miniatura|Aparell triaxial amb mostra adjunta, llest per a la prova. En ciència de materials, una prova de cisallament triaxial és un mètode comú per mesurar les propietats mecàniques de molts sòlids deformables, especialment sòl (per exemple, sorra, argila) i roca, i altres materials granulars o pols. Hi ha diverses variacions de la prova. En una prova de cisallament triaxial, s'aplica tensió a una mostra del material que s'està provant de manera que les tensions al llarg d'un eix siguin diferents de les tensions en direccions perpendiculars. Això s'aconsegueix normalment col·locant la mostra entre dues plaques paral·leles que apliquen tensió en una direcció (normalment vertical) i aplicant pressió de fluid a la mostra per aplicar tensió en les direccions perpendiculars. (A continuació es discuteixen els aparells de prova que permeten l'aplicació de diferents nivells de tensió en cadascuna de les tres direccions ortogonals.)
L'aplicació de diferents tensions de compressió a l'aparell d'assaig provoca que es desenvolupi una tensió de cisallament a la mostra; es poden augmentar les càrregues i controlar les deflexions fins a la fallada de la mostra. Durant l'assaig, el fluid circumdant es pressuritza i la tensió sobre les plaques augmenta fins que el material del cilindre falla i forma regions de lliscament dins seu, conegudes com a bandes de cisallament. La geometria del cisallament en un assaig triaxial normalment fa que la mostra s'escurci mentre sobresurt pels costats. L'tensió sobre la placa es redueix i la pressió de l'aigua empeny els costats cap a dins, fent que la mostra torni a créixer més alta. Aquest cicle es repeteix normalment diverses vegades mentre es recullen dades d'tensió i deformació sobre la mostra. Durant l'assaig, les pressions de porus dels fluids (per exemple, aigua, oli) o gasos de la mostra es poden mesurar mitjançant l'aparell de pressió de porus de Bishop.
A partir de les dades de les proves triaxials, és possible extreure paràmetres fonamentals del material sobre la mostra, incloent-hi el seu angle de resistència al cisallament, la cohesió aparent i l'angle de dilatància. Aquests paràmetres s'utilitzen en models informàtics per predir com es comportarà el material en una aplicació d'enginyeria a major escala. Un exemple seria predir l'estabilitat del sòl en un pendent, si el pendent s'esfondrarà o si el sòl suportarà les tensions de cisallament del pendent i es mantindrà al seu lloc. Les proves triaxials s'utilitzen juntament amb altres proves per fer aquestes prediccions d'enginyeria.
Durant el cisallament, un material granular normalment tindrà un guany o pèrdua neta de volum. Si originalment havia estat en un estat dens, normalment guanya volum, una característica coneguda com a dilatància de Reynolds. Si originalment havia estat en un estat molt fluix, la contracció pot produir-se abans que comenci el cisallament o conjuntament amb el cisallament.
De vegades, les proves de mostres cohesives es fan sense pressió de confinament, en una prova de compressió no confinada. Això requereix un aparell i una preparació de mostres molt més senzills i menys costosos, tot i que l'aplicabilitat es limita a mostres els costats de les quals no s'esmicolen quan s'exposen, i el fet que la tensió de confinament sigui inferior a la tensió in situ dóna resultats que poden ser massa conservadors. La prova de compressió realitzada per a les proves de resistència del formigó és essencialment la mateixa prova, en aparells dissenyats per a mostres més grans i càrregues més altes típiques de les proves de formigó.
Execució de proves Per a les mostres de sòl, la mostra es troba dins d'una màniga cilíndrica de làtex amb una placa o platina metàl·lica circular i plana que tanca els extrems superior i inferior. Aquest cilindre es col·loca en un bany de fluid hidràulic per proporcionar pressió al llarg dels costats del cilindre. La platina superior es pot accionar mecànicament amunt o avall al llarg de l'eix del cilindre per comprimir el material. La distància que recorre la platina superior es mesura en funció de la força necessària per moure-la, ja que la pressió de l'aigua circumdant es controla acuradament. El canvi net de volum del material també es pot mesurar per la quantitat d'aigua que entra o surt del bany circumdant, però normalment es mesura, quan la mostra està saturada d'aigua, mesurant la quantitat d'aigua que entra o surt dels porus de la mostra.
Roca Per a proves de roca d'alta resistència, la màniga pot ser una làmina metàl·lica fina en lloc de làtex. Les proves triaxials en roca resistent es fan força poques vegades perquè les forces i pressions elevades necessàries per trencar una mostra de roca requereixen equips de prova costosos i feixucs.
Estrès efectiu La tensió efectiva sobre la mostra es pot mesurar utilitzant una superfície porosa en una placa i mesurant la pressió del fluid (normalment aigua) durant la prova, i després calculant la tensió efectiva a partir de la tensió total i la pressió dels porus.
Assaig triaxial per determinar la resistència al cisallament d'una discontinuïtat La prova triaxial es pot utilitzar per determinar la resistència al cisallament d'una discontinuïtat. Una mostra homogènia i isotròpica falla a causa de les tensions de cisallament de la mostra. Si una mostra amb una discontinuïtat s'orienta de manera que la discontinuïtat sigui aproximadament paral·lela al pla en què es desenvoluparà la màxima tensió de cisallament durant la prova, la mostra fallarà a causa del desplaçament per cisallament al llarg de la discontinuïtat i, per tant, es pot calcular la resistència al cisallament d'una discontinuïtat.
Tipus de proves triaxials Hi ha diverses variacions de la prova triaxial:
Consolidat drenat (CD) En una prova de "drenatge consolidat", la mostra es consolida i es cisalla en compressió lentament per permetre que les pressions de porus acumulades pel cisallament es dissipin. La velocitat de deformació axial es manté constant, és a dir, es controla la deformació. La prova permet que la mostra i les pressions de porus es consolidin completament (és a dir, s'ajustin) a les tensions circumdants. La prova pot trigar molt de temps a permetre que la mostra s'ajusti, en particular les mostres de baixa permeabilitat necessiten molt de temps per drenar i ajustar la deformació als nivells de tensió.
Consolidat no drenat (CU) En una prova de "consolidat sense drenatge", no es permet que la mostra dreni. Les característiques de cisallament es mesuren en condicions sense drenatge i se suposa que la mostra està completament saturada. La mesura de les pressions de porus a la mostra (de vegades anomenades CUpp) permet aproximar la resistència consolidada-drenada. La velocitat de cisallament sovint es calcula en funció de la taxa de consolidació sota una pressió de confinament específica (mentre està saturada). Les pressions de confinament poden variar des d'1 psi fins a 100 psi o més, i de vegades es requereixen cèl·lules de càrrega especials capaces de suportar pressions més altes.
No consolidat sense drenar En una prova "no consolidada sense drenatge", les càrregues s'apliquen ràpidament i no es permet que la mostra es consolidi durant la prova. La mostra es comprimeix a una velocitat constant (controlada per deformació).
Prova triaxial veritable S'han desenvolupat sistemes d'assaig triaxials per permetre un control independent de tensions en tres direccions perpendiculars. Això permet la investigació de trajectòries de tensions que no es poden generar en màquines d'assaig triaxials axisimètriques, cosa que pot ser útil en estudis de sorres cimentades i sòls anisotròpics.
La cel·la d'assaig és cúbica i hi ha sis plaques separades que apliquen pressió a la mostra, amb LVDT que llegeixen el moviment de cada placa. La pressió en la tercera direcció es pot aplicar mitjançant pressió hidroestàtica a la cambra d'assaig, cosa que només requereix quatre conjunts d'aplicació d'esforços. L'aparell és significativament més complex que per a les proves triaxials axisimètriques i, per tant, s'utilitza amb menys freqüència.
Condició d'extrem lliure en proves triaxials miniatura|El triaxial danès en acció Les proves triaxials de construcció clàssica havien estat criticades pel seu camp de tensió i deformació no uniforme imposat dins de la mostra durant amplituds de deformació més grans.ROWE, P W, Barden, L, "IMPORTANCE OF FREE ENDS IN TRIAXIAL TESTING" Journal of Soil Mechanics & Foundations, Volume: 90 La discontinuïtat altament localitzada dins d'una zona de cisallament és causada per la combinació de plaques finals rugoses i alçada de la mostra.
Per assajar mostres durant una amplitud de deformació més gran, es van fabricar versions "nova""New Oedometer and New Triaxial Apparatus for Firm Soil" i "millorada" de l'aparell triaxial. Les versions triaxials "nova" i "millorada" segueixen el mateix principi: l'alçada de la mostra es redueix a un diàmetre i la fricció amb les plaques finals es cancel·la.
L'aparell clàssic utilitza plaques terminals rugoses: tota la superfície del cap del pistó està formada per un filtre rugós i porós. En els aparells millorats, les plaques terminals resistents es substitueixen per vidre llis i polit, amb un petit filtre al centre. Aquesta configuració permet que una mostra llisqui/expandeixi horitzontalment mentre llisca al llarg del vidre polit. Així, la zona de contacte entre la mostra i les plaques terminals no acumula fricció de cisallament innecessària i es manté un camp d'esforç lineal/isotròpic dins de la mostra.
A causa d'un camp d'esforços extremadament uniforme i gairebé isotròpic, es produeix una fluència isotròpica. Durant la fluència isotròpica, la deformació volumètrica (dilatacional) es distribueix isotòpicament dins de la mostra, cosa que millora la mesura de la resposta volumètrica durant les proves de deformació continuada (CD) i la pressió de l'aigua dels porus durant la càrrega de CU. A més, la fluència isotròpica fa que la mostra s'expandeixi radialment de manera uniforme, ja que es comprimeix axialment. Les parets d'una mostra cilíndrica romanen rectes i verticals fins i tot durant grans amplituds de deformació (Vardoulakis (1980) va documentar una amplitud de deformació del 50%, utilitzant un triaxial "millorat", sobre sorra no saturada). Això contrasta amb la configuració clàssica, on la mostra forma una corneta al centre, mentre manté un radi constant en contacte amb les plaques finals. miniatura|Proves de post-liqüefacció. La mostra de sorra fina es va liqüefcar durant cicles consolidats sense drenatge (CU) i es va recuperar amb cicles consolidats drenats (CD) moltes vegades. Les arrugues es van formar a causa del canvi de volum imposat per la iteració entre la liqüefacció de la CU i el drenatge. En un estat liqüefactiu, la mostra es torna prou tova per imprimir làtex fi. Durant els cicles de CD, prou rígida per preservar el patró imprès. LBIbsen ha actualitzat el "nou" aparell al "triaxial danès". El triaxial danès es pot utilitzar per assajar tot tipus de sòl. Proporciona mesures millorades de la resposta volumètrica, ja que durant la fluència isotròpica, la deformació volumètrica es distribueix isotòpicament dins de la mostra. El canvi de volum isotròpic és especialment important per a les proves de CU, ja que la cavitació de l'aigua porosa estableix el límit de resistència de la sorra no drenada.vbn.aau.dk La precisió de la mesura millora prenent mesures a prop de la mostra. La cèl·lula de càrrega està submergida i en contacte directe amb el cap de pressió augmentat de la mostra. Els transductors de deformació també estan connectats directament als capçals del pistó. El control de l'aparell està altament automatitzat, de manera que la càrrega cíclica es pot aplicar amb gran eficiència i precisió.