Sistema de aplicación de carga en deformación, tensión y ensayos cíclicos para célula triaxial convencional.
Objeto de la invención
La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un sistema de carga en deformación, tensión y ensayos cíclicos para célula triaxial convencional que se engloba dentro de las áreas científicas de la ingeniería del terreno y la ingeniería mecánica.
Más concretamente será de aplicación en la mecánica del suelo, presas, cimientos y también en los aparatos científicos.
Estos campos de actividades son propios de la investigación, la ingeniería civil y geotécnica, la ingeniería mecánica, así como la geología y la arquitectura.
Así pues, el sistema de la invención comprende unos característicos medios de aplicación de la presión de confinamiento estable durante el ensayo sin el uso de metales pesados para su compensación y unos nuevos medios de aplicación de la carga vertical constante con un control en tiempo real.
Antecedentes de la invención
En problemas de índole geotécnico, el ensayo triaxial clásico constituye el procedimiento más satisfactorio para medir la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo. Una de las principales ventajas radica en el hecho de poder controlar las tensiones principales, el drenaje y la presión intersticial, lo cual conduce al conocimiento del comportamiento básico del suelo saturado.
El ensayo triaxial clásico consiste en someter a una probeta cilíndrica, preparada con una relación altura-diámetro igual a dos, a una presión de confinamiento constante y después a una carga vertical creciente hasta alcanzar la rotura. Esta carga continua y creciente se aplica a una velocidad constante en base a una prensa de deformación controlada.
A lo largo de todo el proceso de carga, hasta la rotura, se miden las deformaciones producidas en la probeta por las cargas correspondientes, de manera que se pueden obtener los datos necesarios para dibujar la relación tensión-deformación, deformación volumétrica-deformación axial, tensión tangencial-tensión normal etc. Todo esto se repite con tres probetas iguales, cambiando únicamente en cada caso la presión de confinamiento.
Tal como se ha referido anteriormente, el ensayo triaxial clásico posee varios requerimientos de ejecución que se detallan a continuación, destacándose una primera fase en la que se mantiene una presión hidráulica de confinamiento constante y una segunda fase de aplicación de carga vertical.
En la primera fase, la muestra, al variar su volumen durante el ensayo, provoca la variación de la presión de confinamiento, que se compensa a través del clásico sistema de mercurio auto-compensante de Bishop (Bishop y Henkel, 1962) . Este sistema se compone básicamente de botes acrílicos, llenos de mercurio y agua, que están suspendidos de resortes. Conforme el agua drena en la muestra, el mercurio fluirá de un bote a otro para equilibrar el cambio de presión que provoca la variación de volumen. Si el cambio de volumen en la muestra es considerable, entonces el mercurio fluirá con rapidez llenando los botes y provocando el derrame del agua y de dicho producto, limitándose de esta forma la ejecución y en especial la capacidad del equipo.
Los sistemas convencionales, para mantener la presión de confinamiento constante pueden llegar a controlar hasta 35 bares de presión.
Por otro lado, en la segunda fase de aplicación de carga vertical en el ensayo triaxial clásico, la carga vertical constante se aplica a través de una prensa de accionamiento mecánico.
Este sistema convencional supone una amenaza medioambiental debido principalmente a la necesidad de tener que utilizar y manipular metales pesados, como es el mercurio.
Otro inconveniente radica en la limitación en presión de confinamiento que a fecha de hoy imponen los aparatos de control existentes en el mercado, no llevándose esta presión más allá de los 35 bares.
Descripción de la invención
Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados en los apartados anteriores, Id invención propone un sistema de aplicación de carga en deformación, tensión y ensayos cíclicos para célula triaxial convencional que se caracteriza porque en sustitución del sistema de compensación de Bishop convencional se dispone un nuevo sistema hidráulico de accionamiento y pilotaje neumático que garantiza el mantenimiento de la presión de confinamiento cualquiera que sea el cambio de volumen que sufra la muestra. Este sistema, al tratar con fluidos inocuos como el aire y el agua, evita el impacto medioambiental y el riesgo laboral que ocasiona el sistema convencional por la manipulación de metales pesados, como es el mercurio, pudiéndose alcanzar hasta una presión de confinamiento de 150 bares frente a los 35 bares que se consiguen convencionalmente.
Otra característica de la invención es que en sustitución de la prensa de accionamiento mecánico para aplicar una carga vertical sobre la célula triaxial, ésta se realiza mediante una carga hidráulica con servocontrol neumático en deformación, tensión aplicada, velocidad de carga y aplicación de carga cíclica para la caracterización de propiedades dinámicas del terreno.
Así pues, el sistema de la invención presenta dos circuitos distintos y bien diferenciados, con una nueva estructura y rango de capacidades con respecto a los sistemas conocidos en su campo de aplicación.
El primer circuito se encarga de mantener la presión de confinamiento en el interior de la célula triaxial aunque la muestra sufra variaciones de volúmenes considerables. Este circuito dispone de una bomba hidráulica con retroalimentación y control de presión accionada y pilotada por un sistema neumático con control diferencial de presiones. Con este nuevo circuito se amplía el rango de aplicación de presiones existentes en el mercado hasta los 150 bares tal como se ha referido anteriormente, y se eliminan los sistemas de compensación compuestos por metales pesados con alta capacidad contaminante como es el mercurio.
Un segundo circuito tiene como finalidad la aplicación de la carga vertical constante mediante sistema hidráulico con servo-control y accionamiento neumático. En función de un transductor colocado en el cilindro hidráulico, se podrá efectuar el control de carga en deformación, tensión, velocidad de aplicación de carga e incluso someter a la muestra a una carga cíclica de tipo senoidal. El registro de los movimientos y presiones se realiza a través de un sistema electro-hidráulico conectado a una unidad de procesamiento central. En este nuevo sistema se amplia el rango de aplicación de presiones de la célula triaxial convencional admitiendo la misma una mayor variedad de ensayos, así como la eliminación del proceso de desgaste y mantenimiento que requiere el típico sistema de aplicación mecánica.
A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompaña una única figura en la que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
Breve descripción de los dibujos
Figura 1. Muestra una vista esquemática del sistema de aplicación de carga en deformación, tensión y ensayos cíclicos para célula triaxial convencional, objeto de la invención.
Descripción de la forma de realización preferida
Considerando la numeración adoptada en las figuras, el sistema de aplicación de carga en deformación, tensión y ensayos cíclicos para célula triaxial convencional, está constituido por dos circuitos hidráulicos, asociados ambos a un circuito de aire comprimido.
La producción de aire comprimido se realiza mediante un compresor de media presión 1 que alimenta a una botella de almacenamiento 2 con un dispositivo de filtro y purga de líquido 3 en su salida. Con este dispositivo de almacenamiento previo se regula la inercia neumática del sistema y se evita el constante ciclo de arranques y paradas al que se vería sometido el compresor.
El primer circuito tiene como función la regulación y mantenimiento de la presión de confinamiento de la muestra de terreno instalada en una célula triaxial convencional 7. Este circuito recibe presión neumática a la salida de un filtro 3 y la regula mediante un manómetro con control diferencial 4 que se encarga de mantener siempre a su salida una presión constante que se le ha introducido previamente como referencia. Esta presión fijada por el manómetro diferencial acciona una bomba neumático-hidráulica 5 que se encarga de transformar la presión de aire en presión de agua con un factor de multiplicación comprendido entre 21 y 24. La presión de agua tiene un control en circuito cerrado que se encarga de mantener constante la presión de confinamiento en la célula, en el caso de fugas o cambios de volumen en la muestra.
El pilotaje de esta bomba se realiza a baja presión, estando regulada su salida desde una presión de agua de 6, 3 bares hasta los 150 bares. En el caso de presión de aire, la señal de pilotaje está regulada desde una presión de 0, 3 bares hasta un máximo de 7 bares. En el sistema de la invención las presiones de confinamiento en la célula triaxial 7 son más elevadas que las generadas por los equipos actualmente vigentes en el mercado. Antes de la entrada de presión en la célula triaxial 7, se instala una válvula de seguridad y purga 6 que permite eliminar la sobrecarga y el aire ocluido bajo unas condiciones de seguridad aceptables.
El segundo circuito que compone el sistema de la invención tiene como función la aplicación de carga vertical a la muestra ensayada en la célula triaxial convencional 7. Este circuito recibe una presión neumática inicial del conjunto generador de aire comprimido 1, 2 y 3 que contiene un regulador de presión manual 8 para mantener una presión de trabajo neumática media. Esta presión a la salida del regulador acciona una bomba neumático-hidráulica convencional 9, sin control en lazo cerrado, que transforma la presión neumática recibida en presión hidráulica (aceite mineral como fluido de trabajo) . Esta salida de presión hidráulica va a ser la encargada de generar el movimiento de un cilindro hidráulico de doble efecto 15 que transmite la presión vertical a la muestra. El control de la presión que recibe el cilindro 15, y por tanto del movimiento, se realiza a través de una válvula hidráulica diferencial y proporcional 10 pilotada por un mecanismo de control en lazo cerrado.
Este mecanismo de control se compone de un transductor 14 de presiones o movimiento (dependiendo del tipo de ensayo que se realice) que recoge constantemente el estado de la variante de control en el cilindro hidráulico 15. El valor de esta variable se compara con el valor de referencia dado a través de una unidad central de proceso 13, que se implementa mediante un PC convencional con software de control. Ambas señales se comparan en un elemento de comparación 12 y se cierra el lazo de control pasando los resultados a un driver 11 de la válvula electro-hidráulica proporcional 10, mandando la señal registrada en el transductor 14 al nivel indicado en la unidad central de proceso 13. Con la inclusión de este sistema en el equipo triaxial, se sustituye el modelo de aplicación de carga mecánica por el modelo neumático-hidráulico, de hasta 10 toneladas de aplicación de carga.
Las posibilidades de aplicación de la invención se circunscriben en la realización de los siguientes ensayos triaxiales con células convencionales:
- Ensayos con control en deformación.
- Ensayos con control en presión.
- Ensayos con control en velocidad de carga.
- Ensayos con aplicación de carga cíclica.
Por otro lado, cabe señalar que la célula triaxial apoya sobre una plataforma horizontal 16.
