo triaxial, un espécimen cilíndrico de suelo es revestido
con una membrana de látex dentro de una cámara a presión. La partesuperior e inferior de la muestra tiene discos porosos, los cuales se
conectan al sistema de drenaje para saturar o drenar el espécimen.
En estas pruebas se pueden variar las presiones actuantes en tres
direcciones ortogonales sobre el espécimen de suelo, efectuando
mediciones sobre sus características mecánicas en forma completa.
Los especímenes usualmente están sujetos a presiones laterales de un
líquido, generalmente agua.
El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la
acción de un compresor comunicado con ella. La carga axial se
transmite al espécimen por medio de un vástago que atraviesa la parte
superior de la cámara.
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OBJETIVO
OBJETIVOS GENERAL
Determinar el Ángulo de Rozamiento Interno y la Cohesión del suelo,
que permitan establecer su Resistencia al Corte, aplicando a las
probetas esfuerzos verticales y laterales que tratan de reproducir los
esfuerzos a los que está sometido el suelo en condiciones naturales.
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CONCEPTOS BÁSICOS
El ensayo triaxial es utilizado habitualmente para determinar las propiedades resistentes y
deformacionales de un suelo, cuando éste está sometido a un estado de tensiones tal que dos de las
tensiones principales son iguales y donde los ejes principales de tensiones no giran.
El ensayo se realiza en una célula de pared transparente sobre muestras cilíndricas que, salvo que se
adopten precauciones especiales, tienen una altura igual a dos veces su diámetro, colocadas dentro de
una membrana de látex. Esta membrana va sujeta a dos cabezales sobre los que se apoyan las bases de
la probeta, por medio de dos piedras porosas que permiten el drenaje del suelo.
Para realizar el ensayo se aplica una tensión, 1, en la dirección del eje del cilindro de suelo, lo cual se
hace por medio de un motor que acciona el cabezal inferior en el que apoya la probeta.
Simultáneamente se ejerce una presión hidrostática por medio de un fluido que llena la célula(generalmente agua), de tal forma que las otras dos tensiones principales, 2 y 3, permanezcan
iguales. El procedimiento habitual consiste en aplicar la presión de célula isotrópica y constante y
provocar la rotura de la muestra aumentando la tensión axial mediante el desplazamiento del cabezal
inferior. Para completar el ensayo se rompen, al menos, tres probetas de terreno de las mismas
características, con valores diferentes de 3.
En los ensayos se miden los siguientes parámetros:
Presión de cámara: 3.
Tensión desviadora: 1-3.
Deformaciones verticales y horizontales (estas últimas con menor frecuencia).
Volumen de líquido (en ensayos drenados).
Presión de poro (en ensayos no drenados).
Habitualmente se aplica una sobrepresión inicial al líquido intersticial (presión de cola), para favorecerla saturación de la muestra y conseguir que las presiones intersticiales sean siempre positivas, ya quesi no, en los suelos con dilatancia positiva dichas presiones disminuirían y podrían llegar a ser
negativas.
En general, el ensayo puede emplearse para el estudio de cualquier tipo de suelo, siempre que sea posible obtener o preparar muestras homogéneas. El tamaño máximo de las partículas no debe exceder1/6 del diámetro de la muestra.
Los tipos de ensayo que pueden realizarse son:
Consolidado-drenado (Ensayo CD)
Consolidado-no drenado (Ensayo CU)
No consolidado-drenado (Ensayo UD)
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No consolidado-no drenado (Ensayo UU)
La rotura de la muestra se puede alcanzar de dos maneras:
Imponiendo una trayectoria de tensiones, lo que supone realizar una aplicación de cargas por
incrementos, hasta producir la rotura de la muestra.
Imponiendo una trayectoria de deformaciones a velocidad constante y midiendo las tensionesaxiales resultantes en el cabezal superior.
En el ensayo triaxial consolidado-drenado (CD) la muestra previamente saturada y con el drenaje
impedido se somete a compresión isotrópica (3), con lo que la presión de poro aumenta (uc).Posteriormente se abre el drenaje de manera que comience la disipación de la presión de poro (y por lotanto la consolidación de la muestra). La presión de poro tenderá a cero y el cambio de volumen desuelo debido a la consolidación será igual al volumen drenado de agua. Tras la consolidaciónisotrópica y con el drenaje abierto se procede a incrementar progresivamente la tensión desviadora
(d). La velocidad del ensayo debe ser calculada previamente de manera que u ≈ 0 en todo momento.
Puesto que de esta manera las presiones de poro durante el ensayo se disiparán completamente,tenemos que:
Presión de cámara total y efectiva = 3 = 3„
Tensión axial total y efectiva = 3 + d = 1 = 1„
En el ensayo consolidado-no drenado (CU), el suelo saturado previamente también se consolidaisotrópicamente. Una vez disipado por completo el exceso de presión de poro que se hubiera generado
en la etapa anterior, se cierra la válvula de drenaje y se incrementan las tensiones desviadoras hasta larotura de la muestra. Dado que ahora estamos impidiendo el drenaje, produciremos incrementos en las
presiones de poro, ud. Por lo tanto, el estado tensional será, en cualquier instante:
Componente principal mayor de la tensión total = 3 + (d) = 1
Componente principal mayor de la tensión efectiva = 1 - (ud) = 1„
Componente principal menor de la tensión total = 3
Componente principal menor de la tensión efectiva = 3 - (ud) = 3„
Con lo que resulta evidente que: 1 - 3 = 1„ - 3„
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NORMA
Las normativas que contienen este ensayo son: BS 1377:1975 y ASTM D4767-88. Las normas ASTM
son las que se utilizan en el Perú.
BS 1377: 1975
Los suelos, análisis de suelos, muestreo de suelos, preparación de muestras, pruebas de clasificación
del suelo, la medición del tamaño de partícula, distribución de tamaño de partículas, la determinación
del contenido de agua, límite líquido (suelos), pruebas de penetración, equipos de prueba, límite
plástico (suelos), equipo de Suelo-prueba, pruebas de contracción, de medición de densidad,
composición, determinación de materia orgánica, las pruebas de compactación del suelo, capacidad de
soporte del suelo, pruebas de resistencia del suelo, de las pruebas de Consolidación (suelos), prueba
Vane, pruebas Shear, prueba triaxial (suelos), pruebas de compresión, cálculos matemáticos, reciclaje
( dimensionamiento), las técnicas de sedimentación, Determinación del contenido, la medición del pH,
pruebas de campo.
ASTM D4767-88
Importancia y Uso
La resistencia al corte de un suelo saturado en compresión triaxial depende de las tensiones
aplicadas, el tiempo de consolidación, la velocidad de deformación, y la historia estrés
experimentado por el suelo.
En este método de ensayo, las características de corte se miden en condiciones no drenadas y esaplicable a las condiciones de campo donde los suelos que han sido consolidadas por integración
global bajo un conjunto de tensiones son sometidos a un cambio en la tensión sin tiempo para una
mayor consolidación a tener lugar (condición no drenada) , y las condiciones de estrés campo son
similares a aquellos en el método de ensayo.
Nota 1: Si se requiere la fuerza para el caso en que el suelo no se consolida durante la prueba
antes de esquilar, consulte Método de prueba D2850 o Método de Prueba D2166 .
Utilizando la presión de agua de poro medida durante la prueba, la resistencia al corte determinado
a partir de este método de ensayo se puede expresar en términos de tensión efectiva. Esta
resistencia al cizallamiento puede aplicarse a las condiciones donde puede ocurrir el drenaje
completo (condiciones drenadas) o donde las presiones de poro inducidos por la carga pueden
estimarse campo, y el campo de condiciones de estrés son similares a los del método de ensayo.
La resistencia al corte determina a partir de la prueba de expresarse en términos de tensiones
totales (condiciones no drenadas) o tensiones efectivas (condiciones drenadas) se utiliza
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comúnmente en la estabilidad del terraplén análisis, los cálculos de la presión de la tierra, y el
diseño de la cimentación.
Nota 2: No obstante las declaraciones de precisión y sesgo contenidas en este método de ensayo.
La precisión de este método de ensayo depende de la competencia del personal que realice y la
idoneidad de los equipos y las instalaciones utilizadas. Agencias que cumplan los criterios de
Práctica D3740 generalmente se consideran capaces de inspección. Los usuarios de este método
de ensayo Se advierte que el cumplimiento con la norma D3740 no garantiza prueba fiable. Prueba
fiable depende de varios factores; Práctica D3740 proporciona un medio de evaluar algunos de
esos factores.
Alcance
Este método de ensayo cubre la determinación de la fuerza y tensión-deformación relaciones
de una muestra cilíndrica de bien un suelo cohesivo saturado intacta, reconstituido, o
remodelada. Las muestras se isótropa consolidaron y esquilada en la compresión sin drenaje a
una velocidad constante de deformación axial (cepa controlada).
Este método de ensayo proporciona para el cálculo de tensiones totales y eficaces, y la
compresión axial mediante la medición de la carga axial, la deformación axial, y la presión de
agua de los poros. Este método de ensayo proporciona datos útiles en la determinación de las propiedades de
resistencia y deformación de suelos cohesivos tales como sobres de resistencia Mohr y el
módulo de Young. Generalmente, tres muestras se ensayan a diferentes tensiones de
consolidación eficaces para definir un sobre de fuerza.
La determinación de los sobres de la fuerza y el desarrollo de las relaciones de ayuda a la hora
de interpretar y evaluar los resultados de la prueba están fuera del ámbito de aplicación de este
método de ensayo y deben ser realizados por un cualificado, con experiencia profesional.
Todos los valores observados y calculados deberán ajustarse a las directrices para los dígitossignificativos y redondeo establecido en la Práctica D6026 .
o Los métodos utilizados para especificar cómo se recogen los datos, calculados o
registrados en esta norma se consideran el estándar de la industria. Además, son
representativos de las cifras significativas que generalmente deben ser retenidos. Los
procedimientos utilizados no tienen en cuenta la variación del material, el propósito de
la obtención de los datos, estudios de propósito especial o cualquier consideración de
uso final. Está más allá del alcance de este método de prueba para considerar cifras
significativas utilizadas en los métodos de análisis para el diseño de ingeniería.
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Unidades - Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como los estándares.
Las unidades pulgada-libra entre paréntesis son conversiones matemáticas que se
proporcionan únicamente con fines informativos y no se consideran estándar. Notificación de
los resultados de la prueba en unidades distintas de la IS no se considerará como una no
conformidad con esta norma.
o El sistema gravitacional de unidades pulgada-libra se utiliza cuando se trata de
unidades pulgada-libra. En este sistema, la libra (lbf) representa una unidad de fuerza
(peso), mientras que la unidad de masa es babosas. No se da la unidad de babosa, a
menos dinámicas (F = ma) cálculos están involucrados.
o Es una práctica común en la profesión de ingeniería / construcción de utilizar
simultáneamente libra para representar tanto una unidad de masa (lbm) y de la fuerza
(lbf). Esto combina implícitamente dos sistemas separados de las unidades; es decir, el
sistema absoluto y el sistema gravitacional. Es científicamente deseable combinar el
uso de dos conjuntos separados de unidades pulgada-libra dentro de un único estándar.
Como se ha dicho, esta norma incluye el sistema gravitacional de unidades pulgada-
libra y no utiliza / presentar la unidad babosa para la masa. Sin embargo, el uso de
saldos o escalas de grabación libras de masa (lbm) o la densidad de grabación en lbm /
pie 3 no se considerará como una no conformidad con esta norma.o La densidad términos y unidad de peso se usan indistintamente. La densidad es la
masa por unidad de volumen mientras que el peso unidad es la fuerza por unidad de
volumen. En esta densidad estándar se da sólo en unidades del SI. Después de la
densidad ha sido determinada, la unidad de peso se calcula en el SI o en unidades
pulgada-libra, o ambos.
Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad, si los hay, asociados con
su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer prácticas de seguridad y salud
y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
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APARATOS Y MATERIAL NECESARIO
Herramientas para preparar la muestra (Figura 1): cuchillos, espátulas, talladores, sierras etc. Enarcillas se utilizan muestras inalteradas cuando se trata de formaciones naturales, o bien se
preparan en moldes como el Harvard, análogo al del ensayo Proctor pero con mayor altura, etc. Enarenas, las muestras suelen prepararse en un molde, aproximándose lo más posible a lascondiciones de densidad “in situ”.
Figura 1: Preparación de las muestras para ser sometidas a ensayos triaxiales. Observar la membrana de látex querecubrirá la muestra una vez finalizado el tallado.
También se necesitan membranas de látex (Figura 1) para recubrir las probetas una vez que están preparadas (Figura 2) y piedras porosas para interponer entre la muestra y los dos cabezales en losque apoya. Las piedras porosas facilitan el drenaje del suelo y homogenizan las presiones del aguaen las bases de la probeta.
Figura 2: Muestra de suelo recubierta por la membrana de látex colocada en la unidad principal del equipo triaxial. Enesta unidad principal se aloja el motor que mueve el cabezal inferior, así como todas las conexiones hidráulicas.
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Equipo de ensayo triaxial, compuesto por los siguientes elementos:
Unidad principal (Figura 2). En ella se aloja el motor que mueve el cabezal inferior, aplicandolas trayectorias de tensiones o deformaciones deseadas a la probeta. En la parte superior tienela base sobre la que apoya la célula triaxial. En dicha base se encuentran todas las tomashidráulicas (presión de cámara, presión de cola, presión de poro, drenaje de cámara y drenajede muestra.
Célula triaxial de metacrilato (Figura 3). Dentro de la cual va introducida la muesta y ellíquido que producirá la presión de cámara.
Dos controladores (Figura 4). Encargados de proporcionar las presiones de cámara y cola,respectivamente. Además, miden los volúmenes que entran o salen de la célula y de lamuestra.
Figura 6.3 Célula de metacrilato sobre la unidad principal del equipo triaxial. La presurización del fluido que rellena la
célula permite someter a la muestra a una tensión de confinamiento (2 = 3).
Un transductor para medir la presión de poro.
Una célula sumergible, situada dentro de la cámara, que nos permite conocer las cargas axialesaplicadas a la probeta.
Equipo informático. Todos los datos obtenidos de la instrumentación de la muestra sonenviados a un ordenador, en el que se almacenan para su posterior tratamiento. Además, dichoordenador permite transmitir todas las órdenes del usuario al equipo de ensayos (tipo deensayo, presiones, trayectorias tensionales o deformacionales, cantidad de datos que debenalmacenarse, etc.).
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Figura 4: Controladores de presión de cámara y cola, que permiten además medir los volúmenes que entran o salen de lacélula y de la muestra.
PROCEDIMIENTO OPERATIVO
En la presente práctica se ilustrarán los diferentes pasos a seguir en la realización de un ensayo
triaxial, incluyendo:
Saturación de la muestra empleando presión de cola.
Consolidación isotrópica previa.
Rotura de la muestra con medida de presiones intersticiales.
Las muestras a ensayar tendrán un diámetro de 70 mm y una altura de 140 mm. El líquido empleado
para suministrar la presión de cámara será agua. Los pasos que se seguirán durante la realización del
ensayo serán los siguientes:
Comprobación y preparación del equipo.
Preparación y colocación de la muestra.
Colocación de la célula triaxial y llenado de agua desaireada.
Saturación de la probeta. Para ello, se aplicarán escalones de incremento de presión de cámara
y de cola, desacoplados como máximo 50 kPa.
Consolidación isotrópica de la muestra. Se aplica, por ejemplo, una presión de cámara de 400
kPa y una presión de cola de 300 kPa.
Rotura de la probeta. Se mantiene cerrado el drenaje (caso de ensayo CU). Se aplica la
velocidad de carga adecuada (en función del tiempo que ha tardado en completarse la
consolidación anterior y teniendo en cuenta el tipo de ensayo que se realice).
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A partir de este momento, el equipo de adquisición automática de datos comienza a registrar el
desplazamiento del cabezal inferior, la carga axial aplicada a probeta, la presión de cámara y
la presión de poro. De estos datos pueden obtenerse gráficos que relacionen deformación
unitaria con tensión desviadora y presión de poro, y los diagramas p-q, p‟-q‟ ó t-s, t‟-s‟.
El ensayo se detendrá automáticamente al alcanzar la máxima deformación de la probeta
impuesta antes del comienzo del ensayo.
Desmontaje el ensayo. Puesta a cero de las presiones de cámara y cola, eliminación del agua
de la cámara, retirado de la célula triaxial y de la muestra para estudiar la forma de rotura, y
para determinar la humedad y el índice de poros.
INFORME DE LA PRÁCTICAPara realizar el informe de la práctica se entregará a los alumnos una colección de datos
experimentales correspondientes a ensayos reales llevados a cabo en el laboratorio de Ingeniería del
Terreno de la ETSICCP de la Universidad de La Coruña. El informe de cada subgrupo de prácticas,
deberá incluir:
Colección de ensayos CD:
Dibujo de las curvas de deformación axial, (%), frente a tensión desviadora 1-3 (kPa).
Dibujo de las curvas de deformación axial, (%), frente a variación de volumen.
Cálculo de las componentes mayor y menor de las tensiones efectivas y dibujo de laenvolvente de rotura del suelo.
A partir de la envolvente de rotura, obtener el ángulo de rozamiento interno del suelo, ‟ (º), y
su cohesión, c‟ (kPa).
A partir de toda la información obtenida en los apartados anteriores, comentar las
características del suelo que puedan apreciarse durante la evolución del ensayo.
Colección de ensayos CU:
Dibujo de la curva deformación axial, (%), frente a tensión desviadora 1-3 (kPa).
Dibujo de la curva deformación axial, (%), frente a presión intersticial u (kPa).
Dibujo de las trayectorias p (kPa)-q (kPa) y p‟ (kPa)-q‟ (kPa), correspondientes a todo el
ensayo, incluyendo la fase de consolidación isotrópica.
A partir de las gráficas obtenidas en los apartados anteriores, comentar las características del
suelo que puedan apreciarse durante la evolución del ensayo.
IMPORTANTE: Los archivos de datos correspondientes a los ensayos, así como la explicación
detallada de las condiciones experimentales se podrán recoger por red en:
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EJEMPLO DE INTERPRETACIÓN
Se han llevado a rotura, a partir de estados de tensiones efectivas iniciales distintos, tres probetas de
suelo. Estas tensiones fueron de 200, 400 y 800 kPa (probetas 2M4, 2M5 y 2M6, respectivamente).
Las velocidades de ensayo, calculadas basándose en los tiempos empleados por las muestras en
consolidar, fueron de 0.2, 0.33 y 0.25 mm/hora, respectivamente.
Los resultados del ensayo, para cada probeta, se resumen en la Tabla 6.1.
El criterio de rotura empleado ha sido el de la máxima tensión desviadora. En este caso, al tratarse de
un ensayo CD, este criterio coincide con el de la máxima relación entre tensiones efectivas principales.
Las deformaciones en rotura de las probetas 2M4, 2M5 y 2M6 fueron del 0.86, 0.86 y 1.52%,
respectivamente.
Las tensiones desviadoras que alcanzaron las muestras, en rotura, fueron de 1250, 1580 y 2050 kPa,
respectivamente. Las curvas deformación-tensión desviadora pueden verse en la Figura 5.
Finalmente, las variaciones volumétricas unitarias, también en rotura, alcanzaron los valores de – 0.60,
-1.03 y – 0.37% (Figura 6).
Figura 5: Ensayo CD. Diagramas deformación-tensión desviadora.
Figura 6: Ensayo CD: Diagramas deformación-variación volumétrica
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De la envolvente de rotura de Mohr-Coulomb obtenida para este ensayo (Figura 7) se infieren los
valores recogidos en la Tabla 2.
Probeta Tensión deconfinamiento
(kPa)
Deformación enrotura (%)
Tensióndesviadora enrotura (kPa)
Variaciónvolumétrica en
rotura (%)
2M4 200 0.86 1250 -0.60
2M5 400 0.86 1580 -1.03
2M6 800 1.52 2050 -0.37
Tabla 1: Resultados del ensayo CD
Figura 7: Ensayo CD: Envolvente de rotura de Mohr-Coulomb.
Cohesión (kPa) Ángulo de rozamiento interno (º)
320 23.7
El estado de las probetas al finalizar el ensayo se refleja en la Figura 8.
Se observa que la probeta 2M4 ha presentado una rotura „frágil‟, bajo una deformación más pequeña
que en el resto de muestras de este ensayo, y con una superficie inclinada de rotura. En la curva
deformación-tensión desviadora se percibe claramente el comportamiento típico de los suelos
sobreconsolidados: descenso brusco de la resistencia al alcanzar el „pico‟ de tensión desviadora.
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Figura 8: Probetas correspondientes a la colección de ensayos CD.
El comportamiento de la probeta 2M6 es totalmente distinto, rompiendo de una forma „dúctil‟. La
muestra se deforma sin que aparezcan superficies de discontinuidad y la resistencia permanece
constante una vez alcanzada una deformación determinada, no existiendo un „pico‟ definido para la
tensión desviadora.
En la probeta 2M5 se percibe un comportamiento híbrido. Por una parte, en el diagrama deformación-
tensión desviadora existe un „pico‟, aunque no tan acusado como en la probeta 2M4; por otra, en la
fotografía no se percibe con nitidez ningún plano de rotura, asimilándose más su aspecto final al de la
muestra 2M6 (es decir, a una rotura „dúctil‟).
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La investigación de suelos es la base para un buen diseño de una obra civil. Cuando se envían
muestras de un suelo a un laboratorio para ser ensayadas, dichos resultados son a su vez la
base para el análisis y toma de decisiones. Sin embargo, dichos resultados de laboratorio son
útiles y contribuyen a decisiones acertadas sólo si reflejan las condiciones que representan
adecuadamente la superficie de suelo que se requiere intervenir.
Ahora, por su parte los resultados emitidos por un laboratorio tienen que arrojar resultados
confiables, producto de la ejecución de ensayos debidamente normados y con los equipos
adecuados.
Se recomienda obtener las probetas de un mismo bloque de suelo y perfilarlas en dirección a
como fueron obtenidas, si no se lo hace así, los resultados pueden variar y el ensayo no da
resultado.
Es necesario asegurarse que los instrumentos de medición se encuentren debidamente
ubicados en el respectivo Datalog, así como en su respectivo canal. Verificar que las unidades
de medición sean las correctas y que la ecuación de ajuste sea la correspondiente.
Es importante tener especial cuidado de concentrar y medir las presiones requeridas, ya sean
presiones de cámara como contrapresiones, en sus respectivos componentes (blader) y luego
transferirlas a los especímenes de forma gradual, para que la muestra se altere lo menos
posible. Finalmente una manipulación adecuada de las muestras, mínimo contacto con las mismas,
tanto en su moldeo/remoldeo como en su colocación en las cámaras, y una prevención extrema
en la pérdida de humedad de los especímenes, son fundamentales como punto de partida para
un óptimo desempeño del ensayo a ejecutar.
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BIBLIOGRAFÍA
Apuntes de Ingeniería del Terreno II. M. Melis (2000). ETSICCP. Universidad de A Coruña.
Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 3. K.H. Head (1988). John Wiley & Sons, Inc.
(Disponible en la biblioteca de la ETSICCP)
Engineering Properties of Soils and their measurements. J.E. Bowles (1992). Mc Graw-Hill
International Editions. Civil Engineering Series. (Disponible en la biblioteca de la ETSICCP)
Soil Mechanics Laboratory Manual. B.M. Das (1992). 5th Edition. Engineering Press. Austin,
Texas.
LINKOGRAFÍA
http://shop.bsigroup.com/ProductDetail/?pid=000000000010029142
http://www.astm.org/Standards/D4767.htm