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    30512569 informe-ensayo-de-compresion-simple 30512569 informe-ensayo-de-compresion-simple Document Transcript

    • INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión no confinada, también conocido con el nombre de ensayode compresión simple o ensayo de compresión uniaxial, es muy importante en Mecánica deSuelos, ya que permite obtener un valor de carga última del suelo, el cual, como se verámás adelante se relaciona con la resistencia al corte del suelo y entrega un valor de cargaque puede utilizarse en proyectos que no requieran de un valor más preciso, ya que entregaun resultado conservador. Este ensayo puede definirse en teoría como un caso particular delensayo triaxial. Es importante comprender el comportamiento de los suelos sometidos a cargas, yaque es en ellos o sobre ellos que se van a fundar las estructuras, ya sean puentes, edificios ocarreteras, que requieren de una base firme, o más aún que pueden aprovechar lasresistencias del suelo en beneficio de su propia capacidad y estabilidad, siendo el estudio yla experimentación las herramientas para conseguirlo, y finalmente poder predecir, con unacierta aproximación, el comportamiento ante las cargas de estas estructuras. Debido a la compleja y variable naturaleza de los suelos, en especial en lo referido ala resistencia al esfuerzo cortante, existen muchos métodos de ensayo para evaluar suscaracterísticas. Aún cuando se utilizan otros métodos más representativos, como el triaxial,el ensayo de compresión simple cumple el objetivo buscado, sin tener que hacer un métodotan complejo ni usar un equipo que a veces puede ser inaccesible, lo que significa menorcosto. Este método de ensayo es aplicable solo a materiales cohesivos que no expulsan aguadurante la etapa de carga del ensayo y que mantienen su resistencia intrínseca después deremover las presiones de confinamiento, como las arcillas o los suelos cementados. Lossuelos secos friables, los materiales fisurados, laminados o varvados, los limos, las turbas ylas arenas no pueden ser analizados por este método para obtener valores significativos dela resistencia a la compresión no confinada. Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia o esfuerzo último de unsuelo cohesivo a la compresión no confinada, mediante la aplicación de una carga axial concontrol de deformación y utilizando una muestra de suelo inalterada tallada en forma decilindro, generalmente con una relación alto/diámetro igual a 2.
    • OBJETIVOSAl terminar este trabajo en el laboratorio el alumno será capaz de: • Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el ensayo de compresión no confinada, aprendiendo las características de cada uno, y los cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia. • Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en un registro ordenado de acuerdo a un método establecido. • Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado. • Comprender con exactitud la metodología y procedimientos usados en el ensayo, incluido el tiempo e intervalos con los que será ensayada la muestra. • Construir el gráfico esfuerzo-deformación a partir de los datos obtenidos de la experiencia y de las fórmulas teóricas necesarias.
    • APOYO TEÓRICO1El ensayo de compresión simple Tiene por finalidad, determinar la resistencia a la compresión no confinada (qu), deun cilindro de suelo cohesivo o semi-cohesivo, e indirectamente la resistencia al corte (qc),por la expresión. qu  kg  qc = 2  cm 2    Este cálculo se basa en el hecho de que el esfuerzo principal menor es cero (ya queal suelo lo rodea sólo la presión atmosférica) y que el ángulo de fricción interna (Φ) delsuelo se supone cero. Debido a numerosos estudios, se ha hecho evidente que este ensayo generalmenteno proporciona un valor bastante confiable de la resistencia al corte de un suelo cohesivo,debido a la pérdida de la restricción lateral provista por la masa de suelo, las condicionesinternas del suelo como el grado de saturación o la presión de poros que no puedecontrolarse y la fricción en los extremos producidas por las placas de apoyo. Sin embargo,si los resultados se interpretan adecuadamente, reconociendo las deficiencias del ensayo,estos serán razonablemente confiables. El ensayo de la compresión simple es un caso especial del ensayo triaxial, en el cualsolamente se le aplica a la probeta la tensión longitudinal. Puesto que no es necesario eldispositivo para aplicar la presión lateral, y como, además, la muestra no necesita estarenvuelta en una membrana de caucho, este ensayo se ha convertido en un ensayo sencillode campo. El aparato es tan solo útil para ensayos rápidos sobre suelos predominantementearcillosos que están saturados o casi saturados. Se podrá realizar de dos maneras, medianteun control de deformación o bien, mediante un control de esfuerzos. El primero, esampliamente utilizado, controlando la velocidad de avance de la plataforma del equipo. Elsegundo, requiere ir realizando incrementos de carga, lo que puede causar errores en lasdeformaciones unitarias al producirse una carga adicional de impacto al aumentar la carga,por lo que resulta de prácticamente nula utilización.1 Jiménez J., Geotecnia y Cimientos I, Editorial Rueda, Madrid, 1971, p. 267, 268, 275-278.Terzaghi K., Peck R., Mecánica de Suelos, El Ateneo, Buenos Aires, 1973, p. 96-98.Head K., Manual of Soil Laboratory Testing, Pentech Press, London, 1982, p. 581-585, 601-607.
    • Como el ensayo de compresión simple en arcillas relativamente impermeables seefectúa cargando la probeta con bastante rapidez, resulta que, en definitiva, constituyetambién un ensayo sin drenaje si dicha arcilla está saturada. Como el ensayo de compresiónsimple es extraordinariamente fácil y barato de realizar, resulta que muy pocas veces sehacen los ensayos triaxiales en suelos saturados. Según el valor de la resistencia máxima acompresión simple, una arcilla se puede clasificar del modo que se indica a continuación(Terzaghi y Peck, 1955).Consistencia Carga últimadel suelo (kg/cm2)Muy blanda <0,25Blanda 0,25-0,50Media 0,50-1,00Firme 1,00-2,00Muy firme 2,00-4,00Dura >4,00Tipos de rotura En un ensayo de compresión simple se pueden producir distintos tipos de rotura, loscuales son la rotura frágil y la rotura dúctil. En la primera predominan las grietas paralelas ala dirección de la carga, y la rotura ocurre de un modo brusco y bajo deformaciones muypequeñas, presentándose después de ella un desmoronamiento de la resistencia. En lasegunda la muestra se limita a deformarse, sin que aparezcan zonas de discontinuidad enella. De forma intermedia, la rotura se produce a través de un plano inclinado, apareciendoun pico en la resistencia y un valor residual. En arcillas blandas aparece la rotura dúctil en el ensayo de compresión simple,mientras que en suelos cementados se suele registrar rotura frágil en este tipo de ensayos.Las teorías de rotura frágil fueron iniciadas por Allan Griffith en 1920, al atribuir lareducida resistencia a la tracción de muchos materiales a la presencia de diminutas fisurasen su interior, en cuyos extremos se produce concentración de tensiones. La rotura seproduce debido a la propagación de las microfisuras existentes bajo dicha concentración detensiones. En una probeta sometida a compresión simple también se pueden producirtracciones locales en el contorno de las fisuras, especialmente sobre planos paralelos a ladirección de la compresión. Esto explica la aparición de grietas verticales. En suelosblandos sometidos a presiones no muy altas, la rotura dúctil se presenta bajo la forma de unensanchamiento sólo por el centro, ya que por los extremos lo impide la fricción entre elsuelo y las placas de carga.
    • MATERIALESLos materiales utilizados en el ensayo de compresión no confinada son los siguientes.1. Aparato de compresión: El aparato de compresión puede ser una báscula de plataforma equipada con unmarco de carga activado con un gato de tornillo, o con un mecanismo de carga hidráulica, ocualquier otro instrumento de compresión con suficiente capacidad de control paraproporcionar la velocidad de carga. En lugar de la báscula de plataforma es común que lacarga sea medida con un anillo o una celda de carga fijada al marco. Para suelos cuyaresistencia a la compresión no confinada sea menor de 100 kPa (1kg/cm2) el aparato decompresión debe ser capaz de medir los esfuerzos compresivos con una precisión de 1 kPa(0,01 kg/cm2); para suelos con una resistencia a la compresión no confinada de 100 kPa (1kg/cm2) o mayor el aparato de compresión debe ser capaz de medir los esfuerzoscompresivos con una precisión de 5 kPa (0,05 Kg/cm2).
    • 2. Deformímetro: El indicador de deformaciones debe ser un comparador de carátula graduado a 0,02mm, y con un rango de medición de por lo menos un 20% de la longitud del espécimen parael ensayo, o algún otro instrumento de medición, como un transductor que cumpla estosrequerimientos.3. Instrumentos de medición: Micrómetro, u otro instrumento adecuado para medir las dimensiones físicas delespécimen dentro del 0,1% de la dimensión medida. Los pie de metro o calibradoresVernier no son recomendados para especimenes blandos que se deformarán a medida quelos calibradores se colocan sobre el espécimen.4. Cronómetro: Un instrumento de medición de tiempo, que indique el tiempo transcurrido con unaprecisión de 1 seg para controlar la velocidad de aplicación de deformación prescritaanteriormente.5. Balanza: La balanza usada para pesar los especimenes, debe determinar su masa con unaprecisión de 0,1% de su masa total.6. Equipo misceláneo: Incluye las herramientas para recortar y labrar la muestra, instrumentos pararemoldear la muestra, y las hojas de datos.
    • MÉTODO2El ensayo de compresión simple se realiza siguiendo el método dado a continuación:1. Obtención y preparación de muestras. 1.1 Se extrae muestra del suelo lo mas inalterada posible de un tamaño suficientepara poder trasportarla al laboratorio sin que ésta se desintegre y no se produzcan grietasinternas que puedan alterar los resultados del ensayo. 1.2 Se deben manejar las muestras cuidadosamente para prevenir cualquieralteración, cambios en la sección transversal y evitándose cualquier cambio en el contenidode agua del suelo.2. Preparación de la probeta. 2.1 Los especimenes deben tener una sección transversal circular con susextremos perpendiculares al eje longitudinal de la muestra. Además deben tener undiámetro mínimo de 30 mm y la partícula mayor contenida dentro del espécimen de ensayodebe ser menor que 1/10 del diámetro del espécimen. La relación de altura a diámetro debeencontrarse entre 2 y 2,5. 2.2 Se talla la muestra de tal manera que la altura sea el doble del diámetro, estetallado se realiza de forma muy cuidadosa, en lo posible tratando que el material no seagriete en el tallado, realizado con un cuchillo. 2.3 El tamaño de la probeta se mide con un molde, de esta manera se llega a unaprobeta bien tallada cumpliendo con la condiciones anteriormente mencionadas, y sedetermina la altura promedio y el diámetro de la muestra para el ensayo utilizando losinstrumentos especificados anteriormente.3. Procedimiento. 3.1 Se coloca el espécimen en el aparato de carga de tal manera que quedecentrado en la platina inferior. Se ajusta el instrumento de carga cuidadosamente de tal2 Método basado en la norma ASTM Standard D2166-91: Test Method for Unconfined Compressive Strenghtof Cohesive Soil.
    • manera que la platina superior apenas haga contacto con el espécimen. Se coloca en cero elindicador de deformación. 3.2 Se aplica la carga de tal manera que se produzca una deformación axial arazón de 0,05 plg/min. 3.3 Se registran los valores de carga, deformación y tiempo, del anillo dedeformaciones y del anillo de cargas (0,0001”) a intervalos suficientes para definir la curvaesfuerzo-deformación. 3.4 Se continúa aplicando carga hasta que los valores de carga decrezcan alaumentar la deformación o hasta que se alcance una deformación igual a 0,2. 3.5 Finalmente, se confecciona un croquis de la probeta posterior al ensayo.
    • RESULTADOSLos valores obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación en la tabla de cálculos yresultados. Tiempo Deformación Carga Deformación Área Esfuerzo Probeta Anillo unitaria 1-ε corregida σ (seg) (plg) 0,0001" (kg) ε (cm2) (kg/cm2) 15 0,0125 12 4,19 0,0030 0,9970 22,13 0,19 30 0,0250 31 7,02 0,0059 0,9941 22,20 0,32 45 0,0375 53 10,30 0,0089 0,9911 22,26 0,46 60 0,0500 80 14,32 0,0118 0,9882 22,33 0,64 75 0,0625 126 21,17 0,0148 0,9852 22,40 0,95 90 0,0750 211 33,84 0,0177 0,9823 22,46 1,51 105 0,0875 275 43,38 0,0207 0,9793 22,53 1,93 120 0,1000 300 47,10 0,0236 0,9764 22,60 2,08 135 0,1125 410 63,49 0,0266 0,9734 22,67 2,80 150 0,1250 495 76,16 0,0295 0,9705 22,74 3,35 165 0,1375 500 76,90 0,0325 0,9675 22,81 3,37 180 0,1500 450 69,45 0,0354 0,9646 22,88 3,04Además se muestran en las tablas siguientes los diámetros, áreas, el área media de cálculo,la altura y las medidas principales después del ensayo. DIÁMETRO (cm) Superior Central Inferior 5,20 5,35 5,30 2 ÁREA (cm ) Superior Central Inferior 21,24 22,48 22,06D medio (cm) 5,30A media (cm2) 22,06 ALTURA cm plg 10,75 4,23DESPUÉS DEL ENSAYO Diámetro Altura 5,50 10,55Los valores se obtuvieron con las siguientes fórmulas. Áa re s p rio ue r +( 2 × re Á a c n l) e tra +Á a re in rio fe r Áa re md e ia = 4 Df r a ió e omc n po e r b ta Df r a ió e omc n u ita n ria = L n itu og d in ia ic l po e r b ta
    • Á a md re e ia Áa re c rre id o g a = 1 −D f rmc e o a ió n u ita n ria Ca ar g = tr ( eu L a c ×) 04 , 9 1 +2 ,4 [g ] k Carga  kg  Esfuerzo = cm 2  Área corregida  Con los datos anteriores obtenemos el gráfico esfuerzo-deformación. GRÁFICO ESFUERZO - DEFORMACIÓN 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,0030 0,0059 0,0089 0,0118 0,0148 0,0177 0,0207 0,0236 0,0266 0,0295 0,0325 0,0354 Def ormac ión unitaria
    • ANEXO FOTOGRÁFICOFotografía 1, probeta después del ensayo.Fotografía 2, acercamiento. Puede verse claramente que la falla se presenta principalmenteen forma de grietas verticales, que de acuerdo a la teoría de Griffith acusan una falla frágildel suelo, producto de la concentración de tensiones en las fisuras del material sobre planosparalelos a la dirección de la compresión. Esto podría explicar en parte las altas resistenciasalcanzadas por el suelo con bajísimas deformaciones, y la caída brusca de la resistenciadespués del ensayo.
    • CONCLUSIONES El ensayo de compresión simple o no confinada es un ensayo relativamente sencilloque nos permite medir la carga última a la que un suelo sometido a una carga compresiónfalla. Sin embargo es muy importante tener en cuenta las simplificaciones que este ensayosupone, y por las cuales no es un método exacto, sino más bien aproximado, a pesar de estoes un ensayo muy solicitado, ya que la sencillez de su método y el equipo que utiliza loconvierten en un ensayo de bajo costo en relación a otros relacionados, como el ensayotriaxial, que requiere de equipo más especializado. Se podría decir que este ensayo es uncaso particular del ensayo triaxial, en el que la presión lateral es igual a cero, y aunque estopueda significar una imprecisión, pues no reproduce claramente las condiciones en elterreno, en realidad se obtiene un resultado más conservador, ya que la presión lateral deconfinamiento ayuda al suelo a resistir la carga, y al no existir ésta el valor obtenido seríainferior al real, lo que deja al ingeniero con un margen de seguridad adicional. En esteensayo se trabaja manteniendo la deformación constante, lo que se controla por medio deldial o deformímetro solidario a la muestra de suelo y el cronómetro, siendo la cargaaplicada, o resistida, lo que varía y produce la forma de la curva esfuerzo-deformación. En lo que respecta al ensayo realizado por nosotros, después de llevar a cabo todoslos procedimientos señalados en un apartado anterior, y luego del procesamiento de losdatos obtenidos en las mediciones, podemos construir el gráfico esfuerzo-deformación, querepresenta el comportamiento del suelo sometido a cargas en progresivo aumento. El gráfico esfuerzo-deformación obtenido presenta una forma un tanto extraña, en lacual no podría definirse en forma precisa el módulo de elasticidad, aunque si el esfuerzoúltimo o de rotura, ya que después de llegar a este valor, la resistencia decae bruscamente yla probeta se rompe visiblemente. Es posible que la forma del gráfico se debaprincipalmente a la inexperiencia del grupo en el manejo de la máquina de carga en elcontrol de la velocidad de la deformación por medio del cronómetro, aunque la probeta fuetallada cuidadosamente. Otra explicación que podemos dar a la forma, la cual muestra unameseta o zona en que el esfuerzo se mantiene aumentando mucho la deformación, cercano alos 2 kg/cm2, es que en ese momento se haya producido una acomodación de la probeta enuno de sus extremos o en ambos, que podrían no haber quedado perfectamenteperpendiculares al eje. En resumen los resultados muestran un comportamiento que se aleja un poco delcomportamiento típico de un suelo arcilloso, ya que el esfuerzo de rotura es bastante alto encomparación a otros suelos, a pesar de mantener bajas deformaciones, es por esto que
    • concluimos que la rotura del suelo es de tipo frágil, tesis que queda avalada por las grietascasi verticales que se produjeron al final, y que se veían claramente luego de terminar elensayo (ver fotografías). La resistencia del suelo o esfuerzo de compresión último es 3,37 kg/cm2, valor quesegún la clasificación de Terzaghi mostrada en la sección Apoyo Teórico corresponde a unsuelo de consistencia muy firme. También podemos obtener una aproximación de laresistencia al corte, simplemente diviendo este valor por 2, con lo que obtenemos 1,69kg/cm2 de resistencia al corte.
    • LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS Daniel Santibáñez Valdivia, 4 de junio de 2004