compresion no confinada

COMPRESION NO CONFINADA

UNIVERSIDAD PERUANA DE LOS ANDES

ESCUELA ACADÉMICO-PROFESIONAL

INGENIERIA CIVIL

MONOGRAFÍA:


AUTORES:

CHUMPITAZ HERNANDEZ, GUSTAVO

DOCENTE:

Ing. Fernando Uchuypoma Montes

LIMA-PERÙ

2015 I

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DEDICATORIA

A mis queridos padres quienes desde la infancia me forjaron una personalidad y futuro con gran cariño; por ser ellos mi apoyo constante en la realización de mis metas y proyectos.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por haberme guiado, y dedico este trabajo a mis padres, mis compañeros y a nuestro Docente por darnos las pautas necesarias y por sus sabias cátedras que nos brinda.

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INDICE

Dedicatoria

Agradecimiento

Introducción

Objetivos

Apoyo teorico

Tipos de rotura

Materiales

Aparato de compresión

Deformimetro

Instrumento de medición

Cronometro

Balanca

Equipo misceláneo

Métodos

Obtención y preparación de muestra

Preparacion de la probeta

Procedimientos

Calculo

Resultado

Uso de la prueba

Conclusiones

Anexo

Referencias normativas

INTRODUCCIÓN

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El ensayo de compresión no confinada, también conocido con el nombre de ensayo de compresión simple o ensayo de compresión uniaxial, es muy importante en Mecánica de Suelos, ya que permite obtener un valor de carga última del suelo, el cual, como se verá más adelante se relaciona con la resistencia al corte del suelo y entrega un valor de carga que puede utilizarse en proyectos que no requieran de un valor más preciso, ya que entrega un resultado conservador. Este ensayo puede definirse en teoría como un caso particular del ensayo triaxial.

Es importante comprender el comportamiento de los suelos sometidos a cargas, ya que es en ellos o sobre ellos que se van a fundar las estructuras, ya sean puentes, edificios o carreteras, que requieren de una base firme, o más aún que pueden aprovechar las resistencias del suelo en beneficio de su propia capacidad y estabilidad, siendo el estudio y la experimentación las herramientas para conseguirlo, y finalmente poder predecir, con una cierta aproximación, el comportamiento ante las cargas de estas estructuras.

Debido a la compleja y variable naturaleza de los suelos, en especial en lo referido a la resistencia al esfuerzo cortante, existen muchos métodos de ensayo para evaluar sus características. 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 método tan complejo ni usar un equipo que a veces puede ser inaccesible, lo que significa menor costo. Este método de ensayo es aplicable solo a materiales cohesivos que no expulsan agua durante la etapa de carga del ensayo y que mantienen su resistencia intrínseca después de remover las presiones de confinamiento, como las arcillas o los suelos cementados. Los suelos secos friables, los materiales fisurados, laminados o varvados, los limos, las turbas y las arenas no pueden ser analizados por este método para obtener valores significativos de la resistencia a la compresión no confinada.

Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia o esfuerzo último de un suelo cohesivo a la compresión no confinada, mediante la aplicación de una carga axial con control de deformación y utilizando una muestra de suelo inalterada tallada en forma de cilindro, generalmente con una relación alto/diámetro igual a 2.

OBJETIVOS

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Al 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 TEÓRICO

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El 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.

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.

Como el ensayo de compresión simple en arcillas relativamente impermeables seefectúa cargando la probeta con bastante rapidez, resulta que, en definitiva,

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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.

TIPOS DE ROTURA

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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 los microsfisuras 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.

MATERIALES

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Los 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:

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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 especímenes 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 especímenes, 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.

MÉTODOS

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El 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 especímenes 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 debe centrarse 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 tal 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.

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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.

CALCULO

Calculo de la humedad (w). En muestras inalteradas, se obtiene desde una muestra representativa de suelo paralela al tallado de la probeta. Para muestras remoldeadas, una vez ensayada esta, se llevará a horno 24 horas.

- Calcular la altura inicial (L o ) de la probeta, como la media aritmética de las lecturas realizadas.

- Calcular el diámetro (D) de la probeta:D = (d i + 2 * d m + d s ) / 4 ( cm )

donde:di = diámetro inferior (cm.)

dm = diámetro medio ( c m . )ds = diámetro superior ( c m . )

- Calcular el área (A) de la probeta:A = π * (D/2) 2 (cm 2 )

- Calcular el volumen (V):V = A * L o (cm 3 )

- Calcular la deformación unitaria ( ε ) para cada carga:ε = ∆ L / Lo

donde:∆ L = variación de altura de probeta (cm.)

- Calcular el área corregida (A c ) para cada carga:

Ac = A / ( 1 - ε ) ( cm 2 )

- Calcular el esfuerzo de compresión no confinada ( σ c ) para cada unidad de área, mediante la siguiente expresión:

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σ c = P / A c ( kgs/cm 2 )

donde:P = carga aplicada (kgs.)

- Calcular la resistencia al corte o cohesión (c) del suelo:c = q u / 2 ( kgs/cm 2 )

donde:q u = máximo esfuerzo de compresión no confinada (kgs/cm 2 )

- Calcular la sensibilidad (S) del suelo:S = q u inalterado / q u remoldeado

- Graficar la curva deformación unitaria ( ε *10 - 2 ) contra el esfuerzo de compresión, para cada aplicación de carga y dibujar el círculo de Mohr del Ensayo,

RESULTADOS

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Los valores obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación en la tabla de cálculos yresultados.

Además se muestran en las tablas siguientes los diámetros, áreas, el área media de cálculo,

la altura y las medidas principales después del ensayo.

Los valores se obtuvieron de las siguientes formulas:

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Grafico esfuerzo - deformacion

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USO DE LA PRUEBA

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Este ensayo se puede realizar para el diseño de cimentaciones de ingeniería civil tales como edificios, puentes, presas, represa, terraplenes ya además en análisis de estabilidad de taludes, túneles y empujes sobre estructuras de retención.

CONCLUSIONES

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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.

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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 queconcluimos 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.

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 dividendo este valor por 2, con lo que obtenemos 1,69kg/cm2 de resistencia al corte.

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ANEXO FOTOGRAFICO

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.

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